JP6429199B2 - 慣性センサ - Google Patents

Description

本発明は、慣性センサ、すなわち角速度センサ、加速度センサ、およびその信号処理によって角度を計算するセンサに関するものである。

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１つに慣性センサがある。ＭＥＭＳ慣性センサは、半導体プロセスを用いて作製するため、大量の数の検出エレメントを並列に作ることができる。このことは、従来高価格であった慣性センサの低価格化をもたらし、車載の慣性センサを実現している。

この中でも、車体の傾きを検知する慣性センサの応用がある。すなわち、車体のロール傾きやピッチ傾きを検知し、これを制御したり安全装置を作動させたりして、乗員を怪我から守る安全装置への応用である。

一般に、傾きの検出方法は２つある。１つ目は、重力が垂直方向に常に１ｇ（９．８ｍ／ｓ^２）であることから、加速度センサの出力から逆三角関数を計算し、傾きを得る方法である。最低１軸の加速度センサがあればこれを実現できるが、逆三角関数は、傾きの角度によって生じる感度差が大きい（例えば、Ｓｉｎ関数は角度０度近傍では角度変化に対する傾きが大きいが、±９０度近傍では角度変化に対する傾きが小さくなる）ため、２軸の加速度センサの比から傾きを得る場合が多い。

しかし、前述の方法を車載の傾き検知センサとして用いることには課題がある。すなわち、車体がカーブ走行をしていたり、加速をしていたりすると、遠心力が発生するため、重力以外の加速度がセンサにかかる。この場合は、センサにかかる加速度が各軸の総和が１ｇであることを仮定している逆三角関数による計算手法では、正確な傾きを得ることができない。

一方、もう１つの手法としては、角速度を時間積分する方法がある。角速度の単位は度／秒であるので、角速度センサの出力を時間積分することで、センサが傾いている角度（方向）を検知することができる。

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では、前述の角速度センサの出力と、加速度センサの出力を信号処理することで得る角速度推定結果のうち、信頼度の高い方の信号を時間積分して姿勢角を得るという姿勢角計測装置が開示されている。

また、角速度を検出するための角速度検出エレメントと、検出回路の構成例としては、特許文献２に開示されているものが存在する。

特開２００８−２５６３８１号公報 特開２０１１−６４５１５号公報

前記特許文献１に示されるような、角速度の積分によって角度を得る構成を用いる場合について検討した結果、以下の課題が明らかとなった。

デジタル信号処理によって積分を行う場合は、基本的には、サンプリング間隔に角速度出力をかけたものを積分する。このため、積分に用いるサンプリング間隔の値と、実際のサンプリング間隔との誤差は角度計算の誤差に直結する。

ところが、前記特許文献２に開示されるように、センサの角速度検出回路の動作クロックが、角速度検出エレメントの共振周波数に同期する構成を採っている場合は、角速度検出エレメントの共振周波数に存在するばらつきのため、角速度検出回路の動作クロックもそれに準じてばらつき、さらにデジタル信号処理のためのサンプリング間隔にも同様のばらつきが発生する。言い換えると、前述の「センサの角速度検出回路が、角速度検出エレメントの共振周波数に同期する構成」を有する角速度センサでは、検出回路自身は、検出エレメントに同期しているかどうかについては認識できるが、どのような周波数で同期しているかは認識できないという、回路構成上の本質的な課題が存在する。結果的に、積分のために必要なサンプリング間隔が不明であるという事実は、センサ組上げ後の個別補正など、時間や装置面の負担を強いることになり、センサのコスト上昇が生じる。

また、センサとは別のモジュールであって、水晶振動子のように高精度なクロック源を有するマイコンによって、定期的に角速度センサの出力を取得し、角速度を積分する方法を用いることも考えられる。この場合は、（１）通信エラーや信号飽和が生じると、そのエラーが積分誤差に半永久的に残る、（２）積分の高精度化のためにセンサとマイコン間の通信を頻繁に行う必要がある、（３）センサのＬＰＦ（Low Pass Filter、低域通過フィルタ）があるため、ＬＰＦを超える周波数を有する角速度成分を積分に反映できない、等の問題が生じる。特に、ＣＡＮ（Controller Area Network）バスのように１対１通信でない通信方法によってセンサとマイコンを接続している場合は、通信の輻輳等が他のシステムにまで影響を与えるおそれがある。

本発明は、角速度検出エレメントの共振周波数に同期する構成を有する角速度検出回路を有する慣性センサにおいて、角度検知のための積分回路における積分誤差の少ない高精度な角度出力の実現を目的としてなされたものである。

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、次のとおりである。

一実施の形態における慣性センサは、角速度検出のための機械構造を有する角速度検出エレメントと、前記角速度検出エレメントから角速度を検出するための角速度検出回路と、を有する。前記角速度検出回路は、前記角速度検出エレメントから得られる信号を、前記角速度検出エレメントの駆動周波数に同期した離散時間でサンプリングすることで傾斜角を計算する。

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。

一実施の形態によれば、角速度検出エレメントの共振周波数に同期する構成を有する角速度検出回路を有する慣性センサにおいて、角度検知のための積分回路における積分誤差の少ない高精度な角度出力を実現することができる。

本発明の実施の形態１における、慣性センサの構造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、慣性センサの構成の一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態１から４における、振動子の振動周波数と角速度のサンプリングタイミングとの関係の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１における、駆動周波数測定系の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１から４における、共振子の温度に対する共振周波数の変化率の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１における、角速度検出エレメントの立ち上がり待ちの概念と、出力マスクやリセット要求機能の効果との一例を示す図である。 本発明の実施の形態１における、慣性センサを構成する最低限必要な構成要素を示す図である。 本発明の実施の形態２における、慣性センサの構造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、慣性センサの構成の一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態２における、傾き、重力、遠心力の関係の一例を示す図である。 本発明の実施の形態３における、慣性センサの構造の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態３における、慣性センサの構成の一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態３における、２つの角速度検出エレメントの、駆動側周波数応答と検出側周波数応答の一例を示す図である。 本発明の実施の形態３における、別の慣性センサの構成の一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態３における、２つの角速度検出エレメントの、別の駆動側周波数応答と検出側周波数応答の一例を示す図である。 本発明の実施の形態４における、慣性センサの構造の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態４における、慣性センサの構成の一例を示す構成図である。 本発明の実施の形態４における、センサモジュールの構成の一例を示す構成図である。

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。

一実施の形態における慣性センサは、角速度検出のための機械構造を有する角速度検出エレメント（角速度検出エレメントチップＣ１、Ｃ５、Ｃ６）と、前記角速度検出エレメントから角速度を検出するための角速度検出回路（信号処理ＬＳＩチップＣ２、Ｃ４、Ｃ７、Ｃ８、Ｃ９）と、を有する。前記角速度検出回路は、前記角速度検出エレメントから得られる信号を、前記角速度検出エレメントの駆動周波数に同期した離散時間でサンプリングすることで傾斜角を計算する。

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。

［実施の形態１］
本実施の形態１における慣性センサについて、図１〜図７を用いて説明する。本実施の形態１では、角速度の出力に加え、角度を外部に出力する慣性センサの例について説明する。

＜慣性センサの構造＞
まず、図１を用いて、本実施の形態１における慣性センサの構造について説明する。図１は、この慣性センサの構造の一例を示す断面図である。

本実施の形態１における慣性センサでは、角速度が検知できるように、角速度検出エレメントチップＣ１（以下、角速度検出エレメントとも記す）と、信号処理ＬＳＩチップＣ２とを、センサ内に有している。角速度検出エレメントチップＣ１は、主面上にパッド３０６が設けられ、このパッド３０６を通じて接続される。信号処理ＬＳＩチップＣ２は、主面上にパッド３０４が設けられ、このパッド３０４を通じて接続される。

本実施の形態１に示す慣性センサでは、センサパッケージ部３０２上に信号処理ＬＳＩチップＣ２が設置され、さらに、信号処理ＬＳＩチップＣ２上に角速度検出エレメントチップＣ１が搭載されている。信号処理ＬＳＩチップＣ２と角速度検出エレメントチップＣ１とは、信号処理ＬＳＩチップＣ２のパッド３０４と、角速度検出エレメントチップＣ１のパッド３０６との間に設けられたボンディングワイヤＷ１を通じて電気的に接続されている。また、信号処理ＬＳＩチップＣ２は、センサパッケージ部３０２に設けられた電極３０５へのボンディングワイヤＷ１の接続によって、外部電極３０３との電気的接続を行う。また、キャップ部３０１が、センサパッケージ部３０２の「ふた」となり、センサモジュール（センサの１単位）を構成している。

