(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の基板と，
前記第一の基板に形成された第一の空洞部と，
前記第一の空洞部内に形成された第一の固定部と，
前記第一の空洞部内に形成され，前記固定部と接続された第一の弾性変形部と，
前記第一の空洞部内に形成され，前記弾性変形部と接続された第一の可動部と，
前記第一の空洞部内に形成された第１固定電極と，前記可動部に形成された第１可動電極とを互いに対向させた第１容量素子を含み，前記可動部が外力によって変位することで生じる前記第１容量素子の容量変化を出力する第一の容量検出部と，
前記第一の容量検出部から出力された容量変化に基づいて前記外力の物理量を求める第一の物理量算出部と接続される第一の物理量算出端子と，
前記第一の空洞部内に形成された第２固定電極と，前記可動部に形成された第２可動電極とを互いに対向させた第２容量素子を含み，かつ，前記第２固定電極と前記第２可動電極の間に診断信号を印加するための診断信号印加用端子とを含み，前記診断信号印加用端子に診断信号を印加することにより，前記第２固定電極と前記第２可動電極の間に静電気力を発生させて強制振動させる強制振動生成部と，
前記第一の物理量算出端子と間接的に接続され，前記強制振動生成部で発生した強制振動に基づいて，前記第一の容量検出部の異常の有無を判断する異常判定部と，
前記第一の基板と同じ車両内に設置される第二の基板と，
前記第二の基板に形成された第二の空洞部と，
前記第二の空洞部内に形成された第二の固定部と，
前記第二の空洞部内に形成され，前記第二の固定部と接続された第二の弾性変形部と，
前記第二の空洞部内に形成され，前記第二の弾性変形部と接続された第二の可動部と，
前記第二の空洞部内に形成された第３固定電極と，前記第二の可動部に形成された第３可動電極とを互いに対向させた第３容量素子を含み，前記第二の可動部が外力によって変位することで生じる前記第３容量素子の容量変化を出力する第二の容量検出部と，
前記第二の容量検出部から出力された容量変化に基づいて前記外力の物理量を求める第２の物理量算出部と接続される第二の物理量算出端子とを備え，
前記異常判定部は，前記第二の物理量算出端子より得られる値によって異常判定の結果が変更され，
前記第二の物理量算出端子より出力される物理量の周波数応答帯域が，前記第一の物理量算出端子より出力される物理量の周波数応答帯域より広いことを特徴とする慣性センサ。
【請求項２】
第一の基板と，
前記第一の基板に形成された第一の空洞部と，
前記第一の空洞部内に形成された第一の固定部と，
前記第一の空洞部内に形成され，前記固定部と接続された第一の弾性変形部と，
前記第一の空洞部内に形成され，前記弾性変形部と接続された第一の可動部と，
前記第一の空洞部内に形成された第１固定電極と，前記可動部に形成された第１可動電極とを互いに対向させた第１容量素子を含み，前記可動部が外力によって変位することで生じる前記第１容量素子の容量変化を出力する第一の容量検出部と，
前記第一の容量検出部から出力された容量変化に基づいて前記外力の物理量を求める第一の物理量算出部と接続される第一の物理量算出端子と，
前記第一の空洞部内に形成された第２固定電極と，前記可動部に形成された第２可動電極とを互いに対向させた第２容量素子を含み，かつ，前記第２固定電極と前記第２可動電極の間に診断信号を印加するための診断信号印加用端子とを含み，前記診断信号印加用端子に診断信号を印加することにより，前記第２固定電極と前記第２可動電極の間に静電気力を発生させて強制振動させる強制振動生成部と，
前記第一の物理量算出端子と間接的に接続され，前記強制振動生成部で発生した強制振動に基づいて，前記第一の容量検出部の異常の有無を判断する異常判定部と，
前記第一の基板と同じ車両内に設置される第二の基板と，
前記第二の基板に形成された第二の空洞部と，
前記第二の空洞部内に形成された第二の固定部と，
前記第二の空洞部内に形成され，前記第二の固定部と接続された第二の弾性変形部と，
前記第二の空洞部内に形成され，前記第二の弾性変形部と接続された第二の可動部と，
前記第二の空洞部内に形成された第３固定電極と，前記第二の可動部に形成された第３可動電極とを互いに対向させた第３容量素子を含み，前記第二の可動部が外力によって変位することで生じる前記第３容量素子の容量変化を出力する第二の容量検出部と，
前記第二の容量検出部から出力された容量変化に基づいて前記外力の物理量を求める第２の物理量算出部と接続される第二の物理量算出端子とを備え，
前記異常判定部は，前記第二の物理量算出端子より得られる値によって異常判定の結果が変更され，
前記第二の物理量算出端子より出力される物理量の範囲が，前記第一の物理量算出端子より出力される物理量の範囲より広いことを特徴とする慣性センサ。
【請求項３】
請求項１記載の慣性センサにおいて，
前記第一の容量検出部を含む第一の物理量算出機構が加速度センサで，
前記第二の容量検出部を含む第二の物理量算出機構が加速度センサであることを特徴とする慣性センサ。
【請求項４】
第一の基板と，
前記第一の基板に形成された第一の空洞部と，
前記第一の空洞部内に形成された第一の固定部と，
前記第一の空洞部内に形成され，前記固定部と接続された第一の弾性変形部と，
前記第一の空洞部内に形成され，前記弾性変形部と接続された第一の可動部と，
前記第一の空洞部内に形成された第１固定電極と，前記可動部に形成された第１可動電極とを互いに対向させた第１容量素子を含み，前記可動部が外力によって変位することで生じる前記第１容量素子の容量変化を出力する第一の容量検出部と，
前記第一の容量検出部から出力された容量変化に基づいて前記外力の物理量を求める第一の物理量算出部と接続される第一の物理量算出端子と，
前記第一の空洞部内に形成された第２固定電極と，前記可動部に形成された第２可動電極とを互いに対向させた第２容量素子を含み，かつ，前記第２固定電極と前記第２可動電極の間に診断信号を印加するための診断信号印加用端子とを含み，前記診断信号印加用端子に診断信号を印加することにより，前記第２固定電極と前記第２可動電極の間に静電気力を発生させて強制振動させる強制振動生成部と，
前記第一の物理量算出端子と間接的に接続され，前記強制振動生成部で発生した強制振動に基づいて，前記第一の容量検出部の異常の有無を判断する異常判定部と，
前記第一の基板と同じ車両内に設置される第二の基板と，
前記第二の基板に形成された第二の空洞部と，
前記第二の空洞部内に形成された第二の固定部と，
前記第二の空洞部内に形成され，前記第二の固定部と接続された第二の弾性変形部と，
前記第二の空洞部内に形成され，前記第二の弾性変形部と接続された第二の可動部と，
前記第二の空洞部内に形成された第３固定電極と，前記第二の可動部に形成された第３可動電極とを互いに対向させた第３容量素子を含み，前記第二の可動部が外力によって変位することで生じる前記第３容量素子の容量変化を出力する第二の容量検出部と，
前記第二の容量検出部から出力された容量変化に基づいて前記外力の物理量を求める第２の物理量算出部と接続される第二の物理量算出端子とを備え，
前記異常判定部は，前記第二の物理量算出端子より得られる値によって異常判定の結果が変更され，
前記第一の容量検出部を含む第一の物理量算出機構が加速度センサで，
前記第二の容量検出部を含む第二の物理量算出機構が角速度センサであることを特徴とする静電容量式センサ。
【請求項５】
請求項１記載の慣性センサにおいて，
前記第一の容量検出部を含む第一の物理量算出機構と，前記第二の容量検出部を含む第二の物理量算出機構が同一の基板上に形成されていることを特徴とする慣性センサ。
【請求項６】
請求項１記載の慣性センサにおいて，
前記異常判定部は，前記第二の物理量算出端子より得られる値と所定の電圧とを比較するものであることを特徴とする慣性センサ。
【請求項７】
請求項６記載の慣性センサにおいて，
前記異常判定部は，更に前記診断信号の振幅と所定の振幅基準値とを比較するものであることを特徴とする慣性センサ。
【請求項８】
請求項７記載の慣性センサにおいて，
前記異常判定部は，前記第二の物理量算出端子より得られる値が所定の電圧以下の場合，前記診断信号の振幅と所定の振幅基準値とを比較するものであることを特徴とする慣性センサ。
【請求項９】
第一の基板と，
前記第一の基板に形成された第一の空洞部と，
前記第一の空洞部内に形成された第一の固定部と，
前記第一の空洞部内に形成され，前記固定部と接続された第一の弾性変形部と，
前記第一の空洞部内に形成され，前記弾性変形部と接続された第一の可動部と，
前記第一の空洞部内に形成された第１固定電極と，前記可動部に形成された第１可動電極とを互いに対向させた第１容量素子を含み，前記可動部が外力によって変位することで生じる前記第１容量素子の容量変化を出力する第一の容量検出部と，
前記第一の容量検出部から出力された容量変化に基づいて前記外力の物理量を求める第一の物理量算出部と接続される第一の物理量算出端子と，
前記第一の空洞部内に形成された第２固定電極と，前記可動部に形成された第２可動電極とを互いに対向させた第２容量素子を含み，かつ，前記第２固定電極と前記第２可動電極の間に診断信号を印加するための診断信号印加用端子とを含み，前記診断信号印加用端子に診断信号を印加することにより，前記第２固定電極と前記第２可動電極の間に静電気力を発生させて強制振動させる強制振動生成部と，
前記第一の物理量算出端子と間接的に接続され，前記強制振動生成部で発生した強制振動に基づいて，前記第一の容量検出部の異常の有無を判断する異常判定部と，
前記第一の基板と同じ車両内に設置される第二の基板と，
前記第二の基板に形成された第二の空洞部と，
前記第二の空洞部内に形成された第二の固定部と，
前記第二の空洞部内に形成され，前記第二の固定部と接続された第二の弾性変形部と，
前記第二の空洞部内に形成され，前記第二の弾性変形部と接続された第二の可動部と，
前記第二の空洞部内に形成された第３固定電極と，前記第二の可動部に形成された第３可動電極とを互いに対向させた第３容量素子を含み，前記第二の可動部が外力によって変位することで生じる前記第３容量素子の容量変化を出力する第二の容量検出部と，
前記第二の容量検出部から出力された容量変化に基づいて前記外力の物理量を求める第２の物理量算出部と接続される第二の物理量算出端子とを備え，
前記異常判定部は，前記第二の物理量算出端子より得られる値によって異常判定の結果が変更され，
前記第一の空洞部の圧力は前記第二の空洞部とは異なることを特徴とする慣性センサ。
【請求項１０】
第１可動部と，前記第１可動部の変位量を前記可動部との間の容量を用いて検出する固定電極を備えた第１検出部と，診断信号を印加することにより前記第１可動部を強制振動させる強制振動手段と，前記第１検出部からの検出信号から物理量を算出する第１物理量算出部と，前記第１検出部を介して得られる前記診断信号を用いて前記物理量の異常の有無を判定する異常判定部とを備え，車両内で使用される慣性センサにおいて，
前記車両と同一車両に搭載され，前記異常判定部へ接続される第２センサを更に有し，
前記第２センサは，前記第１可動部，前記第１検出部及び前記第１物理量算出部に対応する第２可動部，第２検出部及び第２物理量算出部をそれぞれ含み，
前記第２物理量算出部の出力端子から出力される物理量の周波数応答帯域が，前記第１物理量算出部の出力端子から出力される物理量の周波数応答帯域より広いことを特徴とする慣性センサ。
【請求項１１】
請求項１０記載の慣性センサにおいて，
前記第２センサの出力信号は，前記異常判定部へ入力されるものであることを特徴とする慣性センサ。
【請求項１２】
請求項１１記載の慣性センサにおいて，
前記物理量は加速度であり，前記第２センサからの出力信号も加速度信号であることを特徴とする慣性センサ。
【請求項１３】
請求項１０記載の慣性センサにおいて，
前記強制振動手段は，前記可動部への前記診断信号をオン・オフするスイッチを備えることを特徴とする慣性センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)技術で作られた半導体物理量センサに関し，特に，静電容量変化を検出に用いる慣性センサ(以下，ＭＥＭＳ慣性センサ，或いは単に慣性センサという)に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に広く利用されるＭＥＭＳ慣性センサの１つである加速度センサは，錘（可動部）と支持梁（弾性変形部）とで構成されており，錘に働く加速度を電気信号に変換するものである。このようなＭＥＭＳ慣性センサのうち，加速度が働き動作した錘の変位量を，錘と固定部とで構成するコンデンサ電極（検出電極）の容量変化として検出し，それをＬＳＩ回路で電気信号に変換してＭＥＭＳ慣性センサの出力とする静電容量式加速度センサがある。【０００３】
近年のセンサ市場の普及と製品種類の多様化に伴い，加速度センサに代表される慣性センサを複数種類のセンサを組み合わせて，周辺環境の記録や人・ロボットの運動姿勢や車両の走行状態などを検知する機会が増えてきた。また，センサが利用される場面の多様化に伴い，従来では想定しえなかった温度環境，振動ノイズ環境，電磁ノイズ環境などの劣悪条件の下でセンサが利用される機会も増えている。【０００４】
例えば，車の横滑りやスピンを抑制して安全な走行を支援する姿勢制御システムには，角速度を検出する角速度センサや，前後方向および横方向の加速度を検出する加速度センサなどのＭＥＭＳ慣性センサがキーデバイスとして用いられる。この姿勢制御システムでは，角速度センサや加速度センサからの出力を元にエンジンの出力やブレーキの制動システムに介入制御することで，車の横滑りやスピンを抑制している。【０００５】
姿勢制御システムのキーデバイスである慣性センサの故障は，自動車走行中の致命的な事故に繋がる可能性が高く，センサの故障可能性はできるだけ低く抑えなければならない。それと同時に，万が一に故障した場合にはセンサの故障を直ぐに検出し，制御系などの上位システムへと通知しなければならない。また，介護医療などの分野で用いられる移動型ロボットでは，自己状態を認識するための内界センサとしてＭＥＭＳ慣性センサを利用し，姿勢制御や接触判断を行っている。人との接触を安全かつ的確に行うためには，キーデバイスである慣性センサの故障可能性はできるだけ低く抑えなければならない。それと同時に，万が一に故障した場合にはセンサの故障を直ぐに検出し，制御系などの上位システムへと通知しなければならない。【０００６】
よって，周辺環境の記録や人・ロボットの運動姿勢や車両の走行状態などを検知する慣性センサの故障可能性はできるだけ低く抑えなければならない，かつ，万が一に故障した場合にはセンサの故障を直ぐに検出する故障診断機能を備え，かつ，故障判定結果は信頼性の高いものが望ましい。【０００７】
故障診断機能を備えるＭＥＭＳ慣性センサの例として，特許文献１がある。特許文献１に記載されるＭＥＭＳ慣性センサでは，検出電極の静電容量を検出するために印加する交流信号に低周波数の診断信号を重畳させることで，可動電極と固定電極間の静電容量を変化させている。そして，その結果発生する加速度センサの出力が振動しているか否かを観測することで，被検出信号である加速度を検出しながらも加速度センサの故障の有無を判断することができると記載されている。このとき，低周波数の診断信号は加速度の測定に支障が出ない程度の振幅で出力を振動させるため，加速度を検出しながら故障の有無を診断する常時診断が可能であると記載されている。また，診断信号（診断種類の切換信号）がローレベルの場合は，可動電極を大きく強制的に振動させる高加速度診断も可能であると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平０５−２８１２５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように，加速度センサに代表される慣性センサが故障した際にはすぐに故障を検知できることが望ましい。したがって，静電容量式センサを動作させながら故障の有無を診断できることが，直ぐに故障を検知する観点から望ましいことになる。【００１０】
上述した特許文献１に記載された技術によれば，検出電極の静電容量を検出するために印加する交流信号に低周波数の診断信号を重畳させることにより，加速度を検出しながらも加速度センサの故障の有無を判断することができる。【００１１】
しかし，センサの設置環境に特定の周波数，位相，大きさの振動雑音がある場合，加速度センサが正常であるにも関わらず故障と誤診断する，もしくは，加速度センサは異常であるにも関わらず正常だと誤診断するおそれがある。特定の周波数，位相，大きさの振動雑音とは，たとえばＭＥＭＳ慣性センサの故障を検出するために印加される低周波数の診断信号によってセンサの錘が動く量と同周波数で逆位相を持つ振動であり，このような振動雑音が存在する場合，ＭＥＭＳ慣性センサに印加される診断信号が振動雑音によって相殺され，診断信号を印加しているのに錘の変位が所望量とは異なるものになる恐れがある。つまり，故障診断の判定時にはセンサが正常であるのにも関わらず故障していると誤診断する，もしくは，センサが異常であるのにも関わらず正常であると誤診断するおそれがある。センサ設置時には，環境振動がセンサ出力に影響を及ぼさないように防振性を持つ実装構造をとるのが通常であるが，故障診断のためにセンサに印加される低周波信号はセンサ出力に対して相対的に小さいため，防振性を持つ実装構造で外部振動を十分に除去できないためである。【００１２】