なお、ここで、慣性センサのパッケージング方法は本願で開示する内容に無関係である。すなわち、トランスファーモールドによる樹脂パッケージや、セラミクス等の基板上にチップを固定するプレモールドパッケージなど、様々なパッケージング方法で本願の開示内容は実現可能である。

＜慣性センサの構成および動作＞
図２を用いて、本実施の形態１における慣性センサの構成について説明する。図２は、この慣性センサの構成の一例を示す構成図である。

本実施の形態１における慣性センサは、角速度検出エレメントチップＣ１の部分の角速度検出エレメント４０１と、信号処理ＬＳＩチップＣ２の部分の検出回路とを、有している。角速度検出エレメントチップＣ１は、角速度検出のための機械構造を有する角速度検出エレメントである。信号処理ＬＳＩチップＣ２は、角速度検出エレメントから角速度を検出するための角速度検出回路である。

角速度検出エレメント４０１は、駆動電極４０１ａ、モニタ電極４０１ｂ、および検出電極４０１ｃを有している。検出回路は、駆動側ＣＶ（Capacitor to Voltage）変換部４０２、駆動側ＡＤＣ（Analog to Digital Convertor）部４０３、駆動側同期検波部４０４、周波数制御部４０５、および振幅制御部４０６を有している。また、検出回路は、検出側ＣＶ変換部４０７、検出側ＡＤＣ部４０８、検出側同期検波部４０９、ＬＰＦ４１０、積分・角度計算回路４１１、メモリ４１２、およびデジタル通信回路４１３を有している。さらに、検出回路は、共通クロック源４１４、分周器４１５、可変アンプ４１６、アンプ４１７、位相反転器４１８、および温度センサ４１９を有している。この検出回路において、ＣＶ変換部４０２、４０７、ＡＤＣ部４０３、４０８、同期検波部４０４、４０９、周波数制御部４０５、振幅制御部４０６、ＬＰＦ４１０、積分・角度計算回路４１１、メモリ４１２、デジタル通信回路４１３、分周器４１５、および温度センサ４１９は、デジタル部Ｄ１を構成している。

ここで、角速度検出エレメント４０１は、いわゆる振動式角速度検出エレメントであり、予め定められた駆動方向に振動する振動子に対して、角速度が印加されたとき、駆動振動方向と直交する検出方向に生じる、コリオリ力に基づく新たな振動成分を検出し、これに基づいて角速度情報を出力するものである。ここで、コリオリ力Ｆｃは、以下の式１によって示される。

Ｆｃ＝２・ｍ・Ω・Ｘ・ωｄ・ｃｏｓ（ωｄ・ｔ） （式１）
式１において、Ｆｃはコリオリ力、ｍは可動部の質量、Ωは印加される角速度、Ｘは駆動方向の振動振幅、ωｄ／２πは駆動周波数、ｔは時間を示す。

式１によれば、感度の向上、すなわちコリオリ力を多く得るためには、可動部の質量、駆動方向の振動振幅、ないしは駆動周波数を増やす必要があることがわかる。一方、駆動方向の最大振幅は、式２で示される。

式２において、Ｘは駆動方向の振動振幅、ω_ｄ／２πは駆動周波数、ω_ｒは駆動方向の固有振動数、Ｑ_ｄは駆動方向の機械品質係数、ｋ_ｄは振動子を構成する支持梁のばね定数、Ｆ_ｄは駆動力を示す。

このため、一般に、振動式角速度検出エレメントは、駆動電圧対感度の効率が最良となるように、駆動方向の固有振動数（共振周波数）にて振動を維持し、機械品質係数倍の振幅ゲインを得ることで、印加される角速度に対して最も大きなＳＮＲ（Signal to Noise Ratio、信号対雑音比）を得る構成を採る。これは、本実施の形態１においても同様である。

本実施の形態１では、前述した特許文献２に示されているものと同じように、角速度検出エレメントの共振周波数に信号処理ＬＳＩチップのクロックが同期する。すなわち、共通クロック源４１４が生成する周波数、または、その分周や逓倍は、回路の定常状態において、角速度検出エレメント４０１の駆動方向の共振周波数に一致する。このような構成を採ることで、信号の同期検波のサンプリング点数を減らし、同期検波をデジタル信号領域で行うことが容易となる。これは、特に細線プロセスを用いるＬＳＩチップにおいて、チップ面積の低減、すなわちコストの低減をもたらす。

角速度検出エレメント４０１は、駆動方向に振動を生じさせる駆動力を、静電力によってもたらすための駆動電極４０１ａ、駆動方向の振動変位を静電容量の変化として読み出すモニタ電極４０１ｂを有している。共通クロック源４１４が生成したクロックを分周器４１５で適切な周波数に分周し、アンプ４１７を通じて適切な電圧レベルに変換したキャリア信号を角速度検出エレメント４０１の可動部に与える。モニタ電極４０１ｂが構成する静電容量は、角速度検出エレメント４０１の可動部の変位によって変化が発生するので、キャリア信号が印加されたモニタ電極４０１ｂが構成する静電容量に準じた交流電流、すなわち角速度検出エレメント４０１の可動部の変位に準じた電流が発生することになる。

次に、この電流によって表される角速度検出エレメント４０１の変位情報を、信号処理ＬＳＩチップＣ２内の駆動側ＣＶ変換部４０２を通じて容量成分を電圧に変換し、さらに駆動側ＡＤＣ部４０３を経てデジタル値を得る。なお、このＣＶ変換部４０２は、スイッチトキャパシタ型のＣＶ変換回路であったり、連続時間型のＣＶ変換回路であったりとその構成にはよらないが、ＣＶ変換部４０２でキャリア信号の同期検波を行うことが望ましい。連続時間型のＣＶ変換回路では、追加の同期検波回路が必要になるが、ここでは簡単のため同期検波回路を兼ねることができるスイッチトキャパシタ型のＣＶ変換回路を想定している。また、ＡＤＣの形式はΣΔ方式や逐次比較方式など、方式は問わない。

さて、デジタル領域に変換された信号は、デジタル信号領域の駆動側同期検波部４０４において、駆動信号と同じ周波数かつ、変位信号とマッチした位相をもつ基準信号を用いて同期検波を行い、変位振動振幅成分を取り出す同期検波処理と、駆動信号と同じ周波数かつ、変位信号より９０度進んだ位相をもつ基準信号を用いて同期検波を行い、角速度検出エレメント４０１の駆動方向の共振周波数と駆動周波数の差を取り出す同期検波処理との２つを行う。

この同期検波部４０４では、前述の通り角速度検出エレメント４０１の共振周波数に信号処理ＬＳＩチップＣ２のクロックが同期しているので、信号処理ＬＳＩチップＣ２がもつばらつきによって角速度検出エレメント４０１の共振周波数がばらついても、１周期のサンプリング数（正弦波信号の分割数）は常に一定の値を保てるという特徴がある。

前者の同期検波処理によって得られた振幅情報は、角速度検出エレメント４０１の駆動方向の振動が予め定められた所望の振幅に達するように振幅制御部４０６で制御がなされ、その制御出力は可変アンプ４１６のゲイン調整に用いられる。ゲイン調整を経た駆動信号（ここで駆動信号は共通クロック源４１４の分周であり、分周器４１５によってその分周が実現されている）は、角速度検出エレメント４０１の駆動電極４０１ａに、向かい合う電極同士で逆位相になるように、一方の駆動電極は直接、もう一方の駆動電極は位相反転器４１８を経て、それぞれ駆動信号が印加される。これらの制御のループによって、角速度検出エレメント４０１は、予め定められた所定の振幅での振動が維持される。一方、後者の同期検波処理によって得られた角速度検出エレメント４０１の駆動方向の共振周波数と駆動周波数の差は、周波数制御部４０５に与えられ、制御出力は共通クロック源４１４へと与えられ、角速度検出エレメント４０１の駆動方向の共振周波数と駆動周波数の差が縮まる方向に向かうように周波数制御ループが構成される。

以上に示した構成によって、角速度検出エレメント４０１の駆動方向の共振周波数と駆動周波数が一致する。また、角速度検出エレメント４０１の駆動方向の共振周波数は、半導体加工の精度などによってばらつきを示すが、周波数制御部４０５の働きによって、ある程度の共振周波数の範囲にあれば自動的にその共振周波数に共通クロック源４１４が同期し、また、同期検波処理も角速度検出エレメント４０１の共振周波数に信号処理ＬＳＩチップＣ２のクロックが同期しているので、信号処理ＬＳＩチップＣ２がもつばらつきによって角速度検出エレメント４０１の共振周波数がばらついても、１周期のサンプリング数が常に一定になる。

ここで、回路のデジタル部Ｄ１のクロックは、同期検波部４０４はもちろん、それ以外の回路要素すべてで共通クロック源４１４を基にしている。共通クロック源４１４を基にしているということは、デジタル部Ｄ１のクロックも角速度検出エレメント４０１の駆動方向の共振周波数に同期しているということを意味している。デジタル部Ｄ１のクロックを角速度検出エレメント４０１の駆動方向の共振周波数に同期させるということは、振動型角速度センサで角速度検出を行う上での必要条件ではないが、かかる構成とすることによって、デジタル部Ｄ１の基準クロックを別途準備する必要がなく、また、角速度検出エレメント４０１の高い機械品質係数を用いた周波数安定性が得られるため、デジタル部Ｄ１のクロックを角速度検出エレメント４０１の駆動方向の共振周波数に同期させることにはシステム構成の簡易化の観点で利点がある。

次に、角速度を検出する手順について説明する。角速度検出エレメント４０１は、検出方向への振動変位を静電容量の変化として読み出す検出電極４０１ｃを有する。前述したように、角速度検出エレメント４０１が予め定められた駆動方向に振動していると、角速度が印加されたとき、駆動振動方向と直交する検出方向にコリオリ力が生じる。このコリオリ力による変位によって検出電極４０１ｃの容量が変化する。この容量変化を、アンプ４１７を通じて適切な電圧レベルに変換したキャリア信号によって電流化し、これを検出側ＣＶ変換部４０７で電圧に変換し、さらに検出側ＡＤＣ部４０８でデジタル値に変換し、検出方向の振動とマッチした位相での同期検波を行う検出側同期検波部４０９によって、検出方向振動の振幅、すなわち角速度が得られる。ここで得た角速度成分は、ＬＰＦ４１０を経て不要な高周波成分を落とし、デジタル通信回路４１３より信号Ｓ１として、上位のシステムに出力される。

次に、本実施の形態１における角速度出力の積分に関する回路構成についての説明を行う。図３は、角速度検出エレメント４０１の駆動方向の共振周波数と駆動周波数が一致する回路構成を用いた角速度センサの信号処理回路内において、時間積分のために角速度をサンプリングする際のイメージである。図３は、振動子の振動周波数（横軸は時間、縦軸は振動子の変位）と角速度のサンプリングタイミング（横軸は時間、縦軸は角速度）との関係の一例を示す図である。図３（ａ）は、図３（ｂ）よりも角速度検出エレメント４０１の駆動方向の共振周波数が相対的に高いセンサにおける、振動の時系列変位と、そこから得られた角速度信号、およびサンプリング間隔Ｔｓを示す。図３（ｂ）は、相対的に図３（ａ）よりも角速度検出エレメント４０１の駆動方向の共振周波数が低いセンサにおける、振動の時系列変位と、そこから得られた角速度信号、およびサンプリング間隔Ｔｓを示す。

図３（ａ）（ｂ）に示すように、角速度検出エレメント４０１の駆動方向の共振周波数が異なると、すべてのクロックが角速度検出エレメント４０１の駆動方向の共振周波数に同期しているので、サンプリング間隔もそれに準じて異なるものになる。以下に、離散時間積分によって得られる角度の式３を示す。

式３において、θは積分の結果得られる角度、Ωは印加される角速度、Ｔｓはサンプリング間隔を示す。

式３から示されるように、例えば、角速度検出エレメント４０１の駆動方向の共振周波数が１０％異なる２つのサンプルがある場合、サンプリング間隔Ｔｓを固定とすると、それらのサンプルの角度計算に生じる誤差は１０％となる。より具体的な例では、共振周波数の中央値が１０ｋＨｚの設計で、Ｔｓを０．１ｍｓと見積もって一括設定した場合、加工ばらつきによってそれぞれ９．５ｋＨｚと１０．５ｋＨｚの角速度検出エレメント４０１の駆動方向の共振周波数をもつ２つのサンプル間に生じる誤差が約１０％である。

このように、角速度検出エレメント４０１の駆動方向の共振周波数のばらつきによって積分の誤差が生じる問題を解決するため、本実施の形態１では、積分・角度計算回路４１１にメモリ４１２を設け、予めプローバ検査等のウエハレベルで計測した角速度検出エレメント４０１の駆動側共振周波数ないしはそれに準じた値（後述）を保存する回路を追加している。積分・角度計算回路４１１は、式３に準じた積分計算（傾斜角の角度計算）を行うが、この積分・角度計算回路４１１でのサンプリング間隔は、メモリ４１２に保存されている角速度検出エレメント４０１の駆動方向の共振周波数、またはその逓倍・分周である。例えば、積分・角度計算回路４１１のサンプリング周波数が角速度検出エレメント４０１の駆動方向の共振周波数のＹ分周であるとすると、Ｔｓは角速度検出エレメント４０１の駆動方向の共振周波数の逆数からＹを割った値になる。

前述のように、本実施の形態１のような検出回路の構成においては、検出回路自身では共通クロック源４１４が角速度検出エレメント４０１の駆動方向の共振周波数に同期しているかどうかは認識できるが、実際にどのような周波数で同期しているかという周波数絶対値がわからない。一方、本実施の形態１に示す方法によって、メモリ４１２に、角速度検出エレメント４０１の駆動側共振周波数を保存しておけば、積分・角度計算回路４１１におけるサンプリング間隔が、メモリ４１２に記録された情報から明らかになるので、水晶振動子のような外付けクロック源の追加や、外部からのクロック信号印加、上位システムからのサンプリングトリガの入力といったコスト上昇や故障リスク増の対策を追加することなく、高精度な傾斜角の角度計算を行うことができる。

ここでメモリ４１２は、実装方法によらず、マスクＲＯＭ、フラッシュＲＯＭ等のあらゆる不揮発メモリによって実現可能である。また、揮発メモリであっても、起動時に上位システムから共振周波数をデジタル通信回路４１３によって与えられれば、所望の機能は維持可能である。

また、メモリ４１２に保存する角速度検出エレメント４０１の駆動側共振周波数に関しては、必ずしも共振周波数そのものである必要はなく、共振周波数の逓倍・分周値や、それらの逆数など、角速度検出エレメント４０１の駆動側共振周波数に基づく値であれば、本実施の形態１を実現できることは明らかである（これを、角速度検出エレメント４０１の駆動側共振周波数ないしはそれに準じた値と定義する）。

また、角速度検出エレメント４０１の駆動側共振周波数は、必ずしも各検出エレメントを直接測った共振周波数の値である必要はなく、ウエハ上の数チップを測った結果得られるトレンドから補完した結果など、所望の精度に応じて厳密さの度合いを選択することができる。ウエハ内でのばらつきやロットのばらつき、フォトマスクレベルのばらつきがセンサとしての仕様を満たすのであれば、それぞれウエハ内の１デバイス、ロット内の１デバイス、当該フォトマスクで作製したウエハからの１デバイスを測れば、メモリ４１２に保存すべき値を決定できる。

さらに、別の方法として、図４を用いて説明する。図４は、駆動周波数測定系の構成の一例を示す図である。図４に示すように、慣性センサ２０１、計測装置２０２からなる出荷前検査システムにおいて、慣性センサ２０１から得る駆動信号を計測装置２０２がその周波数を計測し、周波数情報として慣性センサ２０１に返すようにして、角速度検出エレメント４０１の駆動側共振周波数をメモリ４１２に記録する構成としても良い。この場合、慣性センサ２０１があって、駆動信号やそのデジタル値を出力する機能を有し、メモリ４１２に角速度検出エレメント４０１の駆動側共振周波数を記録することが特徴となる。また、例えば慣性センサ２０１にテストモード（ＴＥＳＴ＝Ｈ）の選択ができるようになっていて、慣性センサ２０１から得る駆動信号は出荷前検査時だけ出すような形となっていても良い。一般に、センサを利用する際には駆動信号をモニタする必要がないため、慣性センサ２０１から駆動信号を出す機能を必ずしも開放しなくとも、センサとしての機能は満たせる。

また、図２では、積分・角度計算回路４１１へ与える信号は検出側同期検波部４０９の直後から出ているが、これはＬＰＦ４１０の後段からの入力であっても良い。前者は、高い周波数成分までを含めて積分ができるため、一般にはＬＰＦ４１０を経た後の信号を用いるよりも高精度な角度計算が期待できる一方、高域のノイズも積分してしまうため、回路のノイズプロファイルによっては好適な構成とならない。一方、後者の構成であれば、広域ノイズを落とした帯域の信号だけが得られるので、測定対象の応答性が高くないものを測定する場合においては、後者のようなＬＰＦ４１０を経た信号を積分・角度計算回路４１１に入力する構成が好適になる可能性がある。