図１７は故障診断信号の例を示す図であり，上段は正常な場合，中断は以上な場合，下段は突発的なノイズを含む場合を示す。センサが正常な場合に正常な信号が出力され，異常な場合は異常な信号が出力されれば，誤診断とはならない。しかし，例えば，下段のような場合，センサは正常であるにもかかわらず，異常との誤診断を行う恐れがある。【００１３】
本発明の目的は，突発的なノイズが発生するような劣悪な環境においても誤診断を抑制できる慣性センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
低周波重畳の故障診断機能を有する第一のセンサにおいて，同じ車両内に搭載する第二のセンサの出力値を参照し，同じ車両内に搭載する第二のセンサの出力値に応じて故障診断の内容と方式を変更する。
【発明の効果】
【００１５】
第二のセンサを備えることにより，突発的なノイズが発生するような劣悪な環境においても誤診断を抑制できる慣性センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施例に係る慣性センサにおける第一の加速度センサを構成するＭＥＭＳ構造体の平面図である。
【図２】図１に示す第一の加速度センサを構成するＭＥＭＳ構造体のＡ−Ａ’の断面図である。
【図３】本発明の第１の実施例に係る慣性センサにおける第二の加速度センサを構成するＭＥＭＳ構造体の平面図である。
【図４】図３に示す第二の加速度センサを構成するＭＥＭＳ構造体のＢ−Ｂ’の断面図である。
【図５】本発明の第１の実施例に係る慣性センサにおける第一の加速度センサの実装構造の断面図である。
【図６】本発明の第１の実施例に係る慣性センサにおける第二の加速度センサの実装構造の断面図である。
【図７】本発明の第１の実施例に係る慣性センサにおける第一の加速度センサと第二の加速度センサの機械的な周波数応答を示す図である。
【図８】本発明の第１の実施例に係る慣性センサである加速度センサの構成図である。
【図９】本発明の第１の実施例に係る慣性センサである加速度センサの診断方法を表すフローチャートである。
【図１０】本発明の第２の実施例に係る慣性センサを構成するＭＥＭＳ構造体の平面図である。
【図１１】図１０に示す慣性センサを構成する第一の慣性センサである加速度センサを構成するＭＥＭＳ構造体のＣ−Ｃ’の断面図である。
【図１２】図１０に示す慣性センサを構成する第二の慣性センサである角速度センサを構成するＭＥＭＳ構造体のＤ−Ｄ’の断面図である。
【図１３】本発明の第２の実施例に係る慣性センサの実装構造の断面図である。
【図１４】本発明の第２の実施例に係る慣性センサにおける第一の慣性センサである加速度センサと第二の慣性センサである角速度センサの機械的な周波数応答を示す図である。
【図１５】本発明の第２の実施例に係る慣性センサの構成図である。
【図１６】本発明の第２の実施例に係る慣性センサである加速度センサの診断方法を表すフローチャートである。
【図１７】故障診断信号の例を示す図であり，上段は正常な場合，中断は以上な場合，下段は突発的なノイズを含む場合を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下，実施例により詳細に説明する。
【実施例１】
【００１８】
第１の実施例に係る慣性センサについて図面を参照しながら説明する。本実施例１では，第一の慣性センサとして加速度センサ，第二の慣性センサとして加速度センサを備えたＭＥＭＳ慣性センサを例に挙げて説明する。【００１９】
図１は，半導体チップ１００に形成された第一の加速度センサを構成する構造体を示す平面図である。図１に示すように，半導体チップ１００には，枠部１０１が形成されており，この枠部１０１に囲まれるように空洞部１０２が形成されている。空洞部１０２の内部には，固定部１０３が4隅に設けられており，この固定部１０３には，梁（弾性変形部）１０４が接続されている。そして，梁１０４は，加速度センサの錘となる可動部１０５と接続されている。つまり，固定部１０３と可動部１０５は弾性変形可能な梁１０４で接続されており，可動部１０５は，図１のｘ方向に変位できるようになっている。【００２０】
可動部１０５には，可動部１０５と一体に形成された検出用可動電極１０６ａが形成されており，この検出用可動電極１０６ａと対向するように，検出用固定電極１０６ｂおよび検出用固定電極１０６ｃが形成されている。この検出用可動電極１０６ａと検出用固定電極１０６ｂ，あるいは，検出用可動電極１０６ａと検出用固定電極１０６ｃは，それぞれ容量素子を形成しており，外部から印加された加速度によって可動部１０５がｘ方向に変位すると，上述した容量素子の容量が変化するようになっている。つまり，検出用可動電極１０６ａと検出用固定電極１０６ｂ，あるいは，検出用可動電極１０６ａと検出用固定電極１０６ｃから構成される容量素子は，可動部１０５のｘ方向の変位を容量変化として検出する容量検出部として機能する。【００２１】
また，可動部１０５には，可動部１０５と一体に形成された診断用可動電極１０８ａが形成されており，この診断用可動電極１０８ａと対向するように，診断用固定電極１０８ｂおよび診断用固定電極１０８ｃが形成されている。診断用可動電極１０８ａと診断用固定電極１０８ｂ，あるいは，診断用可動電極１０８ａと診断用固定電極１０８ｃは，それぞれ容量素子を形成している。【００２２】
この容量素子を形成している診断用可動電極１０８ａと診断用固定電極１０８ｂ，および，診断用可動電極１０８ａと診断用固定電極１０８ｃの間に周期的な診断信号を印加すると，診断用可動電極１０８ａと診断用固定電極１０８ｂの間，および，診断用可動電極１０８ａと診断用固定電極１０８ｃの間に静電気力が働き，診断用可動電極１０８ａが振動するようになっている。この診断用可動電極１０８ａがｘ方向に振動すると，診断用可動電極１０８ａと一体的に形成されている可動部１０５も振動することになる。つまり，診断用可動電極１０８ａと診断用固定電極１０８ｂ，あるいは，診断用可動電極１０８ａと診断用固定電極１０８ｃから構成される容量素子は，可動部１０５をｘ方向に強制振動させる強制振動生成部として機能する。【００２３】
このように構成された加速度センサの構造体は，シリコンなどの半導体材料から構成されている。したがって，互いに梁１０４を介して接続されている固定部１０３と可動部１０５とは電気的に接続されており，可動部１０５に印加される電位は，固定部１０３に形成されているパッド１０７から供給されるように構成されている。【００２４】
一方，検出用固定電極１０６ｂおよび検出用固定電極１０６ｃにも，それぞれパッド１０６ｄおよびパッド１０６ｅが形成されており，可動部１０５がｘ方向に変位することで生じる容量変化により，検出用固定電極１０６ｂや検出用固定電極１０６ｃに電荷が流入あるいは流出できるように構成されている。【００２５】
また，診断用固定電極１０８ｂおよび診断用固定電極１０８ｃにも，それぞれパッド１０８ｄおよびパッド１０８ｅが形成されており，パッド１０８ｄやパッド１０８ｅから，診断用固定電極１０８ｂや診断用固定電極１０８ｃに診断信号を印加できるようになっている。【００２６】
図２は，図１のＡ−Ａ’線で切断した断面図である。図２に示すように，半導体チップ１００は，支持基板層１１０上に絶縁酸化膜層１１１が形成され，この絶縁酸化膜層１１１上に形成されたシリコン活性層１１２を有している。つまり，本実施例１で，第一の加速度センサを構成する半導体チップ１００はＳＯＩ(Silicon On Insulator)基板から構成されている。そして，図２に示されている枠部１０１，固定部１０３，可動部１０５と一体的に形成された検出用可動電極１０６ａ，検出用固定電極１０６ｂ，および，検出用固定電極１０６ｃと，図２に示されていない梁１０４，診断用可動電極１０８ａ，診断用固定電極１０８ｂ，および，診断用固定電極１０８ｃは，ＳＯＩ基板のシリコン活性層を加工して形成されている。【００２７】
例えば，図２において，枠部１０１と固定部１０３は絶縁酸化膜層１１１上に形成されており固定されていることがわかる。一方，例えば，可動部１０５と一体的に形成された検出用可動電極１０６ａもシリコン活性層から形成されているが，可動部１０５の下層に形成されている絶縁酸化膜層１１１は除去されている。同様に，図２に示されていない梁１０４の下層に形成されている絶縁酸化膜層も除去されている。したがって，可動部１０５は，空洞部の中に配置され，かつ，梁１０４によって支持されていることになる。このことから，可動部１０５は支持基板１１０に対して完全に固定されてはおらず，変位可能に形成されている。【００２８】
図３は，半導体チップ２００に形成された第二の加速度センサを構成する構造体を示す平面図である。図３に示すように，半導体チップ２００には，枠部２０１が形成されており，この枠部２０１に囲まれるように空洞部２０２が形成されている。空洞部２０２の内部には，固定部２０３が４隅に設けられており，この固定部２０３には，梁（弾性変形部）２０４が接続されている。そして，梁２０４は，加速度センサの錘となる可動部２０５と接続されている。つまり，固定部２０３と可動部２０５は弾性変形可能な梁２０４で接続されており，可動部２０５は，図３のｘ方向に変位できるようになっている。【００２９】
可動部２０５には，可動部２０５と一体に形成された検出用可動電極２０６ａが形成されており，この検出用可動電極２０６ａと対向するように，検出用固定電極２０６ｂおよび検出用固定電極２０６ｃが形成されている。この検出用可動電極２０６ａと検出用固定電極２０６ｂ，あるいは，検出用可動電極２０６ａと検出用固定電極２０６ｃは，それぞれ容量素子を形成しており，外部から印加された加速度によって可動部２０５がｘ方向に変位すると，上述した容量素子の容量が変化するようになっている。つまり，検出用可動電極２０６ａと検出用固定電極２０６ｂ，あるいは，検出用可動電極２０６ａと検出用固定電極２０６ｃから構成される容量素子は，可動部２０５のｘ方向の変位を容量変化として検出する容量検出部として機能する。【００３０】
このように構成された加速度センサの構造体は，シリコンなどの半導体材料から構成されている。したがって，互いに梁２０４を介して接続されている固定部２０３と可動部２０５とは電気的に接続されており，可動部２０５に印加される電位は，固定部２０３に形成されているパッド２０７から供給されるように構成されている。一方，検出用固定電極２０６ｂおよび検出用固定電極２０６ｃにも，それぞれパッド２０６ｄおよびパッド２０６ｅが形成されており，可動部２０５がｘ方向に変位することで生じる容量変化により，検出用固定電極２０６ｂや検出用固定電極２０６ｃに電荷が流入あるいは流出できるように構成されている。【００３１】
図４は，図３のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。図４に示すように，半導体チップ２００は，支持基板層２１０上に絶縁酸化膜層２１１が形成され，この絶縁酸化膜層２１１上に形成されたシリコン活性層２１２を有している。つまり，本実施例１で，第二の加速度センサを構成する半導体チップ２００はＳＯＩ(Silicon On Insulator)基板から構成されている。【００３２】
そして，図４に示されている枠部２０１，固定部２０３，可動部２０５と一体的に形成された検出用可動電極２０６ａ，および，検出用固定電極２０６ｂと，図４に示されていない梁２０４は，ＳＯＩ基板のシリコン活性層を加工して形成されている。したがって，可動部２０５は，空洞部の中に配置され，かつ，梁２０４によって支持されていることになる。このことから，可動部２０５は支持基板層２１０に対して完全に固定されてはおらず，変位可能に形成されている。【００３３】
本実施例１における第一，および第二の加速度センサは，例えば，ＳＯＩ基板をフォトリソグラフィ技術とＤＲＩＥ(Deep Reactive Ion Etching)を用いて加工することで形成する。もちろん，本実施例１では，ＳＯＩ基板を使用して加速度センサを製造する例を説明しているだけであって，本実施例１における概念は，ガラス・シリコン・ガラスの接合技術などを使用して，シリコン基板の表面と裏面の両方を加工することで加速度センサ（ＭＥＭＳ構造体）を形成する（バルクＭＥＭＳプロセス）場合にも適用することができる。さらに，予めトランジスタなどの信号処理回路が形成されているシリコン基板の表面に薄膜を堆積し，堆積した薄膜をパターニングすることを繰り返すことで加速度センサ（ＭＥＭＳ構造体）を形成する（表面ＭＥＭＳプロセス）場合にも適用することができる。【００３４】
本実施例１における第一の加速度センサ（ＭＥＭＳ構造体）を形成した半導体チップ１００，および第二の加速度センサ（ＭＥＭＳ構造体）を形成した半導体チップ２００，は上記のように構成されており，以下に，この半導体チップ１００，および半導体チップ２００を実装する構成例について説明する。本実施例１では，加速度センサ（ＭＥＭＳ構造体）と，この加速度センサからの出力信号を信号処理するＬＳＩとを別々の半導体チップに形成する例について説明するが，これに限らず，加速度センサを構成するＭＥＭＳ構造体と，信号処理回路を構成するトランジスタとを同一の半導体チップに形成する場合にも適用することができる。また，第一の加速度センサと第二の加速度センサを同一の半導体チップに形成してもよく，更に，それらセンサからの出力信号を処理する信号処理回路を構成する素子を含めて同一の半導体チップに形成してもよい。【００３５】
図５は，本実施例１に係る慣性センサにおける第一の加速度センサの実装構成例を示す断面図である。図５に示すように，凹部を有する外枠体３００の底部には，接着剤３０１を介して半導体チップ３０２が搭載されている。外枠体３００は，例えば，セラミックから構成されている。半導体チップ３０２には，通常の半導体製造技術により，トランジスタや受動素子からなる集積回路が形成されている。この半導体チップ３０２に形成されている集積回路は，加速度センサ（ＭＥＭＳ構造体）からの出力信号を信号処理する機能を有しており，最終的に加速度信号を出力する回路である。【００３６】
この半導体チップ３０２上には，接着剤３０３を介して半導体チップ１００が搭載されている。この半導体チップ１００は，図１や図２で説明した第一の加速度センサを構成するＭＥＭＳ構造体が形成されている半導体チップである。この半導体チップ１００に形成されているパッドと，半導体チップ３０２に形成されているパッド３０４ａは，例えば，ワイヤ３０５ａで接続されている。さらに，半導体チップ３０２に形成されているパッド３０４ｂは，外枠体３００に形成されている端子３０４ｃとワイヤ３０５ｂで接続され，外枠体の外部につながる端子３０６へと電気的に接続されている。そして，外枠体３００内に積層して配置された半導体チップ１００と半導体チップ３０２は，外枠体３００の上部をリッド３０７で封止することにより密閉される。【００３７】
図６は，本実施例１に係る慣性センサにおける第二の加速度センサの実装構成例を示す断面図である。図６に示すように，凹部を有する外枠体４００の底部には，接着剤４０１を介して半導体チップ４０２が搭載されている。外枠体４００は，例えば，セラミックから構成されている。半導体チップ４０２には，通常の半導体製造技術により，トランジスタや受動素子からなる集積回路が形成されている。この半導体チップ４０２に形成されている集積回路は，加速度センサ（ＭＥＭＳ構造体）からの出力信号を信号処理する機能を有しており，最終的に加速度信号を出力する回路である。【００３８】
この半導体チップ４０２上には，接着剤４０３を介して半導体チップ２００が搭載されている。この半導体チップ２００は，図３や図４で説明した第二の加速度センサを構成するＭＥＭＳ構造体が形成されている半導体チップである。この半導体チップ２００に形成されているパッドと，半導体チップ４０２に形成されているパッド４０４ａは，例えば，ワイヤ４０５ａで接続されている。さらに，半導体チップ４０２に形成されているパッド４０４ｂは，外枠体４００に形成されている端子４０４ｃとワイヤ４０５ｂで接続され，外枠体の外部につながる端子４０６へと電気的に接続されている。そして，外枠体４００内に積層して配置された半導体チップ２００と半導体チップ４０２は，外枠体４００の上部をリッド４０７で封止することにより密閉される。【００３９】
このようにして，本実施例１における第一，および第二の加速度センサが実装構成されている。図５示す加速度センサによれば，半導体チップ１００で検出した信号を半導体チップ３０２に入力することができる。その後，半導体チップ３０２に入力された信号は，半導体チップ３０２内に形成されている集積回路で信号処理され，最終的に加速度に対応した加速度信号が出力される。半導体チップ３０２から出力された加速度信号は，ワイヤ３０５ｂを介して外枠体３００に形成された端子３０６に出力され，外部へと取り出すことが可能になっている。【００４０】
また，図６示す加速度センサによれば，半導体チップ２００で検出した信号を半導体チップ４０２に入力することができる。その後，半導体チップ４０２に入力された信号は，半導体チップ４０２内に形成されている集積回路で信号処理され，最終的に加速度に対応した加速度信号が出力される。半導体チップ４０２から出力された加速度信号は，ワイヤ４０５ｂを介して外枠体４００に形成された端子４０６に出力され，外部へと取り出すことが可能になっている。【００４１】
なお，本実施例１では，外枠体としてセラミックパッケージを使用した例について説明しているが，これに限らず，例えば，ガラス陽極接合を使用したウェハレベルパッケージによる実装形態にも適用することができる。【００４２】