また、図示していないが、ＬＰＦ４１０の前後段で信号のゲインを調整する場合は、ゲイン調整前の信号や、積分計算用にゲインを調整した信号を積分・角度計算回路４１１へ与えることで、信号飽和による積分誤差の発生を防ぐことができる。これは、単にセンサモジュールとマイコンのように別のＩＣ（Integrated Circuit）単位からなるシステムでは実現できない信号処理と言える。

図５は、共振子の温度に対する共振周波数の変化率の一例を示す図である。図５のグラフでは、単結晶シリコンを用いて作製する振動子の温度（℃）に対する共振周波数の変化率（％）を示している。シリコンのヤング率が温度に応じて変動するので、振動子の共振周波数も温度に応じて図５に示すように変化することが知られている。図５の例では、温度が−５０℃から１５０℃までの変化に対して、共振周波数変化率は約０．２５％から約−０．４５％まで変化する。このため、積分・角度計算回路４１１では、温度センサ４１９の出力を受け、図５に示したような温度と共振周波数のプロファイルから、サンプリング間隔Ｔｓを補正する機能を有していても良い。図５のグラフは、式４で書かれており、例えば式４にしたがって補正を行うことで、ヤング率の温度特性による誤差を改善することできる。

式４において、Ｔは温度、Ｅは温度Ｔにおけるヤング率、Ｅ_０は０Ｋでの縦弾性係数、Ｂは温度係数、Ｔ_０は近似係数を示す。

ところで、式２に示したように、一般に、振動型角速度センサでは、機械品質係数で示される振動ゲインを活用することで、駆動側の駆動電圧対振動比を大きくとり、ＳＮＲを向上させている。一方、機械品質係数値を活用するためには、一定の周波数で当該周波数の振動エネルギーを貯める時間がかかる。最も単純に、ステップ応答的に、一定の振幅の周波数を与え続けることを考えると、最大振幅の６３．２％に達するまでの時間である“時定数”は機械品質係数の２倍の数を固有振動数で割った値になる。すなわち、通電して直ちに角速度センサとして正常な出力が出る駆動振幅に到達するまでには、エネルギーを貯め込むための時間が必要となる。

図６は、角速度検出エレメントの立ち上がり待ちの概念と、出力マスクやリセット要求機能の効果との一例を示す図である。図６では、角速度検出エレメントの駆動振幅の一例を示している（ここで、変位ではなく振幅なので、変位の包絡線を示していることに注意されたい）。角速度センサの立ち上がりが、角速度検出エレメントの駆動振幅が十分に立ち上がらなければ、角速度センサとしてはもちろんのこと、角度計算を行うことも適切でない。そこで、本実施の形態１においては、角速度検出エレメント４０１の駆動振幅が、予め定めたしきい値の範囲内にないときは、デジタル通信回路４１３より出力する角度出力にマスクをかけるか、角度出力が利用できないことを示すフラグを出力するという機能を付加している。このような構成を採ることによって、上位システムが本来正しくない、誤った角度出力を上位システムの制御に使ってしまうおそれを排除することができる。

また、本実施の形態１においては、上位システムからのリセット要求（パルスＨ）に応じて、角度出力をリセットする機能が備わっている。リセットとは、すなわち積分器の積分値を０にする機能であり、例えば車載用途やいわゆるドローン（無人飛行機）のような飛行物体であれば、上位システムが車速パルス、ＧＰＳ測位情報や加速度センサ等の別のセンサ情報を元に車両や飛行機が停止状態にあることを認識し、その時点でリセットすることが望ましい。本実施の形態１においては、角速度センサ（慣性センサ）の内部の回路が角速度を積分して角度を計算しているので、静止の判断を行える上位システムからのリセット信号を用いて、積分をリセットできる通信機能を備えるという発想は、従来の上位システム側で角速度を積分し、上位システム内で積分値をリセットするという一般構成とは全く異なるものである。

本実施の形態１の最低限の構成を図７に示す。図７は、慣性センサを構成する最低限必要な構成要素を示す図である。図７では、共通クロック源４１４があり、この周波数を周波数制御部４０５が制御し、角速度検出エレメントチップＣ１が持つ駆動方向の共振周波数と駆動周波数が一致する回路構成である。ここで、角速度から積分・角度計算を行う積分・角度計算回路４１１が、共通クロック源４１４のクロックに同期していて、積分計算に用いるサンプリング間隔をメモリ４１２に保存している構成によって、高精度に角速度積分を実施する回路である。

なお、本文中では角速度検出エレメントの共振周波数に信号処理ＬＳＩチップのクロックが同期している、と記述しているが、必ずしも駆動周波数が共振周波数に一致する必要はなく、機械品質係数が一定量得られる周波数であれば良い。また、周波数制御によっては、駆動周波数が共振周波数に一致しているかどうかは判断しかねる場合もある。その場合は、本文中の「共振周波数」はすべて「駆動周波数」に置き換えられる。

＜実施の形態１の効果＞
以上説明した本実施の形態１によれば、角速度検出エレメント４０１の共振周波数に同期する構成を有する角速度検出回路を有する慣性センサにおいて、角度検知のための積分回路における積分誤差の少ない高精度な角度出力を実現することができる。すなわち、角度検知のための積分回路に正確な積分時間を与え、積分誤差の少ない高精度な角度出力の実現が可能となる。言い換えれば、慣性センサ組上げ後の調整を行うことなく、精度の高い角度検知を行うことができる。より詳細には、以下の通りである。

（１）慣性センサは、角速度検出のための機械構造を有する角速度検出エレメントチップＣ１と、この角速度検出エレメントチップＣ１から角速度を検出するための角速度検出回路である信号処理ＬＳＩチップＣ２と、を有する。これにより、信号処理ＬＳＩチップＣ２は、角速度検出エレメントチップＣ１から得られる信号を、この角速度検出エレメントチップＣ１の駆動周波数に同期した離散時間でサンプリングすることで傾斜角を計算することができる。

（２）信号処理ＬＳＩチップＣ２が角速度検出エレメントチップＣ１から得る信号は、角速度とすることができる。

（３）信号処理ＬＳＩチップＣ２の動作クロックは、角速度検出エレメントチップＣ１の駆動周波数に同期させることができる。

（４）信号処理ＬＳＩチップＣ２が傾斜角を計算する信号処理は、時間積分とすることができる。

（５）角速度検出エレメントチップＣ１の駆動周波数は、この角速度検出エレメントチップＣ１の共振周波数とすることができる。

（６）角速度検出エレメントチップＣ１の駆動周波数は、この角速度検出エレメントチップＣ１の機械品質係数によるゲインを得られる周波数とすることができる。

（７）角速度検出エレメントチップＣ１の駆動周波数ないしはその逓倍または分周から得られる値が、予め信号処理ＬＳＩチップＣ２内の記憶領域であるメモリ４１２に保存されており、信号処理ＬＳＩチップＣ２は、このメモリ４１２に保存されている値を利用して傾斜角を計算することができる。

（８）信号処理ＬＳＩチップＣ２が積分計算に用いる角速度は、角速度として出力するＬＰＦ４１０を経る前の信号とすることができる。

（９）信号処理ＬＳＩチップＣ２の積分計算は、温度センサ４１９によって補正を行うことができる。

（１０）信号処理ＬＳＩチップＣ２の積分計算は、外部からのリセット信号によって積分値をリセットすることができる。

（１１）信号処理ＬＳＩチップＣ２の積分計算は、外部からの、測定対象の運動状態を示す信号から、この測定対象の移動が発生していない、またはこの測定対象に重力以外の加速度がかかっていないことを検知し、この検知のタイミングで積分値をリセットすることができる。

（１２）信号処理ＬＳＩチップＣ２は、メモリ４１２と、積分・角度計算回路４１１と、を有する。これにより、メモリ４１２は、角速度検出エレメントチップＣ１の駆動周波数ないしはその逓倍または分周から得られる値を予め保存することができる。そして、積分・角度計算回路４１１は、角速度検出エレメントチップＣ１から得られる信号を、この角速度検出エレメントチップＣ１の駆動周波数に同期した離散時間でサンプリングすることで傾斜角を計算し、この傾斜角の計算の際にメモリ４１２に保存されている値を利用して傾斜角を計算することができる。

［実施の形態２］
本実施の形態２における慣性センサについて、図８〜図１０を用いて説明する。以下の実施の形態２で、特に詳細が触れられていないものについては、前記実施の形態１と同様である。本実施の形態２では、前述の角速度、角度に加え、加速度を外部に出力する慣性センサの例について説明する。

図８は、本実施の形態２における慣性センサの構造の一例を示す断面図である。本実施の形態２における慣性センサでは、角速度と加速度が検知できるように、角速度検出エレメントチップＣ１、加速度検出エレメントチップＣ３（以下、加速度検出エレメントとも記す）、および信号処理ＬＳＩチップＣ４を、センサ内に有している。角速度検出エレメントチップＣ１は、主面上にパッド３０７が設けられ、このパッド３０７を通じて接続される。加速度検出エレメントチップＣ３は、主面上にパッド３０８が設けられ、このパッド３０８を通じて接続される。信号処理ＬＳＩチップＣ４は、主面上にパッド３０４が設けられ、このパッド３０４を通じて接続される。

本実施の形態２に示す慣性センサでは、センサパッケージ部３０２上に信号処理ＬＳＩチップＣ４が設置され、さらに、信号処理ＬＳＩチップＣ４上に角速度検出エレメントチップＣ１および加速度検出エレメントチップＣ３が搭載されている。信号処理ＬＳＩチップＣ４と、角速度検出エレメントチップＣ１および加速度検出エレメントチップＣ３とは、信号処理ＬＳＩチップＣ４のパッド３０４と、角速度検出エレメントチップＣ１のパッド３０７および加速度検出エレメントチップＣ３のパッド３０８との間にそれぞれ設けられたボンディングワイヤＷ１を通じて電気的に接続されている。また、信号処理ＬＳＩチップＣ４は、センサパッケージ部３０２に設けられた電極３０５へのボンディングワイヤＷ１の接続によって、外部電極３０３との電気的接続を行う。また、キャップ部３０１が、センサパッケージ部３０２のふたとなり、センサモジュールを構成している。

図９は、慣性センサの構成の一例を示す構成図である。本実施の形態２における慣性センサは、角速度検出エレメントチップＣ１の部分の角速度検出エレメント４０１と、加速度検出エレメントチップＣ３の部分の加速度検出エレメント１００１ａ、１００１ｂと、信号処理ＬＳＩチップＣ４の部分の検出回路とを、有している。加速度検出エレメント１００１ａ、１００１ｂにおいて、１００１ａはＹ方向加速度検出エレメントであり、１００１ｂはＸ方向加速度検出エレメントである。角速度検出エレメント４０１は、前記実施の形態１と同様である。加速度検出エレメント１００１ａ、１００１ｂは、電極１００１ｃ、１００１ｄを有している。検出回路は、前記実施の形態１の構成に加えて、Ｙ側ＣＶ変換部１００２、Ｙ側ＡＤＣ部１００３、Ｙ側ＬＰＦ１００４、Ｘ側ＣＶ変換部１００５、Ｘ側ＡＤＣ部１００６、およびＸ側ＬＰＦ１００７が追加され、また、積分・角度計算回路４１１が積分・角度計算・診断回路１０００に置き換えられている。

ここで、加速度検出エレメント１００１ａおよび１００１ｂは、それぞれ静的な加速度を検出する静電容量型エレメントであり、予め定められた変位方向に加速度が印加されたとき、可動部が変位し、これによって電極１００１ｃ、１００１ｄに生じる静電容量の変化を、ＣＶ変換部１００２、１００５でそれぞれ電流から電圧に変換し、ＡＤＣ部１００３、１００６によってデジタル領域に変換し、ＬＰＦ１００４、１００７で不要な帯域の成分を除去した後、デジタル通信回路４１３より上位システムへの加速度出力を行う。ここで、信号処理ＬＳＩチップＣ４が有する共通クロック源４１４から、分周器４１５、アンプ４１７を経て生成されたキャリア信号が加速度検出エレメント１００１ａおよび１００１ｂにも印加される。すなわち、加速度の検出に用いるキャリア信号は、角速度検出のために用いられる共通クロック源４１４に同期している。このような構成とすることで、水晶振動子のような外付けクロック源の追加を行うことなく、低コストに角速度と加速度の両方の検出を１つの信号処理ＬＳＩチップＣ４で実現できる。

次に、本実施の形態２において、傾きを検知する手順を述べる。図１０は、傾き、重力、遠心力の関係の一例を示す図である。図１０では、傾き（θ）がある中でのセンサ１００、重力１０１、重力のＣｏｓ成分１０２、重力のＳｉｎ成分１０３、さらに遠心力１０４、力の総和１０５を示している。図１０において、（ａ）は遠心力がない状態での傾き検知を行うケースを示しており、重力１０１が１ｇである原則を使用して、式５にしたがって、傾きを求めることができる。

式５において、θは傾き、ｘはｘ方向の加速度、ｙはｙ方向の加速度を示す。

一方、図１０において、（ｂ）では遠心力１０４が存在するため、センサ１００にかかる加速度の総和が１ｇであるという原則がくずれ、式５による角度計算では誤差が生じる。そこで、本実施の形態２では、式５による加速度を用いた角度計算と、前記実施の形態１に示した角速度の積分による角度計算の両方を用いて、角度計算の信頼性を向上する検出回路構成とした。この回路構成が、図９に示した構成である。

図９に示すように当該実施の形態２では、積分・角度計算・診断回路１０００に、角速度検出側同期検波部４０９の出力信号と、加速度検出のＡＤＣ部１００３、１００６の出力信号が入力され、式５に基づく傾き検知と、角速度積分による傾き検知を比較し、比較結果が所定のしきい値以内であれば故障なし、しきい値以上であれば故障ありの判定を行う。また、このとき、メモリ４１２には角速度検出エレメント４０１の駆動側共振周波数や、共振周波数の逓倍・分周値や、それらの逆数など、角速度検出エレメント４０１の駆動側共振周波数に基づく値が保存されており、これに基づいた時間積分を行っている。

さらに、温度センサ４１９によって、角速度積分の温度特性補正を行うことはもちろん、加速度から傾きを求める計算における温度特性補正（オフセット、感度ないしスケールファクター）を行う。

また、前記実施の形態１に示したように、車速パルス、ＧＰＳ測位情報、または上位システムからのリセット信号を与える通信装置のように測定対象が静止していることを認識するための手段を積分・角度計算・診断回路１０００に入力しても良い。例えば、測定対象が静止しているときに角速度積分による積分値をリセットし、静止状態が継続しているにも関わらず、角速度積分による角度検知量と、加速度による角度検知量に矛盾が生じているようであれば故障を認識できる。

ユーザーが角速度積分による角度と、加速度から得る角度のいずれの値を得るかを選択できるようにセンサが構成されていても良い（図示なし）。例えば、走行中は遠心力が入る可能性があるので角速度積分による角度を、静止中は坂道検知のために絶対的な角度がわかる加速度からの角度を用いる場合に、このようなアプローチは有益である。

以上説明した本実施の形態２によれば、前記実施の形態１と同様の効果に加えて、以下の異なる効果を得ることができる。例えば、慣性センサは、加速度検出のための機械構造を有する加速度検出エレメントチップＣ３と、この加速度検出エレメントチップＣ３から加速度を検出するための加速度検出回路を含む信号処理ＬＳＩチップＣ４と、をさらに有する。これにより、信号処理ＬＳＩチップＣ４は、加速度の逆三角関数から得る傾斜角の結果と、角速度の時間積分から得る傾斜角の結果との差が、一定値を越えた場合に何れかのセンサが故障していると判断することができる。

［実施の形態３］
本実施の形態３における慣性センサについて、図１１〜図１５を用いて説明する。以下の実施の形態３で、特に詳細が触れられていないものについては、前記実施の形態１と同様である。本実施の形態３では、前述の１軸の角速度に加え、もう１軸の角速度を外部に出力する慣性センサの例について説明する。特に、ここでは、ロールとピッチの角速度を検出するものとする。なお、角速度を検出するための機械構造は、３軸以上でも良い。

図１１は、本実施の形態３における慣性センサの構造の一例を示す断面図である。本実施の形態３における慣性センサでは、２軸の角速度が検知できるように、角速度検出エレメントチップＣ５とＣ６、および信号処理ＬＳＩチップＣ７を、センサ内に有している。角速度検出エレメントチップＣ５、Ｃ６は、主面上にパッド３０７が設けられ、このパッド３０７を通じて接続される。信号処理ＬＳＩチップＣ７は、主面上にパッド３０４が設けられ、このパッド３０４を通じて接続される。