以上のように形成した第一の加速度センサと第二の加速度センサの，加速度に対する機械的応答の違いについて説明する。【００４３】
図１に示すように，本実施例１における第一の加速度センサは，ｘ方向に変位することができる可動部１０５を空洞部の中に配置し，かつ，梁１０４によって枠部１０１に支持されている。可動部１０５の質量をｍ１（ｋｇ），支持梁１０４のｘ方向剛性定数をｋ１（Ｎ／ｍ）としたとき，本実施例１における第一の加速度センサは式（１）に示す機械的な固有振動数ｆｎ１（Ｈｚ）を持ち，加速度α（ｍ／ｓ２）が印加した際の可動体の変位量ｘ１（ｍ）は，式（２）で表される。【００４４】
【数１】
0005492302.tif 000002
【００４５】
【数２】
0005492302.tif 000003
【００４６】
一方，図３に示すように，本実施例１における第二の加速度センサは，ｘ方向に変位することができる可動部２０５を空洞部の中に配置し，かつ，梁２０４によって枠部２０１に支持されている。可動部２０５の質量をｍ２（ｋｇ），支持梁２０４のｘ方向剛性定数をｋ２（Ｎ／ｍ）としたとき，本実施例１における第二の加速度センサは式（３）に示す機械的な固有振動数ｆｎ２（Ｈｚ）を持ち，加速度α（ｍ／ｓ２）が印加した際の可動体の変位量ｘ２（ｍ）は，式（４）で表される。【００４７】
【数３】
0005492302.tif 000004
【００４８】
【数４】
0005492302.tif 000005
【００４９】
本実施例１においては，第一の加速度センサの可動部１０５の質量ｍ１が第二の加速度センサの可動部２０５の質量ｍ２と等しく，かつ，第一の加速度センサの支持梁１０４のｘ方向剛性定数ｋ１が第二の加速度センサの支持梁２０４のｘ方向剛性定数ｋ２よりも小さくなるように形成する。この場合，式（１）（３）より，【００５０】
【数５】
0005492302.tif 000006
【００５１】
であるから，ｆｎ２＞ｆｎ１となり，第一の加速度センサの機械的な固有振動数は第二の加速度センサの機械的な固有振動数よりも小さくなる。よって，第一の加速度センサと第二の加速度センサに同じ加速度α（ｍ／ｓ２）が印加した際，式（２）（４）（５）よりの可動体の変位量ｘ１（ｍ）とｘ２（ｍ）は，【００５２】
【数６】
0005492302.tif 000007
【００５３】
と表せる。ここでｆｎ２＞ｆｎ１より，同じ加速度α（ｍ／ｓ２）が印加した際の第一の加速度センサの変位量ｘ１は第二の加速度センサの変位量ｘ２よりも大きくなる。【００５４】
ところで，第一の加速度センサの可動部１０５には，可動部１０５と一体に形成された検出用可動電極１０６ａが形成されており，この検出用可動電極１０６ａと対向するように，検出用固定電極１０６ｂおよび検出用固定電極１０６ｃが形成されている。この検出用可動電極１０６ａと検出用固定電極１０６ｂ，あるいは，検出用可動電極１０６ａと検出用固定電極１０６ｃは，それぞれ容量素子を形成しており，外部から印加された加速度によって可動部１０５がｘ方向に変位すると，上述した容量素子の容量が変化するようになっている。つまり，検出用可動電極１０６ａと検出用固定電極１０６ｂ，あるいは，検出用可動電極１０６ａと検出用固定電極１０６ｃから構成される容量素子は，可動部１０５のｘ方向の変位を容量変化として検出する容量検出部として機能する。【００５５】
第二の加速度センサについても同様に，可動部２０５と一体に形成された検出用可動電極２０６ａが形成されており，この検出用可動電極２０６ａと対向するように，検出用固定電極２０６ｂおよび検出用固定電極２０６ｃが形成されている。検出用可動電極２０６ａと検出用固定電極２０６ｂ，あるいは，検出用可動電極２０６ａと検出用固定電極２０６ｃから構成される容量素子は，可動部２０５のｘ方向の変位を容量変化として検出する容量検出部として機能する。【００５６】
よって，この第一の加速度センサにおける検出用可動電極１０６ａと，検出用固定電極１０６ｂおよび検出用固定電極１０６ｃとの対向距離が，第二の加速度センサにおける検出用可動電極２０６ａと，検出用固定電極２０６ｂおよび検出用固定電極２０６ｃとの対向距離と等しく形成した場合，式（６）より同じ加速度α（ｍ／ｓ２）が印加した際の第一の加速度センサの変位量ｘ１は第二の加速度センサの変位量ｘ２よりも大きくなるため，第一の加速度センサの検出電極における容量変化は第二の加速度センサの検出電極における容量変化よりも大きくなる。つまり，同じ加速度を印加された場合でも，加速度センサの機械的な剛性や可動体質量が異なれば，検出電極に流入あるいは流出する電荷量が異なるということである。【００５７】
図５に示される半導体チップ（信号処理回路）３０２や，図６に示される半導体チップ（信号処理回路）４０２で取り扱える容量変化量の範囲は信号処理回路ごとに決まっているため，検出電極に流入あるいは流出する電荷量が信号処理回路で扱える容量変化量の範囲を超えてしまった場合，最終的に出力される加速度信号は，加速度センサに印加された加速度とは異なる値を示し，誤出力となる。このように，加速度センサで計測可能な加速度範囲は，信号処理回路で扱える容量変化量の範囲，もしくは，加速度センサの可動体質量や支持梁の検出軸方向の剛性定数で決まる機械的な固有振動数で決まっている。センサシステムとして誤出力せずに取り扱える加速度の大きさの範囲を「感度範囲」と呼び，相対的に大きな加速度を印加してもセンサが誤出力しない容量変化量の範囲，もしくは，機械的な固有振動数を持つ加速度センサを「感度範囲が広い加速度センサ」と呼ぶ。図５に示される半導体チップ（信号処理回路）３０２や，図６に示される半導体チップ（信号処理回路）４０２で取り扱える容量変化量の範囲を同じに設定する場合，本実施例１においては，式（６）より同じ加速度α（ｍ／ｓ２）が印加した際の第一の加速度センサの検出電極における容量変化は第二の加速度センサの検出電極における容量変化よりも大きくなるため，第一の加速度センサより第二の加速度センサの方が，感度範囲が広い加速度センサであると言える。【００５８】
また，本実施例１における第一の加速度センサの機械的固有振動数をｆｎ１（Ｈｚ），機械的減衰定数をζ１としたとき，機械的なカットオフ周波数ｆｃ１（Ｈｚ）との関係は式（７）で表される。【００５９】
【数７】
0005492302.tif 000008
【００６０】
同様に，本実施例１における第二の加速度センサの機械的固有振動数をｆｎ２（Ｈｚ），機械的減衰定数をζ２としたとき，機械的なカットオフ周波数ｆｃ２（Ｈｚ）との関係は式（８）で表される。【００６１】
【数８】
0005492302.tif 000009
【００６２】
減衰定数ζは物体が機械的に運動するときのエネルギー散逸の起こりやすさを表す定数であり，物体が運動する周辺環境の流体種類，流体圧力，運動する物体の大きさや構造，運動する物体を構成する物質などによって決まる定数である。同じ大きさや構造をもつＭＥＭＳ構造体を同じ圧力の中で動作させるときには，ζも近しい値になると考えられるため，本実施例１ではζ１≒ζ２と近似すると，式（５）（７）（８）より，【００６３】
【数９】
0005492302.tif 000010
【００６４】
となり，第二の加速度センサの機械的カットオフ周波数ｆｃ２は第一の加速度センサの機械的カットオフ周波数ｆｃ１より大きいことがわかる。【００６５】
第一の加速度センサと第二の加速度センサの機械的な周波数応答をグラフに示すと，例えば図７のように表せる。これは，センサに印加される加速度の変動周波数を徐々に大きくしていく場合に，第一の加速度センサではｆｃ１（Ｈｚ）までＭＥＭＳが機械的に動作して変位することを意味し，第二の加速度センサではｆｃ２（Ｈｚ）までＭＥＭＳが機械的に動作し変位することを意味する。つまり，センサに印加される加速度の変動周波数を徐々に大きくしていく場合に，第一の加速度センサではｆｃ１（Ｈｚ）まで検出電極における容量変化が起こるがｆｃ１（Ｈｚ）以上の周波数で印加された加速度に対してはセンサが機械的に変位しないため容量変化が起こらないことを意味する。よってｆｃ１（Ｈｚ）以上の周波数で印加された加速度に対して，第一の加速度センサから最終的に出力される加速度信号は印加された加速度とは異なる値を示し，誤出力となる。【００６６】
また，センサに印加される加速度の変動周波数を徐々に大きくしていく場合に，第二の加速度センサではｆｃ２（Ｈｚ）まで検出電極における容量変化が起こるがｆｃ２（Ｈｚ）以上の周波数で印加された加速度に対してはセンサが機械的に変位しないため容量変化が起こらないことを意味する。よってｆｃ２（Ｈｚ）以上の周波数で印加された加速度に対して，第二の加速度センサから最終的に出力される加速度信号は印加された加速度とは異なる値を示し，誤出力となる。【００６７】
センサシステムとして誤出力せずに取り扱える加速度の周波数の範囲を「応答帯域」と呼び，相対的に大きな周波数の加速度を印加してもセンサが誤出力しない応答帯域を持つ加速度センサを「応答帯域が広い加速度センサ」と呼ぶ。図５に示される半導体チップ（信号処理回路）３０２や，図６に示される半導体チップ（信号処理回路）４０２で取り扱える容量変化の周波数範囲を同じに設定する場合，本実施例１においては，式（８）より第二の加速度センサのカットオフ周波数ｆｃ２（Ｈｚ）は第一の加速度センサのカットオフ周波数ｆｃ１（Ｈｚ）よりも大きくなるため，第一の加速度センサより第二の加速度センサの方が，応答帯域が広い加速度センサであると言える。【００６８】
続いて，本実施例１における加速度センサの基本的な動作原理について説明する。  
図１に示すように，本実施例１における第一の加速度センサは，ｘ方向に変位することができる可動部１０５を有している。例えば，この可動部１０５はｘ方向に加速度が印加されると，ｘ方向に変位する。可動部１０５には検出用可動電極１０６ａが形成されており，この検出用可動電極１０６ａと相対するように検出用固定電極１０６ｂおよび検出用固定電極１０６ｃが形成されている。この場合，可動部１０５が変位すると，これに伴って検出用可動電極１０６ａが変位する。一方，検出用固定電極１０６ｂおよび検出用固定電極１０６ｃは固定されたまま変位しない。したがって，ｘ方向に加速度が印加されて可動部１０５が変位すると，検出用可動電極１０６ａと検出用固定電極１０６ｂ，あるいは，検出用可動電極１０６ａと検出用固定電極１０６ｃからなる容量素子の電極間距離が変化する。【００６９】
容量素子の電極間距離が変化するということは，容量素子の電気容量（静電容量）が変化することを意味している。このように，ｘ方向に加速度が印加されると，ｘ方向に可動部１０５が変位し，その結果，容量素子の静電容量が変化する。この容量変化は，電圧変換部で電圧信号に変換され，変換された電気信号に基づいて加速度信号が加速度センサから出力される。このことから，加速度センサに印加された加速度は，容量素子の容量変化として検出され，検出された容量変化は電圧信号に変換されて最終的に加速度信号が加速度センサから出力されることがわかる。【００７０】
第二のセンサについても同様に，図３に示すように，本実施例１における第二の加速度センサは，ｘ方向に変位することができる可動部２０５を有している。例えば，この可動部２０５はｘ方向に加速度が印加されると，ｘ方向に変位する。可動部２０５には検出用可動電極２０６ａが形成されており，この検出用可動電極２０６ａと相対するように検出用固定電極２０６ｂおよび検出用固定電極２０６ｃが形成されている。この場合，可動部２０５が変位すると，これに伴って検出用可動電極２０６ａが変位する。一方，検出用固定電極２０６ｂおよび検出用固定電極２０６ｃは固定されたまま変位しない。したがって，ｘ方向に加速度が印加されて可動部２０５が変位すると，検出用可動電極２０６ａと検出用固定電極２０６ｂ，あるいは，検出用可動電極２０６ａと検出用固定電極２０６ｃからなる容量素子の電極間距離が変化する。【００７１】
容量素子の電極間距離が変化するということは，容量素子の電気容量（静電容量）が変化することを意味している。このように，ｘ方向に加速度が印加されると，ｘ方向に可動部２０５が変位し，その結果，容量素子の静電容量が変化する。この容量変化は，電圧変換部で電圧信号に変換され，変換された電気信号に基づいて加速度信号が加速度センサから出力される。このことから，加速度センサに印加された加速度は，容量素子の容量変化として検出され，検出された容量変化は電圧信号に変換されて最終的に加速度信号が加速度センサから出力されることがわかる。【００７２】
図８は，本実施例１に係る慣性センサである加速度センサの構成を示す図である。  
図８に示すように，本実施例１における第一の加速度センサ５００は，半導体チップ１００と半導体チップ３０２とを有しており，半導体チップ１００にＭＥＭＳ構造体が形成され，半導体チップ３０２に信号処理回路が形成されている。【００７３】
まず，図８には，半導体チップ１００に形成されているＭＥＭＳ構造体の可動部１０５が図示されており，この可動部１０５と変調信号生成部５０１との間に容量検出部である容量素子Ｃ１が形成されている。この容量素子Ｃ１は，検出用可動電極１０６ａと検出用固定電極１０６ｂから形成されている。また，可動部１０５と変調信号生成部５０１の間に容量素子Ｃ２が形成されている。この容量素子Ｃ２は，検出用可動電極１０６ａと検出用固定電極１０６ｃから構成されている。【００７４】
続いて，半導体チップ３０２に形成されている信号処理回路の構成について説明する。図８において，半導体チップ３０２には，変調信号（搬送波）を生成する変調信号生成部５０１が形成されている。この変調信号生成部５０１は，例えば，数百ｋＨｚの変調信号を生成できるように構成されている。変調信号生成部５０１で生成された変調信号にはバイアス電圧が印加されて検出用固定電極１０６ｂに印加されるように構成されている。また，変調信号生成部５０１で生成された変調信号の位相を１８０度変換した信号にバイアス電圧が印加されて検出用固定電極１０６ｃに印加されるように構成されている。これにより，可動部１０５は，数百ｋＨｚの変調信号によって振動することになる。【００７５】
次に，半導体チップ３０２には物理量算出部５０２が形成されている。この物理量算出部５０２には，容量電圧変換部１（Ｃ−Ｖ変換部１），Ａ／Ｄ変換部１，第１同期検波部１ａ，ローパスフィルタＬＰＦ１を有している。容量電圧変換部１は，容量素子Ｃ１の容量変化を電圧信号に変換するオペアンプより構成されている。続いて，Ａ／Ｄ変換部１は，容量電圧変換部１から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するように構成されており，第１同期検波部１ａは，搬送波によって高周波信号に変換された信号から元の低い周波数の信号を復元するように構成されている。また，ローパスフィルタＬＰＦ１は，高い周波数の信号を減衰させ，低い周波数の信号を通過させるように構成されており，ローパスフィルタＬＰＦ１を通過した信号から加速度信号５２０を算出するように構成されている。【００７６】
本実施例１における第一の加速度センサは上記のように構成されており，次に，加速度を検出する動作について説明する。【００７７】
まず，変調信号生成部５０１で生成した数百ｋＨｚ（搬送波周波数）の変調信号を検出用固定電極１０６ｂに，変調信号生成部５０１で生成された変調信号の位相を１８０度変換した信号を検出用固定電極１０６ｃに印加する。すると，可動部１０５は，搬送波周波数（数百ｋＨｚ）で振動する。この振動はとても速いので，この振動による容量素子Ｃ１および容量素子Ｃ２の容量変化はないものとみなせる。この状態で，外部から加速度が印加されると，可動部１０５が変位する。例えば，可動部１０５が図８の上側に変位する場合，容量素子Ｃ１では，検出用可動電極１０６ａと検出用固定電極１０６ｂの間の距離が狭くなるので，容量素子Ｃ１の容量が大きくなる。一方，容量素子Ｃ２では，検出用可動電極１０６ａと検出用固定電極１０６ｃの間の距離が大きくなるので，容量素子Ｃ２の容量が小さくなる。この容量素子Ｃ１の容量変化と，容量素子Ｃ２の容量変化は，外部から印加された加速度に対応する外力応答周波数（ＤＣ〜数十Ｈｚ）の変化となる。ただし，今の場合，可動部１０５には，変調信号が印加されているので，外力応答周波数（ＤＣ〜数十Ｈｚ）の容量変化は，搬送波周波数（数百ｋＨｚ）に重畳される。【００７８】
その後，この容量素子Ｃ１での容量変化と変調信号の振幅に基づき，容量電圧変換部１にて容量変化を電圧に変換した電圧信号が出力される。この容量電圧変換部１から出力される電圧信号（アナログ信号）は，搬送波周波数（数百ｋＨｚ）に外力応答周波数（ＤＣ〜数十Ｈｚ）の電圧信号が重畳されたものとなる。【００７９】
次に，容量電圧変換部１から出力された電圧信号（搬送波周波数（数百ｋＨｚ）に外力応答周波数（ＤＣ〜数十Ｈｚ）の電圧信号が重畳された電圧信号）は，Ａ／Ｄ変換部１に入力され，Ａ／Ｄ変換部１でデジタル信号に変換される。そして，デジタル信号に変換された電圧信号は，第１同期検波部１ａに入力する。【００８０】