本実施の形態３に示す慣性センサでは、センサパッケージ部３０２上に信号処理ＬＳＩチップＣ７が設置され、さらに、信号処理ＬＳＩチップＣ７上に角速度検出エレメントチップＣ５、Ｃ６が搭載されている。信号処理ＬＳＩチップＣ７と、角速度検出エレメントチップＣ５、Ｃ６とは、信号処理ＬＳＩチップＣ７のパッド３０４と、角速度検出エレメントチップＣ５、Ｃ６のパッド３０７との間にそれぞれ設けられたボンディングワイヤＷ１を通じて電気的に接続されている。また、信号処理ＬＳＩチップＣ７は、センサパッケージ部３０２に設けられた電極３０５へのボンディングワイヤＷ１の接続によって、外部電極３０３との電気的接続を行う。また、キャップ部３０１が、センサパッケージ部３０２のふたとなり、センサモジュールを構成している。

図１２は、慣性センサの構成の一例を示す構成図である。本実施の形態３における慣性センサは、角速度検出エレメントチップＣ５、Ｃ６の部分の角速度検出エレメント１２００、１２０１と、信号処理ＬＳＩチップＣ７の部分の検出回路とを、有している。角速度検出エレメント１２００、１２０１において、１２００はロール角速度検出エレメントであり、１２０１はピッチ角速度検出エレメントである。角速度検出エレメント１２００、１２０１は、駆動電極１２００ａ、１２０１ａ、モニタ電極１２００ｂ、１２０１ｂ、および検出電極１２００ｃ、１２０１ｃを有している。検出回路は、ＣＶ変換部１２０２、１２０７、ＡＤＣ部１２０３、１２０８、同期検波部１２０４、１２０９、周波数制御部１２０５、振幅制御部１２０６、およびＬＰＦ１２１０を有している。また、検出回路は、ＣＶ変換部１２１９、１２２３、ＡＤＣ部１２２０、１２２４、同期検波部１２２１、１２２５、振幅制御部１２２２、およびＬＰＦ１２２６を有している。さらに、検出回路は、積分・角度計算回路１２１１、メモリ１２１２、デジタル通信回路１２１３、共通クロック源１２１４、分周器１２１５、１２２７、可変アンプ１２１６、１２２９、アンプ１２１７、１２３０、位相反転器１２１８、１２３１、および温度センサ１２２８を有している。

ここで、ロール角速度検出エレメント１２００には、駆動方向に振動を生じさせる駆動力を、静電力によってもらすための駆動電極１２００ａ、駆動方向の振動変位を静電容量の変化として読み出すモニタ電極１２００ｂを有している。一方で、ピッチ角速度検出エレメント１２０１には、駆動方向に振動を生じさせる駆動力を、静電力によってもらすための駆動電極１２０１ａ、駆動方向の振動変位を静電容量の変化として読み出すモニタ電極１２０１ｂを有している。

これら２つの角速度検出エレメント１２００、１２０１の周波数応答を、図１３を用いて説明する。図１３は、２つの角速度検出エレメントの、駆動側周波数応答と検出側周波数応答の一例を示す図である。ここで、ｆ１はロール角速度検出エレメント１２００の駆動方向の共振周波数、Ｑ１は同共振周波数におけるゲイン、ｆ２はピッチ角速度検出エレメント１２０１の駆動方向の共振周波数、Ｑ２は同共振周波数におけるゲイン、ｆ３はロールおよびピッチ角速度検出エレメント１２００、１２０１の検出方向の共振周波数、Ｑ３は同共振周波数におけるゲインである。なおここで、この図１３では、ロール角速度検出エレメント１２００とピッチ角速度検出エレメント１２０１の検出側周波数応答が同一となるように構成しているが、必ずしも一致させる必要はない。

今、ｆ１とｆ２が離れているので、ロール角速度検出エレメント１２００の駆動方向の共振周波数に、検出回路の共通クロック源１２１４を同期させた場合、ロール角速度検出エレメント１２００の駆動方向は図１３のＧ１＝Ｑ１であるのに対し、ピッチ角速度検出エレメント１２０１の駆動方向ゲインは図１３のＧ２＜Ｑ２となるため、本来の共振による機械品質係数で表されるゲインを生かしきることはできない。しかしながら、かかる構成によって、１つの共通クロック源１２１４が信号処理ＬＳＩチップＣ７のすべてのクロックを司るので、回路構成の単純化に貢献できる。例えば、レンジの狭い（スケールファクターの大きい）検出軸に共通クロック源１２１４が同期するように構成すれば、電圧信号移行のレンジ差が縮小し、より回路の設計上の制約を削減できる。

この前提を用いて、当該回路の構成を図１２で説明する。ロール角速度検出エレメント１２００は、駆動方向に振動を生じさせる駆動力を、静電力によってもらすための駆動電極１２００ａ、駆動方向の振動変位を静電容量の変化として読み出すモニタ電極１２００ｂを有している。共通クロック源１２１４が生成したクロックを分周器１２１５で適切な周波数に分周し、アンプ１２１７を通じて適切な電圧レベルに変換したキャリア信号をロール角速度検出エレメント１２００の可動部に与える。モニタ電極１２００ｂが構成する静電容量は、ロール角速度検出エレメント１２００の可動部の変位によって変化が発生するので、キャリア信号が印加されたモニタ電極１２００ｂが構成する静電容量に準じた交流電流が発生することになる。

ピッチ角速度検出エレメント１２０１は、駆動方向に振動を生じさせる駆動力を、静電力によってもらすための駆動電極１２０１ａ、駆動方向の振動変位を静電容量の変化として読み出すモニタ電極１２０１ｂを有している。共通クロック源１２１４が生成したクロックを分周器１２２７で適切な周波数に分周し、アンプ１２３０を通じて適切な電圧レベルに変換したキャリア信号をピッチ角速度検出エレメント１２０１の可動部に与える。モニタ電極１２０１ｂが構成する静電容量は、ピッチ角速度検出エレメント１２０１の可動部の変位によって変化が発生するので、キャリア信号が印加されたモニタ電極１２０１ｂが構成する静電容量の変化、すなわち可動部の変位に準じた交流電流が発生する。

次に、この電流によって表されるロール角速度検出エレメント１２００の変位情報を、信号処理ＬＳＩチップＣ７内のロール駆動側ＣＶ変換部１２０２を通じて容量成分を電圧に変換し、さらにロール駆動側ＡＤＣ部１２０３を経てデジタル値を得る。デジタル領域に変換された信号は、デジタル信号領域のロール駆動側同期検波部１２０４において、駆動信号と同じ周波数かつ、変位信号とマッチした位相をもつ基準信号を用いて同期検波を行い、変位振動振幅成分を取り出す同期検波処理と、駆動信号と同じ周波数かつ、変位信号より９０度進んだ位相をもつ基準信号を用いて同期検波を行い、ロール角速度検出エレメント１２００の駆動方向の共振周波数と駆動周波数の差を取り出す同期検波処理の２つを行う。

同様に、電流によって表されるピッチ角速度検出エレメント１２０１の変位情報を、信号処理ＬＳＩチップＣ７内のピッチ駆動側ＣＶ変換部１２１９を通じて容量成分を電圧に変換し、さらにピッチ駆動側ＡＤＣ部１２２０を経てデジタル値を得る。デジタル領域に変換された信号は、デジタル信号領域のピッチ駆動側同期検波部１２２１において、駆動信号と同じ周波数かつ、変位信号とマッチした位相をもつ基準信号を用いて同期検波を行い、変位振動振幅成分を取り出す同期検波処理を行う。一方、ピッチ角速度検出エレメント１２０１側では、駆動信号と同じ周波数かつ、変位信号より９０度進んだ位相をもつ基準信号を用いる同期検波は実施しない。

同期検波処理によって得られた振幅情報は、ロール・ピッチ角速度検出エレメント１２００、１２０１の駆動方向の振動が予め定められた所望の振幅に達するように制御がなされ、その制御出力は可変アンプ１２１６、１２２９のゲイン調整に用いられる。ゲイン調整を経た駆動信号は、ロール・ピッチ角速度検出エレメント１２００、１２０１のそれぞれに、向かい合う電極同士で逆位相になるように、一方の電極は直接、もう一方の電極は位相反転器１２１８、１２３１を経て、それぞれ駆動信号が印加される。この一定振幅を維持する制御のループによって、ロール・ピッチ角速度検出エレメント１２００、１２０１は、予め定められた所定の振幅での振動が維持される。一方、ロール側同期検波処理によって得られた、ロール角速度検出エレメント１２００の駆動方向の共振周波数と駆動周波数の差は、ロール周波数制御部１２０５に与えられ、制御出力は共通クロック源１２１４へと与えられ、ロール角速度検出エレメント１２００の駆動方向の共振周波数と駆動周波数の差が縮まる方向に向かうように周波数制御ループが構成される。

以上に示した構成によって、ロール角速度検出エレメント１２００の駆動方向の共振周波数と駆動周波数が一致する。また、回路のデジタル部Ｄ１のクロックはすべて共通クロック源１２１４を基にしている。かかる構成とすることによって、デジタル部Ｄ１の基準クロックを別途準備する必要がなく、また、ロール角速度検出エレメント１２００の高い機械品質係数を用いた周波数安定性が得られるため、デジタル部Ｄ１のクロックをロール角速度検出エレメント１２００の駆動方向の共振周波数に同期させることにはシステム構成の簡易化の観点で利点がある。

次に、角速度を検出する手順については、前記実施の形態１と同様である。ロール・ピッチ角速度検出エレメント１２００、１２０１は、検出方向への振動変位を静電容量の変化として読み出す検出電極１２００ｃ、１２０１ｃをそれぞれ有する。ロール・ピッチ角速度検出エレメント１２００、１２０１が予め定められた駆動方向に振動していると、角速度が印加されたとき、駆動振動方向と直交する検出方向にコリオリ力が生じる。このコリオリ力による変位によって検出電極１２００ｃ、１２０１ｃの容量が変化する。この容量変化を、アンプ１２１７、１２３０を通じて適切な電圧レベルに変換したキャリア信号によって電流化し、これを検出側ＣＶ変換部１２０７、１２２３で電圧に変換し、さらに検出側ＡＤＣ部１２０８、１２２４でデジタル値に変換し、検出方向の振動とマッチした位相での同期検波を行う検出側同期検波部１２０９、１２２５によって、検出方向振動の振幅、すなわち角速度が得られる。ここで得た角速度成分は、ＬＰＦ１２１０、１２２６を経て不要な高周波成分を落とし、デジタル通信回路１２１３より信号Ｓ１として、それぞれ上位のシステムに出力される。

次に、本実施の形態３における角速度出力の積分に関する回路構成についての説明を行う。積分・角度計算回路１２１１には、ロール角速度検出エレメント１２００から得た角速度と、ピッチ角速度検出エレメント１２０１から得た角速度の両方が入力されている。ここで、積分・角度計算回路１２１１では、メモリ１２１２を設け、予めプローバ検査等のウエハレベルで計測したロール角速度検出エレメント１２００、すなわち共通クロック源１２１４に同期している方の角速度検出エレメントの駆動側共振周波数ないしはそれに準じた値（前記実施の形態１で定義した通り）を保存する。

このような構成を採ることによって、ロール角速度検出エレメント１２００の駆動方向の共振周波数のばらつきによって積分の誤差が生じる問題は解決され、ロール角度が精度よく計算できる他、ピッチ方向に関しても、ピッチ角速度検出エレメント１２０１の駆動側共振周波数ばらつきによらず、また、メモリ１２１２にピッチ角速度検出エレメント１２０１の駆動側共振周波数を保存することなく、精度良くピッチ角度が計算できる。これは、ピッチ角度計算においても、ロール角速度検出エレメント１２００の駆動方向の共振周波数に応じたサンプリングが用いられ、デジタル部Ｄ１のクロックが共通であるため、前記実施の形態１に比較して検出軸を１つ増やしても、共通クロック源１２１４、メモリ１２１２、積分・角度計算回路１２１１は共通化できる。また、これはさらに検出軸を増やしても同様である。

温度センサ１２２８の活用による補正については、前記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

なお、本実施の形態３においては、図１４、図１５に示すような変形も可能である。図１４は、別の慣性センサの構成の一例を示す構成図である。図１５は、２つの角速度検出エレメントの、別の駆動側周波数応答と検出側周波数応答の一例を示す図である。図１４に示すように、本実施の形態３において、共通クロック源１２１４に同期していない方の角速度検出エレメント、すなわちピッチ角速度検出エレメント１２０１で、駆動信号と同じ周波数かつ、変位信号より９０度進んだ位相をもつ基準信号を用いる同期検波を、同期検波部１４０３で実施する。さらに、ピッチ周波数制御部１４０１と、可変ＤＣ電圧生成回路１４０２を通じて、ピッチ角速度検出エレメント１２０１の、駆動方向の共振周波数ｆ２を静電ばね効果によって下げ、ロール角速度検出エレメント１２００の、駆動方向の共振周波数ｆ１に一致させる制御を行う場合、図１５に示すようにピッチ角速度検出エレメント１２０１の、機械品質係数を活かしきることができるので、駆動電圧対感度の効率が最良となる（Ｇ１＝Ｑ１＝Ｇ２＝Ｑ２）。この他、ダイナミックレンジが同等になるため、積分・角度計算回路１２１１によって計算される角度計算のダイナミックレンジも複数の軸で同等となる。

以上、図１４に示すような構成とすることで、複数の軸が同様のダイナミックレンジを要求する場合や、同一のエレメントを９０度傾けて多軸検出に利用する場合にも、共通クロック源１２１４、メモリ１２１２、積分・角度計算回路１２１１を共通化し、回路構成を単純化できる。

以上説明した本実施の形態３によれば、前記実施の形態１と同様の効果に加えて、以下の異なる効果を得ることができる。例えば、慣性センサは、２軸の角速度検出のための機械構造を有する角速度検出エレメントチップＣ５、Ｃ６と、これらの角速度検出エレメントチップＣ５、Ｃ６から角度を検出するための角速度検出回路を含む信号処理ＬＳＩチップＣ７と、を有する。これにより、信号処理ＬＳＩチップＣ７は、角速度検出エレメントチップＣ５、Ｃ６のうちの、１つの駆動周波数に同期し、この駆動周波数に同期している角速度検出エレメントチップＣ５の駆動周波数ないしはその逓倍または分周から得られる値が、予め記憶領域であるメモリ１２１２に保存されており、このメモリ１２１２に保存されている値を利用してすべての軸の傾斜角を計算することができる。

［実施の形態４］
本実施の形態４における慣性センサについて、図１６〜図１８を用いて説明する。以下の実施の形態４で、特に詳細が触れられていないものについては、前記実施の形態１と同様である。本実施の形態４では、前述の１軸の角速度に加え、もう１軸の角速度を外部に出力する慣性センサの例について説明する。特に、ここでは、ロールとピッチの角速度を検出するものとする。なお、角速度を検出するための機械構造は、３軸以上でも良い。

図１６は、本実施の形態４における慣性センサの構造の一例を示す断面図である。本実施の形態４における慣性センサでは、２軸の角速度が検知できるように、角速度検出エレメントチップＣ５とＣ６、および２つの信号処理ＬＳＩチップＣ８とＣ９を、センサ内に有している。角速度検出エレメントチップＣ５、Ｃ６は、主面上にパッド３０７が設けられ、このパッド３０７を通じて接続される。信号処理ＬＳＩチップＣ８、Ｃ９は、主面上にパッド３０４が設けられ、このパッド３０４を通じて接続される。

本実施の形態４に示す慣性センサでは、センサパッケージ部３０２上に２つの信号処理ＬＳＩチップＣ８、Ｃ９が設置され、さらに、信号処理ＬＳＩチップＣ８、Ｃ９上に角速度検出エレメントチップＣ５、Ｃ６が搭載されている。信号処理ＬＳＩチップＣ８、Ｃ９と、角速度検出エレメントチップＣ５、Ｃ６とは、信号処理ＬＳＩチップＣ８、Ｃ９のパッド３０４と、角速度検出エレメントチップＣ５、Ｃ６のパッド３０７との間にそれぞれ設けられたボンディングワイヤＷ１を通じて電気的に接続されている。また、信号処理ＬＳＩチップＣ８、Ｃ９は、センサパッケージ部３０２に設けられた電極３０５へのボンディングワイヤＷ１の接続によって、外部電極３０３との電気的接続を行う。また、キャップ部３０１が、センサパッケージ部３０２のふたとなり、センサモジュールを構成している。また、センサパッケージ部３０２内の配線１６０２によって、２つの信号処理ＬＳＩチップＣ８、Ｃ９は電気的に接続されており、相互通信を行う。ただし、電気的接続方法によらず、本実施の形態によるメリットは享受可能である。

図１７は、慣性センサの構成の一例を示す構成図である。本実施の形態４における慣性センサは、角速度検出エレメントチップＣ５、Ｃ６の部分の角速度検出エレメント４０１と、信号処理ＬＳＩチップＣ８、Ｃ９の部分の検出回路とを、有している。２つの角速度検出エレメントチップＣ５、Ｃ６は、同一のものであるので、角速度検出エレメントおよび各電極には同一の符号を付している。また、２つの信号処理ＬＳＩチップＣ８、Ｃ９も、同一のものであるので、各部には同一の符号を付している。２つの信号処理ＬＳＩチップＣ８、Ｃ９は、基本的に同一のものであるが、本実施の形態４は、片方の信号処理ＬＳＩチップＣ８のデジタル通信回路１７１３に、通信のための配線１６０２を経由して接続されている。また、２つの信号処理ＬＳＩチップＣ８、Ｃ９内のメモリ４１２には、それぞれの角速度検出エレメント４０１の駆動側共振周波数や、それに準じる値が記録されており、積分計算を高精度に実施可能となっている。