第１同期検波部１ａでは，変調信号の周波数と位相を使用して同期検波を実施する。すなわち，第１同期検波部１ａでは，搬送波周波数（数百ｋＨｚ）に外力応答周波数（ＤＣ〜数十Ｈｚ）の電圧信号が重畳された電圧信号（デジタル信号）から，外力応答周波数（ＤＣ〜数十Ｈｚ）の電圧信号が復元される。その後，復元された電圧信号をローパスフィルタＬＰＦ１に入力して，必要とする信号以外の高周波成分を減衰させる。そして，ローパスフィルタＬＰＦ１から出力された電圧信号（ＤＣ〜数十Ｈｚ）に基づいて，加速度信号５２０を算出して出力する。以上のようにして，本実施例１における加速度センサにより加速度を検出することができる。このとき，上述したように，加速度センサの可動部１０５を数百ｋＨｚの搬送波で振動させることにより，加速度によるＤＣ〜数十Ｈｚの静電容量変化を高周波信号に重畳し，この高周波信号に対して信号処理を施しているので，１／ｆノイズの影響を抑制してＳ／Ｎ比を向上させることができ，加速度信号の検出精度を向上させることができる。【００８１】
図８に示すように，本実施例１における第二の加速度センサ５１０は，半導体チップ２００と半導体チップ４０２とを有しており，半導体チップ２００にＭＥＭＳ構造体が形成され，半導体チップ４０２に信号処理回路が形成されている。【００８２】
図８には，半導体チップ２００に形成されているＭＥＭＳ構造体の可動部２０５が図示されており，この可動部２０５と変調信号生成部５１１との間に容量検出部である容量素子Ｃ５が形成されている。この容量素子Ｃ５は，検出用可動電極２０６ａと検出用固定電極２０６ｂから形成されている。また，可動部２０５と変調信号生成部５１１の間に容量素子Ｃ６が形成されている。この容量素子Ｃ６は，検出用可動電極２０６ａと検出用固定電極２０６ｃから構成されている。【００８３】
続いて，半導体チップ４０２に形成されている信号処理回路の構成について説明する。図８において，半導体チップ４０２には，変調信号（搬送波）を生成する変調信号生成部５１１が形成されている。この変調信号生成部５１１は，例えば，数百ｋＨｚの変調信号を生成できるように構成されている。変調信号生成部５１１で生成された変調信号にはバイアス電圧が印加されて検出用固定電極２０６ｂに印加されるように構成されている。また，変調信号生成部５１１で生成された変調信号の位相を１８０度変換した信号にバイアス電圧が印加されて検出用固定電極２０６ｃに印加されるように構成されている。これにより，可動部２０５は，数百ｋＨｚの変調信号によって振動することになる。【００８４】
次に，半導体チップ４０２には物理量算出部５１２が形成されている。この物理量算出部５１２には，容量電圧変換部２（Ｃ−Ｖ変換部２），Ａ／Ｄ変換部２，同期検波部２，ローパスフィルタＬＰＦ２を有している。容量電圧変換部２は，容量素子Ｃ５の容量変化を電圧信号に変換するオペアンプより構成されている。続いて，Ａ／Ｄ変換部２は，容量電圧変換部２から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するように構成されており，第１同期検波部２は，搬送波によって高周波信号に変換された信号から元の低い周波数の信号を復元するように構成されている。また，ローパスフィルタＬＰＦ２は，高い周波数の信号を減衰させ，低い周波数の信号を通過させるように構成されており，ローパスフィルタＬＰＦ２を通過した信号から加速度信号を算出するように構成されている。【００８５】
本実施例１における第二の加速度センサは上記のように構成されており，次に，加速度を検出する動作について説明する。【００８６】
まず，変調信号生成部５１１で生成した数百ｋＨｚ（搬送波周波数）の変調信号を検出用固定電極２０６ｂに，変調信号生成部５１１で生成された変調信号の位相を１８０度変換した信号を検出用固定電極２０６ｃに印加する。すると，可動部２０５は，搬送波周波数（数百ｋＨｚ）で振動する。この振動はとても速いので，この振動による容量素子Ｃ５および容量素子Ｃ６の容量変化はないものとみなせる。この状態で，外部から加速度が印加されると，可動部２０５が変位する。【００８７】
例えば，可動部２０５が図８の上側に変位する場合，容量素子Ｃ５では，検出用可動電極２０６ａと検出用固定電極２０６ｂの間の距離が狭くなるので，容量素子Ｃ５の容量が大きくなる。一方，容量素子Ｃ６では，検出用可動電極２０６ａと検出用固定電極２０６ｃの間の距離が大きくなるので，容量素子Ｃ６の容量が小さくなる。この容量素子Ｃ５の容量変化と，容量素子Ｃ６の容量変化は，外部から印加された加速度に対応する外力応答周波数（ＤＣ〜数ｋＨｚ）の変化となる。ただし，今の場合，可動部２０５には，変調信号が印加されているので，外力応答周波数（ＤＣ〜数ｋＨｚ）の容量変化は，搬送波周波数（数百ｋＨｚ）に重畳される。【００８８】
その後，この容量素子Ｃ５での容量変化と変調信号の振幅に基づき，容量電圧変換部２にて容量変化を電圧に変換した電圧信号が出力される。この容量電圧変換部２から出力される電圧信号（アナログ信号）は，搬送波周波数（数百ｋＨｚ）に外力応答周波数（ＤＣ〜数ｋＨｚ）の電圧信号が重畳されたものとなる。【００８９】
次に，容量電圧変換部２から出力された電圧信号（搬送波周波数（数百ｋＨｚ）に外力応答周波数（ＤＣ〜数ｋＨｚ）の電圧信号が重畳された電圧信号）は，Ａ／Ｄ変換部２に入力され，Ａ／Ｄ変換部２でデジタル信号に変換される。そして，デジタル信号に変換された電圧信号は，同期検波部２に入力する。【００９０】
同期検波部２では，変調信号の周波数と位相を使用して同期検波を実施する。すなわち，同期検波部２では，搬送波周波数（数百ｋＨｚ）に外力応答周波数（ＤＣ〜数ｋＨｚ）の電圧信号が重畳された電圧信号（デジタル信号）から，外力応答周波数（ＤＣ〜数ｋＨｚ）の電圧信号が復元される。その後，復元された電圧信号をローパスフィルタＬＰＦ２に入力して，必要とする信号以外の高周波成分を減衰させる。そして，ローパスフィルタＬＰＦ２から出力された電圧信号（ＤＣ〜数ｋＨｚ）に基づいて，加速度信号を算出して出力する。以上のようにして，本実施例１における加速度センサにより加速度を検出することができる。【００９１】
上述した第一の加速度センサは，例えば，車の横滑りやスピンを抑制して安全な走行を支援する姿勢制御システムにキーデバイスとして使用される。この姿勢制御システムでは，加速度センサからの出力を元にエンジンの出力やブレーキの制動力を制御することで車の横滑りやスピンを抑制している。このことから，加速度センサの故障は事故に繋がる可能性が高く，加速度センサの故障時にはすぐに知らせる必要がある。【００９２】
そこで，加速度センサを動作させながら故障の有無を診断できることが，直ぐに故障を検知する観点から望ましいことになる。したがって，加速度センサには，動作させながら故障の有無を診断する機能が備わっているものがある。本実施例１における加速度センサは，動作させながら故障の有無を診断することができる加速度センサであり，以下に，加速度を検出しながら加速度センサの故障の有無を判断する常時診断機能を有する第一の加速度センサの構成について説明する。【００９３】
図８において，半導体チップ１００に形成されているＭＥＭＳ構造体の可動部１０５が図示されており，この可動部１０５と診断信号生成部５０３との間に強制振動生成部である容量素子Ｃ３，および容量素子Ｃ４が形成されている。この容量素子Ｃ３は，診断用可動電極１０８ａと診断用固定電極１０８ｂから形成されている。容量素子Ｃ４は，診断用可動電極１０８ａと診断用固定電極１０８ｃから構成されている。なお，診断信号生成部５０３自体は公知である。【００９４】
続いて，半導体チップ３０２には，診断信号を生成する診断信号生成部５０３と異常判定部５０４が形成されている。この診断信号生成部５０３は，例えば，数百Ｈｚの診断信号を生成できるように構成されている。この診断信号は，例えば，矩形波，正弦波，三角波などから構成されている。診断信号生成部５０３で生成された診断信号にはバイアス電圧が印加されて容量素子Ｃ３および容量素子Ｃ４に印加されるように構成されている。また，異常判定部５０４は，半導体チップ３０２に形成されている物理量算出部５０２を介して可動部１０５と接続されている。【００９５】
このように構成されている加速度センサにおいて，診断信号生成部５０３で生成した診断信号は，互いに逆相である２つの信号として，それぞれ，診断用固定電極１０８ｂと診断用固定電極１０８ｃに印加される。これにより，診断用可動電極１０８ａと診断用固定電極１０８ｂの間と，診断用可動電極１０８ａと診断用固定電極１０８ｃとの間に静電力が働き，可動部１０５を強制振動させることができる。可動部１０５が強制振動すれば，可動部１０５が変位し，容量検出部を構成する容量素子Ｃ１と容量素子Ｃ２とに容量変化が生じる。【００９６】
この容量素子Ｃ１と容量素子Ｃ２に生じた容量変化は，容量電圧変換部１で電圧信号に変換され，電圧変換部で変換された電圧信号は，Ａ／Ｄ変換部１と第１同期検波部１ａを経由することにより，元の診断信号に復元される。この復元された診断信号は，異常判定部５０４に入力して処理されて異常の有無が判断される。このようにして，本実施例１における第一の加速度センサによれば，加速度センサの異常の有無が判断される。【００９７】
さらに，数百Ｈｚの診断信号を可動部１０５に印加して強制振動しながら，外部から加速度（ＤＣ〜数十Ｈｚ）が印加された場合，容量検出部である容量素子Ｃ１と容量素子Ｃ２には，強制振動による容量変化（数百Ｈｚ）と，加速度による容量変化（ＤＣ〜数十Ｈｚ）とが加わる。この数百Ｈｚの容量変化とＤＣ〜数十Ｈｚの容量変化が変調信号（数百ｋＨｚ）に重畳されることになる。【００９８】
その後，容量電圧変換部１で上述した容量変化が電圧信号に変換される。この電圧信号には，数百Ｈｚの電圧信号とＤＣ〜数十Ｈｚの電圧信号が変調信号（数百ｋＨｚ）に重畳された電圧信号となっている。その後，Ａ／Ｄ変換部１と，第１同期検波部１ａを経由すると，数百Ｈｚの診断信号と，ＤＣ〜数十Ｈｚの電圧信号に復元される。そして，物理量算出部５０２では，ローパスフィルタＬＰＦ１によって，数百Ｈｚの診断信号を減衰させて，ＤＣ〜数十Ｈｚの電圧信号を抽出し，この電圧信号に基づいて加速度信号を算出する。一方，異常判定部５０４では，数百Ｈｚの診断信号に基づいて処理を実施し異常を判断する。以上のようにして，本実施例１における加速度センサによれば，加速度を検出しながら，加速度センサの異常の有無を判断することができる。【００９９】
ここで，本実施例における加速度センサの特徴は，第一の加速度センサの異常の異常判定部５０４に第二の加速度センサの出力信号(加速度信号)５２２が接続されていることである。この理由について説明する。【０１００】
車の横滑りやスピンを抑制するために利用される慣性センサは，走行車両に設置される。慣性センサの設置される車両内には，走行路面の凹凸や障害物を乗り越えた際に生じる振動や，車の動力源であるエンジンにより発生する振動，また，エンジンやブレーキを制御するための配管やバルブ開閉によって生じる振動が多数存在している。これらの振動や衝撃は，常に一定の大きさや周波数の振動源ではなく，また時間的にも変動するものである。特に，物体同士の衝撃により発生する振動は，時間領域での振動継続時間が短いが，周波数領域においては全ての周波数の加速度振動を含むため，発生する振動の大きさや周波数の特定が困難である。【０１０１】
また，介護医療など分野で用いられる移動型ロボットの自己状態を認識するための内界センサとして利用される慣性センサは，移動型ロボット内部に設置される。移動型ロボットは人との接触を繰り返すことで生じる振動や，移動の際に床面の凹凸や障害物を乗り越えた際に生じる振動や，壁面にぶつかった際に生じる振動などが多数存在している。これらの振動や衝撃は，常に一定の大きさや周波数の振動源ではなく，また時間的にも変動するものである。特に，物体同士の衝撃により発生する振動は，時間領域での振動継続時間が短いが，周波数領域においては全ての周波数の加速度振動を含むため，発生する振動の大きさや周波数の特定が困難である。【０１０２】
つまり，加速度を検出しながら，加速度センサの異常の有無を判断することができる本実施例１における加速度センサの設置される環境では，どのような大きさや周波数，どのような継続時間を持つか予測できない振動が生じているのである。これは本来，センサが計測したい加速度信号とは異なり，雑音振動である。【０１０３】
もしも，センサが設置された環境での雑音振動が，診断信号生成部５０３で生成した診断信号によって可動部１０５を強制振動させている振動と同じ周波数で逆位相の場合，可動部１０５の強制振動はセンサが設置された環境での雑音振動によって相殺され，所望の強制振動振幅が得られないことになる。つまり，センサに異常はないのにセンサが異常を来たしていると異常判定部５０４が判断することになり，誤診断結果をセンサが出力することになる。【０１０４】
センサが設置された環境での雑音振動は，常に一定の大きさや周波数の振動源ではなく，また時間的にも変動するものであるから，誤診断は確率的に発生するものと見なすことができる。そこで，複数回以上の診断判定を実施したうえで統計的にセンサ異常の有無を判断する方法もありうるが，この場合，診断の判定を複数回実施してから判定結果を出力することになるため，実際にセンサが故障した時間から，センサの異常判定結果を出力するまでに時間がかかることになる。したがって，複数回以上の診断判定を実施したうえで統計的にセンサの異常の有無を判断する方法は，加速度センサの故障の有無を直ぐに検知する観点からは，望ましくない。【０１０５】
これに対し，本実施例１における第一の加速度センサのように，センサ異常の異常判定部５０４に第二の加速度センサの出力信号(加速度信号)５２２をセンサユニットの外部制御回路，もしくは外部導線を経由して接続すると，第一の加速度センサで加速度信号を検出しながら，センサが設置された環境での雑音振動の有無を検知することができるため，異常判定部５０４でセンサを誤診断する可能性の有無を常に検知することができる。センサが設置された環境での雑音振動によって異常判定部５０４でセンサを誤診断する可能性がある場合は，異常判定部５０４での判定方法を変更すれば，振動雑音環境下で加速度を検出しながら診断を行なう場合であっても，誤診断を抑制した高信頼の加速度センサを提供することができる。【０１０６】
特に，本実施例では第一の加速度センサより第二の加速度センサの方が，応答帯域が広い加速度センサであり，また，第一の加速度センサより第二の加速度センサの方が，感度範囲が広い加速度センサであるため，第二の加速度センサによってセンサが設置された環境での雑音振動を検出すると，より広い周波数帯域やより広い加速度範囲の振動雑音を検出できる。よって，雑音環境下で加速度を検出しながら診断を行なう場合であっても，誤診断を抑制し，さらに高信頼の加速度センサを提供することができる。【０１０７】
続いて，図８に示す異常判定部５０４の詳細な構成について説明する。  
図８において，異常判定部５０４は，バンドパスフィルタＢＰＦ１ａ，第２同期検波部１ｂ，バンドパスフィルタＢＰＦ１ｂ，比較判断部を有している。バンドパスフィルタＢＰＦ１ａは，第１同期検波部１ａから出力される数百Ｈｚの電圧信号以外の信号を雑音と見なして除去するように構成されている。第２同期検波部１ｂは，物理量算出部５０２の第１同期検波部１ａから出力される数百Ｈｚの診断信号とＤＣ〜数十Ｈｚの電圧信号を含む信号から数百Ｈｚの診断信号を抽出するように構成されている。具体的に，数百Ｈｚの診断信号をｃｏｓｗｔとすると，第２同期検波部１ｂでは，数百Ｈｚの診断信号（ｃｏｓｗｔ）とＤＣ〜数十Ｈｚの電圧信号を含む信号にｃｏｓｗｔを乗算するように構成されている。すると，数百Ｈｚの診断信号は，ｃｏｓｗｔ×ｃｏｓｗｔ＝１／２（ｃｏｓ２ｗｔ＋ｃｏｓ０）となる。つまり，数百Ｈｚの診断信号は，診断信号の２倍の周波数（ｃｏｓ２ｗｔ）（第２検波周波数の信号）の信号と，ＤＣ信号（ｃｏｓ０）（第１検波周波数の信号）に変換される。一方，ＤＣ〜数十Ｈｚの電圧信号には，ｃｏｓｗｔが乗算されて数百Ｈｚ帯の信号となる。このように第２同期検波部１ｂは，数百Ｈｚの診断信号を検波して２倍の周波数の信号とＤＣ信号に変換するように構成されている。なお，符号５２３は診断信号を示す。【０１０８】
次に，バンドパスフィルタＢＰＦ１ｂは，ＤＣ信号（ｃｏｓ０）とｃｏｓｗｔの信号を減衰させて，ｃｏｓ２ｗｔの信号（診断信号の２倍の周波数の信号）を通過させるように構成されている。このバンドパスフィルタＢＰＦ１ｂにより，数百Ｈｚの診断信号を変換したｃｏｓ２ｗｔの信号（診断信号の２倍の周波数の信号）を抽出することができる。比較判断部は，バンドパスフィルタＢＰＦ１ｂを通過したｃｏｓ２ｗｔの信号（診断信号の２倍の周波数の信号）の振幅と，振幅基準値とを比較するように構成されている。比較判断部の比較結果に基づいて，加速度センサの異常の有無を判定信号５２１として出力するように構成されている。【０１０９】
本実施例１における加速度センサは上記のように構成されており，加速度を検出しながら異常の有無を診断する動作について，説明する。【０１１０】
図８において，診断信号生成部５０３で生成した診断信号は，互いに逆相である２つの信号として，それぞれ，診断用固定電極１０８ｂと診断用固定電極１０８ｃに印加される。これにより，診断用可動電極１０８ａと診断用固定電極１０８ｂの間と，診断用可動電極１０８ａと診断用固定電極１０８ｃとの間に静電力が働き，可動部１０５を強制振動させることができる。可動部１０５が強制振動すれば，可動部１０５が変位することになる。可動部１０５が変位すると，容量検出部を構成する容量素子Ｃ１と容量素子Ｃ２とに容量変化が生じる。【０１１１】
この状態で，外部から加速度（ＤＣ〜数十Ｈｚ）が印加された場合，容量検出部である容量素子Ｃ１と容量素子Ｃ２には，強制振動による容量変化（数百Ｈｚ）と，加速度による容量変化（ＤＣ〜数十Ｈｚ）とが加わる。この数百Ｈｚの容量変化とＤＣ〜数十Ｈｚの容量変化が変調信号（数百ｋＨｚ）に重畳されることになる。その後，容量電圧変換部１で上述した容量変化が電圧信号に変換される。この電圧信号には，数百Ｈｚの電圧信号とＤＣ〜数十Ｈｚの電圧信号が変調信号（数百ｋＨｚ）に重畳された電圧信号となっている。その後，Ａ／Ｄ変換部１と，第１同期検波部１ａを経由すると，数百Ｈｚの診断信号と，ＤＣ〜数十Ｈｚの電圧信号に復元される。そして，物理量算出部５０２では，ローパスフィルタＬＰＦ１によって，数百Ｈｚの診断信号を減衰させて，ＤＣ〜数十Ｈｚの電圧信号を抽出し，この電圧信号に基づいて加速度信号を算出する。【０１１２】
一方，第１同期検波部１ａから出力された数百Ｈｚの診断信号とＤＣ〜数十Ｈｚの電圧信号を含む信号は，バンドパスフィルタＢＰＦ１ａによって第１同期検波部１ａから出力される数百Ｈｚの電圧信号以外の信号を除去した後に，第２同期検波部１ｂに入力される。この第２同期検波部１ｂにおいて，数百Ｈｚの診断信号は，診断信号の２倍の周波数（ｃｏｓ２ｗｔ）の信号と，ＤＣ信号（ｃｏｓ０）に変換される。一方，ＤＣ〜数十Ｈｚの電圧信号には，ｃｏｓｗｔが乗算されて数百Ｈｚ帯の信号となる。【０１１３】
続いて，第２同期検波部１ｂから出力された信号は，バンドパスフィルタＢＰＦ１ｂに入力され，ＤＣ信号（ｃｏｓ０）の信号とＤＣ〜数十Ｈｚの電圧信号にｃｏｓｗｔが乗算された数百Ｈｚ帯の信号が減衰され，診断信号に対応した診断信号の２倍の周波数（ｃｏｓ２ｗｔ）の信号が通過する。【０１１４】
その後，比較判断部では，バンドパスフィルタＢＰＦ１ｂを通過した診断信号の２倍の周波数（ｃｏｓ２ｗｔ）の信号の振幅と，振幅基準値とを比較し，加速度センサの異常の有無を判断する。このようにして，本実施例１における加速度センサによれば，加速度を検出しながら，加速度センサの異常の有無を判断することができる。したがって，本実施例１における加速度センサによれば，直ぐに故障を検知することができる。【０１１５】
具体的に，比較判断部の異常の有無は例えば，以下のように判断することができる。  
比較判断部に，例えば，所定の振幅基準値を設定し，バンドパスフィルタＢＰＦ１ｂを通過した診断信号の２倍の周波数（ｃｏｓ２ｗｔ）の信号の振幅と比較する。例えば，診断信号生成部５０３で生成した診断信号が可動部１０５に印加されているにもかかわらず，バンドパスフィルタＢＰＦ１ｂを通過した診断信号の２倍の周波数（ｃｏｓ２ｗｔ）の信号の振幅がほぼ０である場合は，可動部１０５が固着しているとして故障と判断できる。一方，梁１０４が破損するなどで可動部１０５の固有振動数が低下し，印加された加速度に対して可動部１０５が過剰に変位する感度スケール異常の場合は，バンドパスフィルタＢＰＦ１ｂを通過した診断信号の２倍の周波数（ｃｏｓ２ｗｔ）の信号の振幅が振幅基準値よりも大きくなるため，異常と判断することができる。【０１１６】
また，本実施例における加速度センサでは，図８に示すように，スイッチＳＷ１によって診断信号生成部５０３で生成した診断信号をオン／オフすることができる。これにより，以下に示す効果が得られる。例えば，本実施例１における加速度センサを設置している環境が，診断信号生成部５０３で生成した診断信号と同じ周波数帯の振動外乱を有している場合が想定される。この場合，スイッチＳＷ１を設けていない場合には，可動部１０５の強制振動が診断信号によるものであるのか，あるいは，振動外乱によるものであるのか判断がつかず誤診断する可能性がある。これに対し，本実施例１における加速度センサではスイッチＳＷ１を設けている。このため，このスイッチＳＷ１を周期的にオン／オフし，サンプルホールドなどの方法により平均化や，スイッチＳＷ１のオン時の出力（バンドパスフィルタＢＰＦ１ｂを通過した診断信号の２倍の周波数（ｃｏｓ２ｗｔ）の信号の振幅）とスイッチＳＷ１のオフ時の出力（バンドパスフィルタＢＰＦ１ｂを通過した診断信号の２倍の周波数（ｃｏｓ２ｗｔ）の信号の振幅））の差分値を使用して故障を判断するなどの統計的なデータ処理を実施することで，背景の振動外乱の影響を排除することができる。つまり，診断信号生成部５０３で生成した診断信号と同じ周波数帯の振動外乱によって可動部１０５が振動している場合は，スイッチＳＷ１のオン／オフにかかわらず，バンドパスフィルタＢＰＦ１ｂから所定の出力信号が出力される。一方，診断信号生成部５０３で生成する診断信号を可動部１０５に印加する場合，スイッチＳＷ１をオンにすると，バンドパスフィルタＢＰＦ１ｂから所定の出力信号が出力されるが，スイッチＳＷ１をオフにすると，バンドパスフィルタＢＰＦ１ｂからの出力は０となる。したがって，例えば，スイッチＳＷ１のオン時の出力とスイッチＳＷ１のオフ時の出力の差分値をとれば，可動部１０５の強制振動が診断信号によるものであるのか，あるいは，振動外乱によるものであるのかを区別することができる。これにより，診断信号と同じ周波数帯の振動外乱が存在する場合でも，誤診断の可能性を抑制することができる。【０１１７】
さらに，本実施例における加速度センサでは，図８に示すように，第一の加速度センサの異常の異常判定部５０４に第二の加速度センサの出力信号(加速度信号)５２２がセンサユニットの外部制御回路，もしくは外部導線を経由して接続されている。よって，第一の加速度センサで加速度信号を検出しながら，センサが設置された環境での雑音振動の有無を検知することができるため，診断信号と同じ周波数帯の振動外乱が診断一周期以下の時間だけ存在する場合に生じる異常判定部５０４でセンサを誤診断する可能性の有無を，常に検知することができる。【０１１８】
センサが設置された環境での雑音振動によって異常判定部５０４でセンサを誤診断する可能性がある場合は，異常判定部５０４での判定方法を変更すれば，振動雑音環境下で加速度を検出しながら診断を行なう場合であっても，誤診断を抑制した高信頼の加速度センサを提供することができる。具体的には，図９に示すように比較判断部の判定方法を定める。第二の加速センサの出力信号(加速度信号)５２２があらかじめ定めた電圧値以上の場合は，センサが設置された環境での雑音振動が存在するということであり，つまり比較判断部は誤診断を行う可能性が高いということであるから，判定信号５２１に異常判定信号を出力せずに，再比較判断を行う工程へ戻る。第二の加速センサの出力信号(加速度信号)５２２があらかじめ定めた電圧値より小さい場合は，通常の比較判断処理を行い，センサ異常の有無を判定する。【０１１９】
尚，本実施例１では第一の加速度センサより第二の加速度センサの方が，応答帯域が広い加速度センサであり，また，第一の加速度センサより第二の加速度センサの方が，感度範囲が広い加速度センサであるため，第二の加速度センサによってセンサが設置された環境での雑音振動を検出すると，より広い周波数帯域やより広い加速度範囲の振動雑音を検出できる。よって，雑音環境下で加速度を検出しながら診断を行なう場合であっても，誤診断を抑制し，さらに高信頼の加速度センサを提供することができる。【０１２０】
以上述べたように，本実施例によれば，第二のセンサを備えることにより誤診断を抑制できる慣性センサを提供することができる。また，第二のセンサの感度範囲を広くすることにより，より広い周波数帯域やより広い加速度範囲の振動雑音を検出できる。
【実施例２】
【０１２１】
第２の実施例におけるＭＥＭＳ慣性センサ（静電容量式センサ）について図面を参照しながら説明する。本実施例では，第一の慣性センサが加速度センサ，第二の慣性センサが角速度センサであるようなＭＥＭＳ慣性センサを例に挙げて説明する。【０１２２】
図１０は，半導体チップ７００に形成された第一の慣性センサである加速度センサを構成する構造体を示す平面図である。図１０に示すように，半導体チップ７００には，枠部７０１が形成されており，この枠部７０１に囲まれるように空洞部７０２が形成されている。空洞部７０２の内部には，固定部７０３が設けられており，この固定部７０３には，梁（弾性変形部）７０４が接続されている。そして，梁７０４は，加速度センサの錘となる可動部７０５と接続されている。つまり，固定部７０３と可動部７０５は弾性変形可能な梁７０４で接続されており，可動部７０５は，図１０のｘ方向に変位できるようになっている。【０１２３】
可動部７０５には，可動部７０５と一体に形成された検出用可動電極７０６ａが形成されており，この検出用可動電極７０６ａと対向するように，検出用固定電極７０６ｂおよび検出用固定電極７０６ｃが形成されている。この検出用可動電極７０６ａと検出用固定電極７０６ｂ，あるいは，検出用可動電極７０６ａと検出用固定電極７０６ｃは，それぞれ容量素子を形成しており，外部から印加された加速度によって可動部７０５がｘ方向に変位すると，上述した容量素子の容量が変化するようになっている。つまり，検出用可動電極７０６ａと検出用固定電極７０６ｂ，あるいは，検出用可動電極７０６ａと検出用固定電極７０６ｃから構成される容量素子は，可動部７０５のｘ方向の変位を容量変化として検出する容量検出部として機能する。【０１２４】
また，可動部７０５には，可動部７０５と一体に形成された診断用可動電極７０８ａが形成されており，この診断用可動電極７０８ａと対向するように，診断用固定電極７０８ｂおよび診断用固定電極７０８ｃが形成されている。診断用可動電極７０８ａと診断用固定電極７０８ｂ，あるいは，診断用可動電極７０８ａと診断用固定電極７０８ｃは，それぞれ容量素子を形成している。【０１２５】
この容量素子を形成している診断用可動電極７０８ａと診断用固定電極７０８ｂ，および，診断用可動電極７０８ａと診断用固定電極７０８ｃの間に周期的な診断信号を印加すると，診断用可動電極７０８ａと診断用固定電極７０８ｂの間，および，診断用可動電極７０８ａと診断用固定電極７０８ｃの間に静電気力が働き，診断用可動電極７０８ａが振動するようになっている。この診断用可動電極７０８ａがｘ方向に振動すると，診断用可動電極７０８ａと一体的に形成されている可動部７０５も振動することになる。つまり，診断用可動電極７０８ａと診断用固定電極７０８ｂ，あるいは，診断用可動電極７０８ａと診断用固定電極７０８ｃから構成される容量素子は，可動部７０５をｘ方向に強制振動させる強制振動生成部として機能する。【０１２６】
このように構成された加速度センサの構造体は，シリコンなどの半導体材料から構成されている。したがって，互いに梁７０４を介して接続されている固定部７０３と可動部７０５とは電気的に接続されており，可動部７０５に印加される電位は，固定部７０３に形成されている貫通電極７０７から供給されるように構成されている。一方，検出用固定電極７０６ｂおよび検出用固定電極７０６ｃにも，それぞれ貫通電極７０６ｄおよび貫通電極７０６ｅが形成されており，可動部７０５がｘ方向に変位することで生じる容量変化により，検出用固定電極７０６ｂや検出用固定電極７０６ｃに電荷が流入あるいは流出できるように構成されている。また，診断用固定電極７０８ｂおよび診断用固定電極７０８ｃにも，それぞれ貫通電極７０８ｄおよび貫通電極７０８ｅが形成されており，貫通電極７０８ｄや貫通電極７０８ｅから，診断用固定電極７０８ｂや診断用固定電極７０８ｃに診断信号を印加できるようになっている。【０１２７】
同時に，図１０に示すように，半導体チップ７００には第二の慣性センサである角速度センサも形成されている。以下に，まず角速度センサの構成を説明する。  
第一の慣性センサである加速度センサの枠部７０１と共通の枠部に囲まれるように空洞部７２２が形成され，その空洞部７２２の内部には，固定部７２３が設けられており，この固定部７２３には，梁（弾性変形部）７２４が接続されている。そして，梁７２４は，角速度センサの錘となる２つの励振素子である可動部７２５，７２６と接続されている。つまり，２つの励振素子である可動部７２５，７２６と固定部７２３は弾性変形可能な梁７２４で接続されており，励振素子である可動部７２５，７２６は，図１０のｘ方向にそれぞれ変位できるようになっている。また，励振素子である可動部７２５，７２６は互いの振動エネルギーを共有する音叉振動系をなすため，リンク梁７２７で接続されている。【０１２８】
励振素子である可動部７２５，７２６には，可動部７２５と一体に形成された駆動用可動電極７２８ａが形成されており，この駆動用可動電極７２８ａと対向するように，駆動用固定電極７２８ｂおよび駆動用固定電極７２８ｃが形成されている。互いに対抗することで容量素子を形成している駆動用可動電極７２８ａと駆動用固定電極７２８ｂの間にＶｃｏｍ＋Ｖｂ＋Ｖｄで表される周期的な駆動信号を印加し，駆動用可動電極７２８ａと駆動用固定電極７２８ｃの間にＶｃｏｍ＋Ｖｂ−Ｖｄで表される周期的な駆動信号を印加し，励振素子である可動部７２５，７２６には共通の貫通電極７３１を介してＶｃｏｍを印加することで，駆動用可動電極７２８ａと駆動用固定電極７２８ｂ，および，駆動用可動電極７２８ａと駆動用固定電極７２８ｃの間に静電気力が働き，駆動用可動電極７２８ａが振動するようになっている。【０１２９】
この駆動用可動電極７２８ａがｘ方向に振動すると，駆動用可動電極７２８ａと一体的に形成されている励振素子である可動部７２５，７２６が逆相振動することになる。つまり，駆動用可動電極７２８ａと駆動用固定電極７２８ｂ，あるいは，駆動用可動電極７２８ａと駆動用固定電極７２８ｃから構成される容量素子は，励振素子である可動部７２５，７２６をｘ方向に逆相に強制振動させる強制振動生成部として機能する。【０１３０】
また，励振素子である可動部７２５，７２６には，可動部７２５，７２６と一体に形成された駆動振幅モニタ用可動電極７２９ａが形成されており，この駆動振幅モニタ用可動電極７２９ａと対向するように，駆動振幅モニタ用固定電極７２９ｂおよび駆動振幅モニタ用固定電極７２９ｃが形成されている。この駆動振幅モニタ用可動電極７２９ａと駆動振幅モニタ用固定電極７２９ｂ，あるいは，駆動振幅モニタ用可動電極７２９ａと駆動振幅モニタ用固定電極７２９ｃは，それぞれ容量素子を形成しており，駆動用可動電極７２８ａと駆動用固定電極７２８ｂ，および，駆動用可動電極７２８ａと駆動用固定電極７２８ｃの間に働く静電気力によって励振素子である可動部７２５，７２６がｘ方向に変位すると，上述した容量素子の容量が変化するようになっている。つまり，駆動振幅モニタ用可動電極７２９ａと駆動振幅モニタ用固定電極７２９ｂ，あるいは，駆動振幅モニタ用可動電極７２９ａと駆動振幅モニタ用固定電極７２９ｃから構成される容量素子は，励振素子である可動部７２５，７２６のｘ方向の変位を容量変化として検出する容量検出部として機能する。【０１３１】
また，励振素子である可動部７２５，７２６を接続するリンク梁７２７には，リンク梁７２７と一体に形成された加速度モニタ用可動電極７３０ａが形成されており，この加速度モニタ用可動電極７３０ａと対向するように，加速度モニタ用固定電極７３０ｂおよび加速度モニタ用固定電極７３０ｃが形成されている。この加速度モニタ用可動電極７３０ａと加速度モニタ用固定電極７３０ｂ，あるいは，加速度モニタ用可動電極７３０ａと加速度モニタ用固定電極７３０ｃは，それぞれ容量素子を形成しており，外部から印加された加速度によって可動部７２５，７２６およびリンク梁７２７がｘ方向に変位すると，上述した容量素子の容量が変化するようになっている。つまり，加速度モニタ用可動電極７３０ａと加速度モニタ用固定電極７３０ｂ，あるいは，加速度モニタ用可動電極７３０ａと加速度モニタ用固定電極７３０ｃから構成される容量素子は，可動部７２５，７２６およびリンク梁７２７のｘ方向の変位を容量変化として検出する容量検出部として機能する。【０１３２】
このように半導体チップ７００の上に一体化形成された加速度センサ，および，角速度センサの構造体は，シリコンなどの半導体材料から構成されている。【０１３３】
したがって，加速度センサ構造については，互いに梁７０４を介して接続されている固定部７０３と可動部７０５とは電気的に接続されており，可動部７０５に印加される電位は，固定部７０３に形成されておりシリコンなどの半導体材料の裏面配線と接続されている貫通電極７０７から供給されるように構成されている。一方，検出用固定電極７０６ｂおよび検出用固定電極７０６ｃにも，それぞれ貫通電極７０６ｄおよび貫通電極７０６ｅが形成されており，可動部７０５がｘ方向に変位することで生じる容量変化により，検出用固定電極７０６ｂや検出用固定電極７０６ｃに電荷が流入あるいは流出できるように構成されている。【０１３４】
同様に，角速度センサ構造についても，互いに梁７２４を介して接続されている固定部７２３と励振素子である可動部７２５，７２６とは電気的に接続されており，可動部７２５，７２６に印加される電位は，固定部７２３に形成されておりシリコンなどの半導体材料の裏面配線と接続されている貫通電極７３１から供給されるように構成されている。また，駆動用固定電極７２８ｂにも，シリコンなどの半導体材料の裏面配線と接続されている貫通電極７２８ｄが形成されており，容量素子を形成している駆動用可動電極７２８ａと駆動用固定電極７２８ｂの間にＶｃｏｍ＋Ｖｂ＋Ｖｄで表される周期的な駆動信号を印加できるように構成されている。また，駆動用固定電極７２８ｃにも，シリコンなどの半導体材料の裏面配線と接続されている貫通電極７２８ｅが形成されており，容量素子を形成している駆動用可動電極７２８ａと駆動用固定電極７２８ｃの間にＶｃｏｍ＋Ｖｂ−Ｖｄで表される周期的な駆動信号を印加できるように構成されている。また，駆動振幅モニタ用固定電極７２９ｂおよび駆動振幅モニタ用固定電極７２９ｃにも，それぞれシリコンなどの半導体材料の裏面配線と接続されている貫通電極７２９ｄおよび貫通電極７２９ｅが形成されており，励振素子である可動部７２５，７２６がｘ方向に変位することで生じる容量変化により，駆動振幅モニタ用固定電極７２９ｂや駆動振幅モニタ用固定電極７２９ｃに電荷が流入あるいは流出できるように構成されている。また，加速度モニタ用固定電極７３０ｂにも，シリコンなどの半導体材料の裏面配線と接続されている貫通電極７３０ｄが形成されており，可動部７２５，７２６およびリンク梁７２７のｘ方向に変位することで生じる容量変化により，加速度モニタ用固定電極７３０ｂに電荷が流入あるいは流出できるように構成されている。【０１３５】