本実施の形態４のように、片方の信号処理ＬＳＩチップＣ８のデジタル通信回路１７１３に上位システムへの通信経路をまとめることによって、複数軸角度の積分計算を高精度に実施した結果を、より少ない通信線の数で上位システムに通知することができる。また、複数軸の角度を出力する場合は、最終的な測定対象物の姿勢を「ＺＸＹのオイラー角」や「回転行列」など、予め決められた手順で得られる結果に変換して出力する場合がある。このような出力を行う場合も、片方の信号処理ＬＳＩチップＣ８のデジタル通信回路１７１３に出力演算装置を備えることで、本実施の形態４での対応が可能である。

また、この構成は、図１８に示すようなセンサモジュールとしてまとめることができる。図１８は、センサモジュールの構成の一例を示す構成図である。図１８に示すように、前記実施の形態１の角速度を検知して角度を出力する慣性センサ１８０１、１８０２を、マイコン１８０３でまとめ、そして、トランシーバＩＣ１８０４を含むセンサモジュール１８０６としてまとめて、ＣＡＮバス１８０５等の通信方式を経て上位システムに通知する形としても良い。

なお、一般に、トレーラー（牽引自動車）のように、運転席と荷台が分離可能な車両においては、運転席と荷台の運動エネルギー伝達において遅延や遊びがあるため、センサモジュールの取り付け位置によって、検出される角速度・加速度が異なる。このような場合は、センサの取り付け位置を荷台の後端に取り付けるなど、最も傾きに対して敏感な箇所に取り付けることが望ましい。前記のように多軸の角度計算結果をまとめて出力できる構成であれば、制御ユニットから離れた位置にセンサを取り付けても、通信線の数や通信量の削減、およびビットエラーに対する耐性が得られる。

以上説明した本実施の形態４によれば、前記実施の形態１と同様の効果に加えて、以下の異なる効果を得ることができる。例えば、慣性センサは、２軸の角速度検出のための機械構造を有する角速度検出エレメントチップＣ５、Ｃ６と、これらの角速度検出エレメントチップＣ５、Ｃ６から角度を検出するための角速度検出回路を含む信号処理ＬＳＩチップＣ８、Ｃ９と、を有する。これにより、信号処理ＬＳＩチップＣ８、Ｃ９は、複数の角度の計算結果から得られる、一意に測定対象の姿勢が得られる値を計算し、この計算した値を出力することができる。

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いうまでもない。

例えば、本発明は、遠心力のような慣性力の存在する環境において、測定対象の角度や姿勢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、上記した実施の形態は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

Ｃ１、Ｃ５、Ｃ６ 角速度検出エレメントチップ
Ｃ２、Ｃ４、Ｃ７、Ｃ８、Ｃ９ 信号処理ＬＳＩチップ
Ｃ３ 加速度検出エレメントチップ
４０１、１２００、１２０１ 角速度検出エレメント
４０２、４０７、１２０２、１２０７、１２１９、１２２３ ＣＶ変換部
４０３、４０８、１２０３、１２０８、１２２０、１２２４ ＡＤＣ部
４０４、４０９、１２０４、１２０９、１２２１、１２２５、１４０３ 同期検波部
４０５、１２０５、１４０１ 周波数制御部
４０６、１２０６、１２２２ 振幅制御部
４１０、１２１０、１２２６ ＬＰＦ
４１１、１２１１ 積分・角度計算回路
４１２、１２１２ メモリ
４１３、１２１３ デジタル通信回路
４１４、１２１４ 共通クロック源
４１５、１２１５、１２２７ 分周器
４１６、１２１６、１２２９ 可変アンプ
４１７、１２１７、１２３０ アンプ
４１８、１２１８、１２３１ 位相反転器
４１９、１２２８ 温度センサ
１０００ 積分・角度計算・診断回路
１００１ａ、１００１ｂ 加速度検出エレメント
１４０２ 可変ＤＣ電圧生成回路

Claims (15)

1. 角速度検出のための機械構造を有する角速度検出エレメントと、
   前記角速度検出エレメントから角速度を検出するための角速度検出回路と、
   を有し、
   前記角速度検出回路は、前記角速度検出エレメントから得られる信号を、前記角速度検出エレメントの駆動周波数に同期した離散時間でサンプリングすることで傾斜角を計算する、慣性センサ。
2. 請求項１に記載の慣性センサにおいて、
   前記角速度検出回路が前記角速度検出エレメントから得る信号は、角速度である、慣性センサ。
3. 請求項２に記載の慣性センサにおいて、
   前記角速度検出回路の動作クロックは、前記角速度検出エレメントの駆動周波数に同期している、慣性センサ。
4. 請求項３に記載の慣性センサにおいて、
   前記角速度検出回路が傾斜角を計算する信号処理は、時間積分である、慣性センサ。
5. 請求項４に記載の慣性センサにおいて、
   前記角速度検出エレメントの駆動周波数は、前記角速度検出エレメントの共振周波数である、慣性センサ。
6. 請求項４に記載の慣性センサにおいて、
   前記角速度検出エレメントの駆動周波数は、前記角速度検出エレメントの機械品質係数によるゲインを得られる周波数である、慣性センサ。
7. 請求項５または６に記載の慣性センサにおいて、
   前記角速度検出エレメントの駆動周波数ないしはその逓倍または分周から得られる値が、予め前記角速度検出回路内の記憶領域に保存されており、
   前記角速度検出回路は、前記記憶領域に保存されている値を利用して傾斜角を計算する、慣性センサ。
8. 請求項７に記載の慣性センサにおいて、
   前記角速度検出回路が積分計算に用いる角速度は、角速度として出力するＬＰＦを経る前の信号である、慣性センサ。
9. 請求項７に記載の慣性センサにおいて、
   前記角速度検出回路の積分計算は、温度センサによって補正が行われる、慣性センサ。
10. 請求項７に記載の慣性センサにおいて、
    前記角速度検出回路の積分計算は、外部からのリセット信号によって積分値をリセットする、慣性センサ。
11. 請求項７に記載の慣性センサにおいて、
    前記角速度検出回路の積分計算は、外部からの、測定対象の運動状態を示す信号から、この測定対象の移動が発生していない、またはこの測定対象に重力以外の加速度がかかっていないことを検知し、この検知のタイミングで積分値をリセットする、慣性センサ。
12. 請求項７に記載の慣性センサにおいて、
    加速度検出のための機械構造を有する加速度検出エレメントと、
    前記加速度検出エレメントから加速度を検出するための加速度検出回路と、
    をさらに有し、
    前記加速度検出回路は、加速度の逆三角関数から得る傾斜角の結果と、角速度の時間積分から得る傾斜角の結果との差が、一定値を越えた場合に何れかのセンサが故障していると判断する、慣性センサ。
13. 請求項７に記載の慣性センサにおいて、
    少なくとも２軸以上の角速度検出のための機械構造を有する複数の前記角速度検出エレメントと、
    前記複数の角速度検出エレメントから角度を検出するための前記角速度検出回路と、
    を有し、
    前記角速度検出回路は、前記複数の角速度検出エレメントのうちの、１つの駆動周波数に同期し、
    前記駆動周波数に同期している角速度検出エレメントの駆動周波数ないしはその逓倍または分周から得られる値が、予め前記記憶領域に保存されており、
    前記角速度検出回路は、前記記憶領域に保存されている値を利用してすべての軸の傾斜角を計算する、慣性センサ。
14. 請求項７に記載の慣性センサにおいて、
    少なくとも２軸以上の角速度検出のための機械構造を有する複数の前記角速度検出エレメントと、
    前記複数の角速度検出エレメントから角度を検出するための前記角速度検出回路と、
    を有し、
    前記角速度検出回路は、複数の角度の計算結果から得られる、一意に測定対象の姿勢が得られる値を計算し、この計算した値を出力する、慣性センサ。
15. 請求項７に記載の慣性センサにおいて、
    前記角速度検出回路は、
    前記角速度検出エレメントの駆動周波数ないしはその逓倍または分周から得られる値を予め保存する記憶領域と、
    前記角速度検出エレメントから得られる信号を、前記角速度検出エレメントの駆動周波数に同期した離散時間でサンプリングすることで傾斜角を計算し、この傾斜角の計算の際に前記記憶領域に保存されている値を利用して傾斜角を計算する計算回路と、
    を有する、慣性センサ。

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