図１１は，図１０のＣ−Ｃ’線で切断した断面図である。図１１に示すように，半導体チップ７００は，支持基板層７１０上に絶縁酸化膜層７１１が形成され，この絶縁酸化膜層７１１上に形成されたシリコン活性層７１２を有している。つまり，本実施例２で，第一の慣性センサである加速度センサを構成する半導体チップ７００はＳＯＩ(Silicon On Insulator)基板から構成されている。そして，図１１に示されている枠部７０１，固定部７０３，可動部７０５と一体的に形成された検出用可動電極７０６ａ，検出用固定電極７０６ｂ，および，検出用固定電極７０６ｃと，図１１に示されていない梁７０４，診断用可動電極７０８ａ，診断用固定電極７０８ｂ，および，診断用固定電極７０８ｃは，ＳＯＩ基板のシリコン活性層を加工して形成されている。【０１３６】
例えば，図１１において，枠部７０１と固定部７０３は絶縁酸化膜層７１１上に形成されており固定されていることがわかる。一方，例えば，可動部７０５と一体的に形成された検出用可動電極７０６ａもシリコン活性層から形成されているが，可動部７０５の下層に形成されている絶縁酸化膜層７１１は除去されている。同様に，図１１に示されていない梁７０４の下層に形成されている絶縁酸化膜層も除去されている。したがって，可動部７０５は，空洞部の中に配置され，かつ，梁７０４によって支持されていることになる。このことから，可動部７０５は支持基板層７１０に対して完全に固定されてはおらず，変位可能に形成されている。【０１３７】
また，固定部７０３に形成された貫通電極７０７は，支持基板層７１０上と絶縁酸化膜層７１１とシリコン活性層７１２を貫通するように構成され，支持基板層７１０の裏側に形成されたパッド７１５と接続されている。支持基板層７１０上と絶縁酸化膜層７１１とシリコン活性層７１２と，貫通電極材料７１３との間には，互いを電気的に絶縁するための絶縁材料７１４が形成されており，かつ，ＳＯＩ基板を構成するシリコン活性層７１２は導電性の材料であるため，固定部７０３に接続されている可動体７０５の電位は，貫通電極７０７を介して接続されているパッド７１５と同電位となる。尚，図１０には示されているが図１１に示されていない全ての貫通電極７０６ｄ，７０６ｅ，７０８ｄ，７０８ｅは，貫通電極７０７と同様に支持基板層７１０上と絶縁酸化膜層７１１とシリコン活性層７１２を貫通するように構成され，支持基板層７１０の裏側に形成された互いに電気的に絶縁されたパッドに接続している。【０１３８】
図１２は，図１０のＤ−Ｄ’線で切断した断面図である。尚，本実施例２で，第二の慣性センサである角速度センサを構成する半導体チップ７００は，図１１に示した第一の慣性センサである加速度センサの構成されるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板と一体化したＳＯＩ基板から構成されている。【０１３９】
図１２に示されている枠部７０１，固定部７２３，梁７２４，励振素子である可動部７２５，７２６，リンク梁と一体的に形成された加速度モニタ用可動電極７３０ａ，加速度モニタ用固定電極７３０ｂ，および図１２に示されていないリンク梁７２７，駆動用可動電極７２８ａ，駆動用固定電極７２８ｂおよび７２８ｃ，駆動振幅モニタ用可動電極７２９ａ，駆動振幅モニタ用固定電極７２９ｂおよび７２９ｃは，ＳＯＩ基板のシリコン活性層を加工して形成されている。したがって，励振素子である可動部７２５，７２６は，空洞部の中に配置され，かつ，梁７２４によって支持されていることになる。このことから，可動部７２５，７２６は支持基板層７１０に対して完全に固定されてはおらず，変位可能に形成されている。また，固定部７２３に形成された貫通電極７３１は，支持基板層７１０上と絶縁酸化膜層７１１とシリコン活性層７１２を貫通するように構成され，支持基板層７１０の裏側に形成されたパッド７１６と接続されている。支持基板層７１０上と絶縁酸化膜層７１１とシリコン活性層７１２と，貫通電極材料７１３との間には，互いを電気的に絶縁するための絶縁材料７１４が形成されており，かつ，ＳＯＩ基板を構成するシリコン活性層７１２は導電性の材料であるため，固定部７２３に接続されている励振素子である可動部７２５，７２６やリンク梁７２７の電位は，貫通電極７３１を介して接続されているパッド７１６と同電位となる。【０１４０】
尚，図１０には示されているが図１２に示されていない全ての貫通電極７２８ｄ，７２８ｅ，７２９ｄ，７２９ｅ，７３０ｄ，７３０ｅは，貫通電極７３１と同様に支持基板層７１０上と絶縁酸化膜層７１１とシリコン活性層７１２を貫通するように構成され，支持基板層７１０の裏側に形成された互いに電気的に絶縁されたパッドに接続している。【０１４１】
本実施例２における第一の慣性センサである加速度センサ，および第二の慣性センサである角速度センサは，例えば，ＳＯＩ基板をフォトリソグラフィ技術とＤＲＩＥ（Ｄｅｅｐ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いて加工することで形成する場合を想定している。もちろん，本実施例２では，ＳＯＩ基板を使用して加速度センサ，および角速度センサを製造する例を説明しているだけであって，本実施例２における概念は，ガラス・シリコン・ガラスの接合技術などを使用して，シリコン基板の表面と裏面の両方を加工することで加速度センサ（ＭＥＭＳ構造体）を形成する（バルクＭＥＭＳプロセス）場合にも適用することができる。さらに，予めトランジスタなどの信号処理回路が形成されているシリコン基板の表面に薄膜を堆積し，堆積した薄膜をパターニングすることを繰り返すことで加速度センサ（ＭＥＭＳ構造体）を形成する（表面ＭＥＭＳプロセス）場合にも適用することができる。【０１４２】
本実施例２における第一の慣性センサである加速度センサ（ＭＥＭＳ構造体），および第二の慣性センサである角速度センサ（ＭＥＭＳ構造体）を形成した半導体チップ７００は上記のように構成されており，以下に，この半導体チップ７００を実装する構成例について説明する。本実施例２では，加速度センサ（ＭＥＭＳ構造体）および角速度センサ（ＭＥＭＳ構造体）と，この加速度センサおよび角速度センサからの出力信号を信号処理するＬＳＩとを別々の半導体チップに形成する例について説明するが，これに限らず，加速度センサおよび角速度センサを構成するＭＥＭＳ構造体と，信号処理回路を構成するトランジスタとを同一の半導体チップに形成する場合にも適用することができる。【０１４３】
図１３は，本実施例２における第一の慣性センサである加速度センサ，および第二の慣性センサである角速度センサの実装構成例を示す断面図である。図１３に示すように，凹部を有する外枠体８００の底部には，接着剤８０１を介して半導体チップ８０２が搭載されている。外枠体８００は，例えば，セラミックから構成されている。半導体チップ８０２には，通常の半導体製造技術により，トランジスタや受動素子からなる集積回路が形成されている。この半導体チップ８０２に形成されている集積回路は，加速度センサおよび角速度センサ（ＭＥＭＳ構造体）からの出力信号を信号処理する機能を有しており，最終的に加速度信号および角速度信号を出力する回路である。【０１４４】
この半導体チップ８０２上には，接着剤８０３を介し，キャップ８０９で半導体チップ７００に形成された加速度センサ，および角速度センサを覆い，外部の雰囲気から密閉保護したＭＥＭＳチップ８１０が搭載されている。キャップ８０９は，たとえば，ガラス基板から形成されており，ＳＯＩ基板から形成される半導体チップ７００と陽極接合によって接合されている。キャップ８０９は，加速度センサ，および角速度センサを構成するＭＥＭＳ構造体の可動部分が動作できるように空間を備えたものである。また，キャップ８０９に形成された溝もしくは突起によって，キャップ８０９と半導体チップ７００によって形成される加速度センサを構成するＭＥＭＳ構造体が設置される空間と，キャップ８０９と半導体チップ７００によって形成される角速度センサを構成するＭＥＭＳ構造体が設置される空間は，分離されている。つまり，加速度センサを構成するＭＥＭＳ構造体が設置される空間と，角速度センサを構成するＭＥＭＳ構造体が設置される空間とは，異なる圧力となる。また，ＭＥＭＳ構造体の動作する空間の経時的な圧力変化を抑制する目的で，キャップ８０９と半導体チップ７００によって形成されるＭＥＭＳ構造体が設置される空間内には，ガス吸収剤もしくはガス発生剤を設置しても良い。【０１４５】
この半導体チップ７００は，図１０で説明した第一の慣性センサである加速度センサ，および第二の慣性センサである角速度センサを構成するＭＥＭＳ構造体が形成されている半導体チップである。この半導体チップ７００に形成されているパッドと，半導体チップ８０２に形成されているパッド８０４は，例えば，ワイヤ８０５ａで接続されている。さらに，半導体チップ８０２に形成されているパッド８０４は，外枠体８００に形成されている端子８０６とワイヤ８０５ｂで接続され，外枠体の外部につながる端子８０７へと電気的に接続されている。そして，外枠体８００内に積層して配置された半導体チップ７００と半導体チップ８０２は，外枠体８００の上部をリッド８０８で封止することにより密閉される。【０１４６】
このようにして，本実施例２における第一の慣性センサである加速度センサ，および第二の慣性センサである角速度センサが実装構成されている。【０１４７】
図１３示す加速度センサおよび角速度センサを備えた慣性センサによれば，半導体チップ７００で検出した信号を半導体チップ８０２に入力することができる。その後，半導体チップ８０２に入力された信号は，半導体チップ８０２内に形成されている集積回路で信号処理され，最終的に加速度に対応した加速度信号および角速度信号が出力される。半導体チップ８０２から出力された加速度信号は，ワイヤ８０５ａ，およびワイヤ８０５ｂを介して外枠体８００に形成された端子８０７に出力され，外部へと取り出すことが可能になっている。【０１４８】
続いて，本実施例２における加速度センサと角速度センサの基本的な動作原理について説明する。【０１４９】
図１０に示すように，本実施例２における第一の慣性センサである加速度センサは，ｘ方向に変位することができる可動部７０５を有している。例えば，この可動部７０５はｘ方向に加速度が印加されると，ｘ方向に変位する。可動部７０５が変位すると，検出用可動電極７０６ａと検出用固定電極７０６ｂ，あるいは，検出用可動電極７０６ａと検出用固定電極７０６ｃからなる容量素子の電極間距離が変化し，その結果，容量素子の静電容量が変化する。この容量変化は，電圧変換部で電圧信号に変換され，変換された電気信号に基づいて加速度信号が加速度センサから出力される。【０１５０】
また，図１０に示すように，本実施例２における第二の慣性センサである角速度センサは，ｘ方向に変位することができる励振素子である可動部７２５，７２６と，可動部７２５，７２６を接続するリンク梁７２７を有している。励振素子である可動部７２５，７２６は，駆動用電極対７２８ａと７２８ｂ，および駆動用電極対７２８ａと７２８ｃを有している。互いに対抗することで容量素子を形成している駆動用可動電極７２８ａと駆動用固定電極７２８ｂの間にＶｃｏｍ＋Ｖｂ＋Ｖｄで表される周期的な駆動信号を印加し，駆動用可動電極７２８ａと駆動用固定電極７２８ｃの間にＶｃｏｍ＋Ｖｂ−Ｖｄで表される周期的な駆動信号を印加し，励振素子である可動部７２５，７２６には共通の貫通電極７３１を介してＶｃｏｍを印加することで，駆動用可動電極７２８ａと駆動用固定電極７２８ｂ，および，駆動用可動電極７２８ａと駆動用固定電極７２８ｃの間に静電気力が働き，駆動用可動電極７２８ａが周期的に振動する。つまり，駆動用可動電極７２８ａと一体的に形成された励振素子である可動部７２５，７２６も互いに逆相に周期的に振動する。尚，励振素子である可動部７２５，７２６と一体的に形成された駆動振幅モニタ用可動電極７２９ａと，この駆動振幅モニタ用可動電極７２９ａと対向するように形成された駆動振幅モニタ用固定電極７２９ｂおよび駆動振幅モニタ用固定電極７２９ｃとによって形成された容量素子の変化量を検出することで，励振素子である可動部７２５，７２６の周期的振動の振幅と角振動数を検出することができる。これによって，角速度センサの動作中は，可動部７２５，７２６の周期的な振動は常に一定の振幅を保つように半導体チップ８０２の演算回路内で制御されている。また，角速度センサの動作中は，可動部７２５，７２６の周期的な振動は常に一定の角振動数を保つように半導体チップ８０２の演算回路内で制御されている。【０１５１】
尚，半導体チップ７００に対して印加されるｚ軸を回転軸とした角速度の大きさをΩ（ｄｅｇ／ｓ），励振素子である可動部７２５，７２６の質量をｍ（ｋｇ），可動部の周期的な振動の角周波数をωｘ（ｒａｄ／ｓ），可動部の周期的な振動の振幅をＸ（ｍ）とすると，時刻ｔ（ｓ）における半導体チップ７００に形成された角速度センサに働くコリオリ力Ｆｃは，以下に示す式（１０）で表される。【０１５２】
【数１０】
0005492302.tif 000011
【０１５３】
角速度センサでは式（１０）に従って発生するコリオリ力Ｆｃを演算によって算出しているため，励振素子の質量ｍは変化しないことを考慮すると，周期的な振動の角周波数ωｘと，振動振幅Ｘが大きいほうが，同じ角速度Ωが印加された場合に得られるコリオリ力Ｆｃが大きくなる。よって，励振素子の強制振動の角周波数は高く，なおかつ強制振動の振幅を大きく設定することが望ましいため，この強制振動の角周波数は励振素子の共振現象を利用し，Ｑ値（機械品質係数）を利用した共振振幅を利用する場合が多い。但し，励振素子の固有振動数を高く設定すると変位ｘ方向の剛性定数も高くなるため，所望の振幅を得るために駆動用電極対に印加する駆動電圧が高くなる。よって，エネルギー消費と，大きなコリオリ力Ｆｃを得るという２つの観点を考慮し，励振素子の共振現象を利用した強制振動の周波数（角周波数に２πを乗算したもの）は３ｋＨｚから２０ｋＨｚに設定する場合が多い。つまり，角速度センサの励振素子の固有振動数は３ｋＨｚから２０ｋＨｚに設定される場合が多いということである。【０１５４】
実施例２における第一の慣性センサである加速度センサと第二の慣性センサである角速度センサの機械的な周波数応答をグラフに示すと，例えば図１４のように表せる。これは，センサに印加される加速度の変動周波数を徐々に大きくしていく場合に，第一のセンサではｆｃ１（Ｈｚ）までＭＥＭＳが機械的に動作して変位することを意味し，第二のセンサではｆｃ２（Ｈｚ）までＭＥＭＳが機械的に動作し変位することを意味する。つまり，本実施例２においては，第一の慣性センサである加速度センサより第二の慣性センサである角速度センサの方が，応答帯域が広い加速度センサであると言える。【０１５５】
図１５は，本実施例１における加速度センサの構成を示す図である。  
図１５に示すように，本実施例２における第一の慣性センサである加速度センサと第二の慣性センサである角速度センサは，半導体チップ７００と半導体チップ８０２とを有しており，半導体チップ７００にＭＥＭＳ構造体が形成され，半導体チップ８０２に信号処理回路が形成されている。【０１５６】
まず，第一の慣性センサである加速度センサの信号処理回路の構成と動作について説明する。図１５には，半導体チップ７００に形成されている加速度センサのＭＥＭＳ構造体の可動部７０５が図示されており，この可動部７０５と変調信号生成部９０１との間に容量検出部である容量素子Ｃ１が形成されている。この容量素子Ｃ１は，検出用可動電極７０６ａと検出用固定電極７０６ｂから形成されている。また，可動部７０５と変調信号生成部の間に容量素子Ｃ２が形成されている。この容量素子Ｃ２は，検出用可動電極７０６ａと検出用固定電極７０６ｃから構成されている。【０１５７】
続いて，半導体チップ８０２に形成されている信号処理回路の構成について説明する。図１５において，半導体チップ８０２には，変調信号（搬送波）を生成する変調信号生成部９０１が形成されている。この変調信号生成部９０１は，例えば，数百ｋＨｚの変調信号を生成できるように構成されている。変調信号生成部９０１で生成された変調信号にはバイアス電圧が印加されて検出用固定電極７０６ｂに印加されるように構成されている。また，変調信号生成部９０１で生成された変調信号の位相を１８０度変換した信号にバイアス電圧が印加されて検出用固定電極７０６ｃに印加されるように構成されている。これにより，可動部７０５は，数百ｋＨｚの変調信号によって振動することになる。【０１５８】
次に，半導体チップ８０２には物理量算出部９０２が形成されている。この物理量算出部９０２には，容量電圧変換部１（Ｃ−Ｖ変換部１），Ａ／Ｄ変換部１，第１同期検波部１ａ，ローパスフィルタＬＰＦ１を有している。容量電圧変換部１は，容量素子Ｃ１の容量変化を電圧信号に変換するオペアンプより構成されている。続いて，Ａ／Ｄ変換部１は，容量電圧変換部１から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するように構成されており，第１同期検波部１ａは，搬送波によって高周波信号に変換された信号から元の低い周波数の信号を復元するように構成されている。また，ローパスフィルタＬＰＦ１は，高い周波数の信号を減衰させ，低い周波数の信号を通過させるように構成されており，ローパスフィルタＬＰＦ１を通過した信号から加速度信号を算出するように構成されている。【０１５９】
次に，本実施例２における第一の慣性センサである加速度センサで，加速度を検出する動作について説明する。【０１６０】
まず，変調信号生成部９０１で生成した数百ｋＨｚ（搬送波周波数）の変調信号を検出用固定電極７０６ｂに，変調信号生成部９０１で生成された変調信号の位相を１８０度変換した信号を検出用固定電極７０６ｃに印加する。すると，可動部７０５は，搬送波周波数（数百ｋＨｚ）で振動する。この振動はとても速いので，この振動による容量素子Ｃ１および容量素子Ｃ２の容量変化はないものとみなせる。この状態で，外部から加速度が印加されると，可動部７０５が変位する。例えば，可動部７０５が図１５の上側に変位する場合，容量素子Ｃ１では，検出用可動電極７０６ａと検出用固定電極７０６ｂの間の距離が狭くなるので，容量素子Ｃ１の容量が大きくなる。一方，容量素子Ｃ２では，検出用可動電極７０６ａと検出用固定電極７０６ｃの間の距離が大きくなるので，容量素子Ｃ２の容量が小さくなる。この容量素子Ｃ１の容量変化と，容量素子Ｃ２の容量変化は，外部から印加された加速度に対応する外力応答周波数（ＤＣ〜数十Ｈｚ）の変化となる。ただし，今の場合，可動部７０５には，変調信号が印加されているので，外力応答周波数（ＤＣ〜数十Ｈｚ）の容量変化は，搬送波周波数（数百ｋＨｚ）に重畳される。【０１６１】
その後，この容量素子Ｃ１での容量変化と変調信号の振幅に基づき，容量電圧変換部１にて容量変化を電圧に変換した電圧信号が出力される。この容量電圧変換部１から出力される電圧信号（アナログ信号）は，搬送波周波数（数百ｋＨｚ）に外力応答周波数（ＤＣ〜数十Ｈｚ）の電圧信号が重畳されたものとなる。【０１６２】
次に，容量電圧変換部１から出力された電圧信号（搬送波周波数（数百ｋＨｚ）に外力応答周波数（ＤＣ〜数十Ｈｚ）の電圧信号が重畳された電圧信号）は，Ａ／Ｄ変換部１に入力され，Ａ／Ｄ変換部１でデジタル信号に変換される。そして，デジタル信号に変換された電圧信号は，第１同期検波部１ａに入力する。【０１６３】
第１同期検波部１ａでは，変調信号の周波数と位相を使用して同期検波を実施する。すなわち，第１同期検波部１ａでは，搬送波周波数（数百ｋＨｚ）に外力応答周波数（ＤＣ〜数十Ｈｚ）の電圧信号が重畳された電圧信号（デジタル信号）から，外力応答周波数（ＤＣ〜数十Ｈｚ）の電圧信号が復元される。その後，復元された電圧信号をローパスフィルタＬＰＦ１に入力して，必要とする信号以外の高周波成分を減衰させる。そして，ローパスフィルタＬＰＦ１から出力された電圧信号（ＤＣ〜数十Ｈｚ）に基づいて，加速度信号９０６を算出して出力する。以上のようにして，本実施例１における加速度センサにより加速度を検出することができる。【０１６４】
次に，実施例２において第二の慣性センサである角速度センサの信号処理回路の構成と動作について，本実施例に関連する箇所のみを抜粋して説明する。  
図１５には，半導体チップ７００に形成されている角速度センサのＭＥＭＳ構造体の可動部７２５と７２６が図示されている。  
可動部７２５と駆動信号生成部９１０との間に駆動部である容量素子Ｃ６が形成されている。この容量素子Ｃ６は，駆動用可動電極７２８ａと駆動用固定電極７２８ｂから形成されている。可動部７２５と駆動信号生成部９１０の間に容量素子Ｃ７が形成されている。この容量素子Ｃ７は，駆動用可動電極７２８ａと駆動用固定電極７２８ｃから構成されている。また，可動部７２６と駆動信号生成部９１０との間に駆動部である容量素子Ｃ６’が形成されている。この容量素子Ｃ６’は，駆動用可動電極７２８ａと駆動用固定電極７２８ｂから形成されている。可動部７２６と駆動信号生成部９１０の間に容量素子Ｃ７’が形成されている。この容量素子Ｃ７’は，駆動用可動電極７２８ａと駆動用固定電極７２８ｃから構成されている。また，可動部７２５と演算部９１２との間に容量検出部である容量素子Ｃ８が形成されている。この容量素子Ｃ８は，駆動振幅モニタ用可動電極７２９ａと駆動振幅モニタ用固定電極７２９ｂから形成されている。可動部７２５と演算部の間に容量素子Ｃ９が形成されている。この容量素子Ｃ９は，駆動振幅モニタ用可動電極７２９ａと駆動振幅モニタ用固定電極７２９ｃから構成されている。また，可動部７２６と演算部９１２との間に容量検出部である容量素子Ｃ８’が形成されている。この容量素子Ｃ８’は，駆動振幅モニタ用可動電極７２９ａと駆動振幅モニタ用固定電極７２９ｂから形成されている。可動部７２６と演算部の間に容量素子Ｃ９’が形成されている。この容量素子Ｃ９’は，駆動振幅モニタ用可動電極７２９ａと駆動振幅モニタ用固定電極７２９ｃから構成されている。また，可動部７２５と可動部７２６を接続するリンク梁７２７と物理量算出部９１３との間に容量検出部である容量素子Ｃ１０が形成されている。この容量素子Ｃ１０は，加速度モニタ用可動電極７３０ａと加速度モニタ用固定電極７３０ｂから構成されている。また，リンク梁７２７と物理量算出部９１３の間に容量素子Ｃ１１が形成されている。この容量素子Ｃ１１は，加速度モニタ用可動電極７３０ａと加速度モニタ用固定電極７３０ｃから構成されている。【０１６５】
続いて，半導体チップ８０２に形成されている信号処理回路の構成について説明する。
図１５において，半導体チップ８０２には，駆動信号を生成する駆動信号生成部９１０が形成されている。この駆動信号生成部９１０は，例えば，数十ｋＨｚの駆動信号を生成できるように構成されている。駆動信号生成部９１０で生成された駆動信号にはバイアス電圧が印加されて駆動用固定電極７２８ｃに印加されるように構成されている。また，駆動信号生成部９１０で生成された駆動信号の位相を１８０度変換した信号にバイアス電圧が印加されて駆動用固定電極７２８ｂに印加されるように構成されている。これにより，励振素子である可動部７２５，７２６は，数十ｋＨｚの駆動信号によって逆相に振動することになる。【０１６６】
次に，半導体チップ８０２には，変調信号（搬送波）を生成する変調信号生成部９１１が形成されている。この変調信号生成部９１１は，例えば，数百ｋＨｚの変調信号を生成できるように構成されている。変調信号生成部９１１で生成された変調信号にはバイアス電圧が印加されて励振素子である可動部７２５，７２６，リンク梁７２７に印加されるように構成されている。これにより，可動部７２５，７２６，リンク梁７２７は，数百ｋＨｚの変調信号によって振動することになる。【０１６７】
次に，半導体チップ８０２には演算部９１２が形成されている。この演算部９１２は駆動振幅モニタ用固定電極７２９ｂおよび７２９ｃに接続され，励振素子である可動部７２５，７２６の強制振動振幅に対応する容量変化を検出するように構成されている。この演算部９１２では，駆動振幅モニタ用固定電極７２９ｂおよび７２９ｃより得られる可動部７２６の強制振動振幅に対応する容量変化を元に，可動部７２５，７２６の周期的な振動の振幅を常に一定に保つよう制御している。また，この演算部９１２では，駆動振幅モニタ用固定電極７２９ｂおよび７２９ｃより得られる可動部７２６の強制振動振幅に対応する容量変化を元に，可動部７２５，７２６の周期的な振動の角振動数を常に一定に保つように制御している。符号９１４は角速度信号である。【０１６８】
また，半導体チップ８０２には物理量算出部９１３が形成されている。この物理量算出部９１３は加速度モニタ用固定電極７３０ｂおよび７３０ｃに接続され，励振素子である可動部７２５，７２６が外部から加速度を印加されてｘ方向に変位したときの加速度に対応して生じる容量変化を検出するように構成されている。この物理量算出部９１３には，容量電圧変換部２（Ｃ−Ｖ変換部２），Ａ／Ｄ変換部２，同期検波部２を有している。容量電圧変換部２は，容量素子Ｃ１０とＣ１１の容量変化を電圧信号に変換するオペアンプより構成されている。続いて，Ａ／Ｄ変換部２は，容量電圧変換部２から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するように構成されており，同期検波部２は，搬送波によって高周波信号に変換された信号から元の低い周波数の信号を復元するように構成されている。【０１６９】
次に，実施例２における第二の慣性センサである角速度センサによって，加速度を検出する動作について説明する。  
まず，変調信号生成部９１１で生成した数百ｋＨｚ（搬送波周波数）の変調信号を励振素子である可動部７２５，７２６，およびリンク梁７２７に印加する。すると，励振素子である可動部７２５，７２６，およびリンク梁７２７は，搬送波周波数（数百ｋＨｚ）で振動する。この状態で，外部から半導体チップ７００に加速度が印加されると，可動部励振素子である可動部７２５，７２６，およびリンク梁７２７が，一体となって変位する。このとき，例えば，可動部７２５，７２６，およびリンク梁７２７が図１５の左側に変位する場合，容量素子Ｃ１０では，加速度モニタ用可動電極７３０ａと加速度モニタ用固定電極７３０ｂの間の距離が狭くなるので，容量素子Ｃ１０の容量が大きくなる。一方，容量素子Ｃ１１では，加速度モニタ用可動電極７３０ａと加速度モニタ用固定電極７３０ｃの間の距離が大きくなるので，容量素子Ｃ１１の容量が小さくなる。この容量素子Ｃ１０の容量変化と，容量素子Ｃ１１の容量変化は，外部から印加された加速度に対応する変化となり，搬送波周波数（数百ｋＨｚ）に重畳される。【０１７０】
その後，この容量素子Ｃ１０と容量素子Ｃ１１での容量変化と変調信号の振幅に基づき，容量電圧変換部２にて容量変化を電圧に変換した電圧信号が出力される。この容量電圧変換部２から出力される電圧信号（アナログ信号）は，搬送波周波数（数百ｋＨｚ）に外力応答周波数（ＤＣ〜数ｋＨｚ）の電圧信号が重畳されたものとなる。【０１７１】
次に，容量電圧変換部２から出力された電圧信号（搬送波周波数（数百ｋＨｚ）に外力応答周波数（ＤＣ〜数ｋＨｚ）の電圧信号が重畳された電圧信号）は，Ａ／Ｄ変換部２に入力され，Ａ／Ｄ変換部２でデジタル信号に変換される。そして，デジタル信号に変換された電圧信号は，同期検波部２に入力する。【０１７２】
同期検波部２では，変調信号の周波数と位相を使用して同期検波を実施する。すなわち，同期検波部２では，搬送波周波数（数百ｋＨｚ）に外力応答周波数（ＤＣ〜数ｋＨｚ）の電圧信号が重畳された電圧信号（デジタル信号）から，外力応答周波数（ＤＣ〜数ｋＨｚ）の電圧信号が復元される。その後，復元された電圧信号に基づいて，加速度信号９１５を算出して，第一の慣性センサである加速度センサの比較判断部に接続する。【０１７３】
上述した第一の慣性センサである加速度センサは，例えば，車の横滑りやスピンを抑制して安全な走行を支援する姿勢制御システムにキーデバイスとして使用される。この姿勢制御システムでは，加速度センサからの出力を元にエンジンの出力やブレーキの制動力を制御することで車の横滑りやスピンを抑制している。このことから，加速度センサの故障は事故に繋がる可能性が高く，加速度センサの故障時にはすぐに知らせる必要がある。【０１７４】
そこで，加速度センサを動作させながら故障の有無を診断できることが，直ぐに故障を検知する観点から望ましいことになる。したがって，加速度センサには，動作させながら故障の有無を診断する機能が備わっているものがある。本実施例２における加速度センサは，動作させながら故障の有無を診断することができる加速度センサであり，以下に，加速度を検出しながら加速度センサの故障の有無を判断する常時診断機能を有する第一の慣性センサである加速度センサの構成について説明する。【０１７５】
図１５において，半導体チップ７００に形成されている第一の慣性センサである加速度センサのＭＥＭＳ構造体の可動部７０５が図示されており，この可動部７０５と診断信号生成部９０３との間に強制振動生成部である容量素子Ｃ３，および容量素子Ｃ４が形成されている。この容量素子Ｃ３は，診断用可動電極７０８ａと診断用固定電極７０８ｂから形成されている。容量素子Ｃ４は，診断用可動電極７０８ａと診断用固定電極７０８ｃから構成されている。なお，診断信号生成部自体は公知である。【０１７６】
続いて，半導体チップ８０２には，診断信号を生成する診断信号生成部９０３と異常判定部９０４が形成されている。この診断信号生成部９０３は，例えば，数百Ｈｚの診断信号を生成できるように構成されている。この診断信号は，例えば，矩形波，正弦波，三角波などから構成されている。診断信号生成部９０３で生成された診断信号にはバイアス電圧が印加されて容量素子Ｃ３および容量素子Ｃ４に印加されるように構成されている。また，異常判定部９０４は，半導体チップ８０２に形成されている物理量算出部９０２を介して可動体７０５と接続されている。【０１７７】
このように構成されている加速度センサにおいて，診断信号生成部９０３で生成した診断信号は，互いに逆相である２つの信号として，それぞれ，診断用固定電極７０８ｂと診断用固定電極７０８ｃに印加される。これにより，診断用可動電極７０８ａと診断用固定電極７０８ｂの間と，診断用可動電極７０８ａと診断用固定電極７０８ｃとの間に静電力が働き，可動部７０５を強制振動させることができる。可動部７０５が強制振動すれば，可動部７０５が変位し，容量検出部を構成する容量素子Ｃ１と容量素子Ｃ２とに容量変化が生じる。この容量素子Ｃ１と容量素子Ｃ２に生じた容量変化は，容量電圧変換部１で電圧信号に変換され，電圧変換部で変換された電圧信号は，Ａ／Ｄ変換部１と第１同期検波部１ａを経由することにより，元の診断信号に復元される。この復元された診断信号は，異常判定部９０４に入力して処理されて異常の有無が判断される。このようにして，本実施例２における第一の慣性センサである加速度センサによれば，加速度センサの異常の有無が判断される。【０１７８】
さらに，数百Ｈｚの診断信号を可動部７０５に印加して強制振動しながら，外部から加速度（ＤＣ〜数十Ｈｚ）が印加された場合，容量検出部である容量素子Ｃ１と容量素子Ｃ２には，強制振動による容量変化（数百Ｈｚ）と，加速度による容量変化（ＤＣ〜数十Ｈｚ）とが加わる。この数百Ｈｚの容量変化とＤＣ〜数十Ｈｚの容量変化が変調信号（数百ｋＨｚ）に重畳されることになる。その後，容量電圧変換部１で上述した容量変化が電圧信号に変換される。この電圧信号には，数百Ｈｚの電圧信号とＤＣ〜数十Ｈｚの電圧信号が変調信号（数百ｋＨｚ）に重畳された電圧信号となっている。その後，Ａ／Ｄ変換部１と，第１同期検波部１ａを経由すると，数百Ｈｚの診断信号と，ＤＣ〜数十Ｈｚの電圧信号に復元される。そして，物理量算出部９０２では，ローパスフィルタＬＰＦ１によって，数百Ｈｚの診断信号を減衰させて，ＤＣ〜数十Ｈｚの電圧信号を抽出し，この電圧信号に基づいて加速度信号を算出する。一方，異常判定部９０４では，数百Ｈｚの診断信号に基づいて処理を実施し異常を判断する。以上のようにして，本実施例２における加速度センサによれば，加速度を検出しながら，加速度センサの異常の有無を判断することができる。【０１７９】
ここで，本実施例２における加速度センサの特徴は，第一の慣性センサである加速度センサの異常の異常判定部９０４に第二の慣性センサである角速度センサの出力信号(加速度信号)９１５が接続されていることである。【０１８０】
詳細な説明は本実施例１に述べた通りであるが，本実施例２における第一の慣性センサである加速度センサのように，センサ異常の異常判定部９０４に第二の慣性センサである角速度センサの出力信号(加速度信号)９１５を半導体チップ８０２内部の信号線を経由して接続すると，第一の慣性センサである加速度センサで加速度信号を検出しながら，センサが設置された環境での雑音振動の有無を検知することができるため，異常判定部９０４でセンサを誤診断する可能性の有無を常に検知することができる。そして，センサが設置された環境での雑音振動によって異常判定部９０４でセンサを誤診断する可能性がある場合は，異常判定部９０４での判定方法を変更すれば，振動雑音環境下で加速度を検出しながら診断を行なう場合であっても，誤診断を抑制した高信頼の加速度センサを提供することができる。【０１８１】
特に，本実施例２では第一の慣性センサである加速度センサより第二の慣性センサである角速度センサの方が応答帯域が広い加速度センサであるため，第二の慣性センサである角速度センサによってセンサが設置された環境での雑音振動を検出すると，より広い周波数帯域の振動雑音を検出できる。よって，雑音環境下で加速度を検出しながら診断を行なう場合であっても，誤診断を抑制し，さらに高信頼の加速度センサを提供することができる。【０１８２】
続いて，図１５に示す異常判定部９０４の詳細な構成について説明する。
図１５において，異常判定部９０４は，バンドパスフィルタＢＰＦ１ａ，第２同期検波部１ｂ，バンドパスフィルタＢＰＦ１ｂ，比較判断部を有している。バンドパスフィルタＢＰＦ１ａは，第１同期検波部１ａから出力される数百Ｈｚの電圧信号以外の信号を雑音と見なして除去するように構成されている。第２同期検波部１ｂは，物理量算出部９０２の第１同期検波部１ａから出力される数百Ｈｚの診断信号とＤＣ〜数十Ｈｚの電圧信号を含む信号から数百Ｈｚの診断信号を抽出するように構成されている。具体的に，数百Ｈｚの診断信号をｃｏｓｗｔとすると，第２同期検波部１ｂでは，数百Ｈｚの診断信号（ｃｏｓｗｔ）とＤＣ〜数十Ｈｚの電圧信号を含む信号にｃｏｓｗｔを乗算するように構成されている。すると，数百Ｈｚの診断信号は，ｃｏｓｗｔ×ｃｏｓｗｔ＝１／２（ｃｏｓ２ｗｔ＋ｃｏｓ０）となる。つまり，数百Ｈｚの診断信号は，診断信号の２倍の周波数（ｃｏｓ２ｗｔ）（第２検波周波数の信号）の信号と，ＤＣ信号（ｃｏｓ０）（第１検波周波数の信号）に変換される。一方，ＤＣ〜数十Ｈｚの電圧信号には，ｃｏｓｗｔが乗算されて数百Ｈｚ帯の信号となる。このように第２同期検波部１ｂは，数百Ｈｚの診断信号を検波して２倍の周波数の信号とＤＣ信号に変換するように構成されている。【０１８３】
次に，バンドパスフィルタＢＰＦ１ｂは，ＤＣ信号（ｃｏｓ０）とｃｏｓｗｔの信号を減衰させて，ｃｏｓ２ｗｔの信号（診断信号の２倍の周波数の信号）を通過させるように構成されている。このバンドパスフィルタＢＰＦ１ｂにより，数百Ｈｚの診断信号を変換したｃｏｓ２ｗｔの信号（診断信号の２倍の周波数の信号）を抽出することができる。比較判断部は，バンドパスフィルタＢＰＦ１ｂを通過したｃｏｓ２ｗｔの信号（診断信号の２倍の周波数の信号）の振幅と，振幅基準値とを比較するように構成されている。比較判断部の比較結果に基づいて，加速度センサの異常の有無を判定信号として出力するように構成されている。【０１８４】
本実施例２における診断機能を有する加速度センサは上記のように構成されており，以下では加速度を検出しながら異常の有無を診断する動作について，説明する。【０１８５】
図１５において，診断信号生成部９０３で生成した診断信号は，互いに逆相である２つの信号として，それぞれ，診断用固定電極７０８ｂと診断用固定電極７０８ｃに印加される。これにより，診断用可動電極７０８ａと診断用固定電極７０８ｂの間と，診断用可動電極７０８ａと診断用固定電極７０８ｃとの間に静電力が働き，可動部７０５を強制振動させることができる。可動部７０５が強制振動すれば，可動部７０５が変位することになる。可動部７０５が変位すると，容量検出部を構成する容量素子Ｃ１と容量素子Ｃ２とに容量変化が生じる。【０１８６】
この状態で，外部から加速度（ＤＣ〜数十Ｈｚ）が印加された場合，容量検出部である容量素子Ｃ１と容量素子Ｃ２には，強制振動による容量変化（数百Ｈｚ）と，加速度による容量変化（ＤＣ〜数十Ｈｚ）とが加わる。この数百Ｈｚの容量変化とＤＣ〜数十Ｈｚの容量変化が変調信号（数百ｋＨｚ）に重畳されることになる。その後，容量電圧変換部１で上述した容量変化が電圧信号に変換される。この電圧信号には，数百Ｈｚの電圧信号とＤＣ〜数十Ｈｚの電圧信号が変調信号（数百ｋＨｚ）に重畳された電圧信号となっている。その後，Ａ／Ｄ変換部１と，第１同期検波部１ａを経由すると，数百Ｈｚの診断信号と，ＤＣ〜数十Ｈｚの電圧信号に復元される。そして，物理量算出部９０２では，ローパスフィルタＬＰＦ１によって，数百Ｈｚの診断信号を減衰させて，ＤＣ〜数十Ｈｚの電圧信号を抽出し，この電圧信号に基づいて加速度信号を算出する。【０１８７】
一方，第１同期検波部１ａから出力された数百Ｈｚの診断信号とＤＣ〜数十Ｈｚの電圧信号を含む信号は，バンドパスフィルタＢＰＦ１ａによって第１同期検波部１ａから出力される数百Ｈｚの電圧信号以外の信号を除去した後に，第２同期検波部１ｂに入力される。この第２同期検波部１ｂにおいて，数百Ｈｚの診断信号は，診断信号の２倍の周波数（ｃｏｓ２ｗｔ）の信号と，ＤＣ信号（ｃｏｓ０）に変換される。一方，ＤＣ〜数十Ｈｚの電圧信号には，ｃｏｓｗｔが乗算されて数百Ｈｚ帯の信号となる。【０１８８】
続いて，第２同期検波部１ｂから出力された信号は，バンドパスフィルタＢＰＦ１ｂに入力され，ＤＣ信号（ｃｏｓ０）の信号とＤＣ〜数十Ｈｚの電圧信号にｃｏｓｗｔが乗算された数百Ｈｚ帯の信号が減衰され，診断信号に対応した診断信号の２倍の周波数（ｃｏｓ２ｗｔ）の信号が通過する。【０１８９】
その後，比較判断部では，バンドパスフィルタＢＰＦ１ｂを通過した診断信号の２倍の周波数（ｃｏｓ２ｗｔ）の信号の振幅と，振幅基準値とを比較し，加速度センサの異常の有無を判断する。このようにして，本実施例２における加速度センサによれば，加速度を検出しながら，加速度センサの異常の有無を判断することができる。したがって，本実施例２における加速度センサによれば，直ぐに故障を検知することができる。【０１９０】
具体的に，比較判断部の異常の有無は例えば，以下のように判断することができる。  
比較判断部に，例えば，所定の振幅基準値を設定し，バンドパスフィルタＢＰＦ１ｂを通過した診断信号９０５の２倍の周波数（ｃｏｓ２ｗｔ）の信号の振幅と比較する。例えば，診断信号生成部９０３で生成した診断信号が可動体７０５に印加されているにもかかわらず，バンドパスフィルタＢＰＦ１ｂを通過した診断信号の２倍の周波数（ｃｏｓ２ｗｔ）の信号の振幅がほぼ０である場合は，可動部７０５が固着しているとして故障と判断できる。一方，梁７０４が破損するなどで可動体７０５の固有振動数が低下し，印加された加速度に対して可動部７０５が過剰に変位する感度スケール異常の場合は，バンドパスフィルタＢＰＦ１ｂを通過した診断信号の２倍の周波数（ｃｏｓ２ｗｔ）の信号の振幅が振幅基準値よりも大きくなるため，異常と判断することができる。【０１９１】
また，本実施例２における第一の慣性センサである加速度センサでは，図１５に示すように，スイッチＳＷ１によって診断信号生成部９０３で生成した診断信号をオン／オフすることができる。これにより，以下に示す効果が得られる。例えば，本実施例２における加速度センサを設置している環境が，診断信号生成部９０３で生成した診断信号と同じ周波数帯の振動外乱を有している場合が想定される。この場合，スイッチＳＷ１を設けていない場合には，可動体７０５の強制振動が診断信号によるものであるのか，あるいは，振動外乱によるものであるのか判断がつかず誤診断する可能性がある。これに対し，本実施例２における加速度センサではスイッチＳＷ１を設けている。このため，このスイッチＳＷ１を周期的にオン／オフし，サンプルホールドなどの方法により平均化や，スイッチＳＷ１のオン時の出力（バンドパスフィルタＢＰＦ１ｂを通過した診断信号の２倍の周波数（ｃｏｓ２ｗｔ）の信号の振幅）とスイッチＳＷ１のオフ時の出力（バンドパスフィルタＢＰＦ１ｂを通過した診断信号の２倍の周波数（ｃｏｓ２ｗｔ）の信号の振幅））の差分値を使用して故障を判断するなどの統計的なデータ処理を実施することで，背景の振動外乱の影響を排除することができる。つまり，診断信号生成部９０３で生成した診断信号と同じ周波数帯の振動外乱によって可動体７０５が振動している場合は，スイッチＳＷ１のオン／オフにかかわらず，バンドパスフィルタＢＰＦ１ｂから所定の出力信号が出力される。一方，診断信号生成部９０３で生成する診断信号を可動体７０５に印加する場合，スイッチＳＷ１をオンにすると，バンドパスフィルタＢＰＦ１ｂから所定の出力信号が出力されるが，スイッチＳＷ１をオフにすると，バンドパスフィルタＢＰＦ１ｂからの出力は０となる。したがって，例えば，スイッチＳＷ１のオン時の出力とスイッチＳＷ１のオフ時の出力の差分値をとれば，可動体７０５の強制振動が診断信号によるものであるのか，あるいは，振動外乱によるものであるのかを区別することができる。これにより，診断信号と同じ周波数帯の振動外乱が存在する場合でも，誤診断の可能性を抑制することができる。【０１９２】
さらに，本実施例２における第一の慣性センサである加速度センサでは，図１５に示すように，第一の慣性センサである加速度センサの異常の異常判定部９０４に第二の慣性センサである角速度センサの出力信号(加速度信号)９１５が，半導体チップ８０２内部の信号線を経由して接続されている。よって，第一の慣性センサである加速度センサで加速度信号を検出しながら，センサが設置された環境での雑音振動の有無を検知することができるため，診断信号と同じ周波数帯の振動外乱が診断一周期以下の時間だけ存在する場合に生じる異常判定部９０４でセンサを誤診断する可能性の有無を，常に検知することができる。センサが設置された環境での雑音振動によって異常判定部９０４でセンサを誤診断する可能性がある場合は，異常判定部９０４での判定方法を変更すれば，振動雑音環境下で加速度を検出しながら診断を行なう場合であっても，誤診断を抑制した高信頼の加速度センサを提供することができる。【０１９３】
具体的には，図１６に示すように比較判断部の判定方法を定める。第二の慣性センサである角加速センサの出力信号(加速度信号)９１５があらかじめ定めた電圧値以上の場合は，センサが設置された環境での雑音振動が存在するということであり，つまり比較判断部は誤診断を行う可能性が高いということであるから，通常の比較判断処理ではなく，以下に説明する固着判断処理を行う。固着判断処理では，バンドパスフィルタＢＰＦ１ｂを通過した診断信号９０５の２倍の周波数（ｃｏｓ２ｗｔ）の信号の振幅があらかじめ設定した所定の振幅基準値以下である場合は，センサが設置された環境での雑音振動が存在するのにも関わらず可動体７０５の変位量が小さく固着不良を起こしていると判定し，判定信号９０７に異常判定信号を出力する。一方，バンドパスフィルタＢＰＦ１ｂを通過した診断信号９０５の２倍の周波数（ｃｏｓ２ｗｔ）の信号の振幅があらかじめ設定した所定の振幅基準値以上である場合は，判定信号９０７に異常判定信号を出力せずに，再比較判断を行う工程へ戻る。第二の慣性センサであ角加速センサの出力信号(加速度信号)９１５があらかじめ定めた電圧値以下の場合は，センサが設置された環境での雑音振動は存在しないということであるから，バンドパスフィルタＢＰＦ１ｂを通過した診断信号９０５の２倍の周波数（ｃｏｓ２ｗｔ）の信号の振幅に対して通常の比較判断処理を行い，センサ異常の有無を判定する。【０１９４】
尚，本実施例２の加速度センサでは，第一の慣性センサである加速度センサより第二の慣性センサである角速度センサの方が応答帯域が広い加速度センサであるため，第二の慣性センサである角速度センサによってセンサが設置された環境での雑音振動を検出すると，より広い周波数帯域の振動雑音を検出できる。よって，雑音環境下で加速度を検出しながら診断を行なう場合であっても，誤診断を抑制し，さらに高信頼の加速度センサを提供することができる。【０１９５】
また，本実施例２の加速度センサでは，第一の慣性センサである加速度センサと第二の慣性センサである角速度センサが同一のＳＯＩ基板上に形成されているため，第一の慣性センサである加速度センサの設置環境における雑音振動を，第二の慣性センサである角速度センサで検出する精度が高い。よって，雑音環境下で第一の慣性センサである加速度センサで加速度を検出しながら診断を行なう場合であっても，誤診断を抑制し，さらに高信頼のセンサを提供することができる。【０１９６】
また，本実施例２の加速度センサでは，第一の慣性センサである加速度センサと第二の慣性センサである角速度センサの物理量を算出するための信号処理回路が形成された半導体チップが，第一の慣性センサである加速度センサと第二の慣性センサである角速度センサで同一のものを利用している。よって，第一の慣性センサである加速度センサが，加速度を検出しながら加速度センサの異常の有無を判断するときに参照するセンサ設置環境での雑音振動は，センサユニットの外側にある制御回路を経由せずに，信号処理回路が形成された半導体チップ内部を経由して，第一の慣性センサである加速度センサの診断用比較判断部に入力される。つまり，センサユニット外部の制御回路に負荷をかけることなく加速度を検出しながら診断を行ない，かつ，誤診断を抑制した高信頼の加速度センサを提供することができる。【０１９７】
また，本実施例２の加速度センサでは，第一の慣性センサとして図１０のチップＸ方向を検出軸とする加速度センサによって自己診断機能の説明をしたが，第一の慣性センサとして図１０のチップＹ方向を検出軸とする加速度センサを設置しても，自己診断機能を実現することが可能である。【０１９８】
以上述べたように，本実施例によれば，第二のセンサを備えることにより誤診断を抑制できる慣性センサを提供することができる。また，第二のセンサの感度範囲を広くすることにより，より広い周波数帯域やより広い加速度範囲の振動雑音を検出できる。また，２つのセンサが同一の半導体チップ内に形成されているため，外部制御回路への負荷をなくすことができる。【０１９９】
以上，本願発明を詳細に説明したが，以下に主な発明の形態を列挙する。
（１）  第一の基板と，
前記第一の基板に形成された第一の空洞部と，
前記第一の空洞部内に形成された第一の固定部と，
前記第一の空洞部内に形成され，前記固定部と接続された第一の弾性変形部と，
前記第一の空洞部内に形成され，前記弾性変形部と接続された第一の可動部と，
前記第一の空洞部内に形成された第１固定電極と，前記可動部に形成された第１可動電極とを互いに対向させた第１容量素子を含み，前記可動部が外力によって変位することで生じる前記第１容量素子の容量変化を出力する第一の容量検出部と，
前記第一の容量検出部から出力された容量変化に基づいて前記外力の物理量を求める第一の物理量算出部と接続される第一の物理量算出端子と，
前記第一の空洞部内に形成された第２固定電極と，前記可動部に形成された第２可動電極とを互いに対向させた第２容量素子を含み，かつ，前記第２固定電極と前記第２可動電極の間に診断信号を印加するための診断信号印加用端子とを含み，前記診断信号印加用端子に診断信号を印加することにより，前記第２固定電極と前記第２可動電極の間に静電気力を発生させて強制振動させる強制振動生成部と，
前記第一の物理量算出端子と間接的に接続され，前記強制振動生成部で発生した強制振動に基づいて，前記第一の容量検出部の異常の有無を判断する異常判定部と，
前記第一の基板と同じ車両内に設置された第二の基板と，
前記第二の基板に形成された第二の空洞部と，
前記第二の空洞部内に形成された第二の固定部と，
前記第二の空洞部内に形成され，前記第二の固定部と接続された第二の弾性変形部と，
前記第二の空洞部内に形成され，前記第二の弾性変形部と接続された第二の可動部と，
前記第二の空洞部内に形成された第３固定電極と，前記第二の可動部に形成された第３可動電極とを互いに対向させた第３容量素子を含み，前記第二の可動部が外力によって変位することで生じる前記第３容量素子の容量変化を出力する第二の容量検出部と，
前記第二の容量検出部から出力された容量変化に基づいて前記外力の物理量を求める第２の物理量算出部と接続される第二の物理量算出端子とを備え，
前記異常判定部は，前記第二の物理量算出端子より得られる値によって異常判定の結果が変更されるものであることを特徴とする慣性センサ。  
（２）  第１可動部と，前記第１可動部の変位量を前記可動部との間の容量を用いて検出する固定電極を備えた第１検出部と，診断信号を印加することにより前記第１可動部を強制振動させる強制振動手段と，前記第１検出部からの検出信号から物理量を算出する第１物理量算出部と，前記第１検出部を介して得られる前記診断信号を用いて前記物理量の異常の有無を判定する異常判定部とを備え，車両内で使用される慣性センサにおいて，
前記車両と同一車両に搭載され，前記異常判定部へ接続される第２センサを更に有することを特徴とする慣性センサ。
【符号の説明】
【０２００】
１００…半導体チップ，１０１…枠部，１０２…空洞部，１０３…固定部，１０４…梁，１０５…可動部，１０６ａ…検出用可動電極，１０６ｂ…検出用固定電極，１０６ｃ…検出用固定電極，１０６ｄ…パッド，１０６ｅ…パッド，１０７…パッド，１０８ａ…診断用可動電極，１０８ｂ…診断用固定電極，１０８ｃ…診断用固定電極，１０８ｄ…パッド，１０８ｅ…パッド，１１０…支持基板層，１１１…絶縁酸化膜層，１１２…シリコン活性層，２００…半導体チップ，２０１…枠部，２０２…空洞部，２０３…固定部，２０４…梁，２０５…可動部，２０６ａ…検出用可動電極，２０６ｂ…検出用固定電極，２０６ｃ…検出用固定電極，２０６ｄ…パッド，２０６ｅ…パッド，２０７…パッド，２１０…支持基板層，２１１…絶縁酸化膜層，２１２…シリコン活性層，３００…外枠体，３０１…接着剤，３０２…半導体チップ（集積回路），３０３…接着剤，３０４ａ…パッド，３０４ｂ…パッド，３０４ｃ…端子，３０５ａ…ワイヤ，３０５ｂ…ワイヤ，３０６…端子，３０７…リッド，４００…外枠体，４０１…接着剤，４０２…半導体チップ（集積回路），４０３…接着剤，４０４ａ…パッド，４０４ｂ…パッド，４０４ｃ…端子，４０５ａ…ワイヤ，４０５ｂ…ワイヤ，４０６…端子，４０７…リッド，５００…第一の加速度センサ，５０１…変調信号生成部，５０２…物理量算出部，５０３…診断信号生成部，５０４…異常判定部，５１０…第二の加速度センサ，５１１…変調信号生成部，５１２…物理量算出部，５２０…加速度信号１，５２１…判定信号，５２２…加速度信号２，５２３…診断信号，７００…半導体チップ，７０１…枠部，７０２…空洞部，７０３…固定部，７０４…梁，７０５…可動部，７０６ａ…検出用可動電極，７０６ｂ…検出用固定電極，７０６ｃ…検出用固定電極，７０６ｄ…貫通電極，７０６ｅ…貫通電極，７０７…貫通電極，７０８ａ…診断用可動電極，７０８ｂ…診断用固定電極，７０８ｃ…診断用固定電極，７０８ｄ…貫通電極，７０８ｅ…貫通電極，７１０…支持基板層，７１１…絶縁酸化膜層，７１２…シリコン活性層，７１３…貫通電極材料，７１４…絶縁材料，７１５…パッド，７１６…パッド，７２２…空洞部，７２３…固定部，７２４…梁，７２５…可動部，７２６…可動部，７２７…リンク梁，７２８ａ…駆動用可動電極，７２８ｂ…駆動用固定電極，７２８ｃ…駆動用固定電極，７２８ｄ…貫通電極，７２８ｅ…貫通電極，７２９ａ…駆動振幅モニタ用可動電極，７２９ｂ…駆動振幅モニタ用固定電極，７２９ｃ…駆動振幅モニタ用固定電極，７２９ｄ…貫通電極，７２９ｅ…貫通電極，７３０ａ…加速度モニタ用可動電極，７３０ｂ…加速度モニタ用固定電極，７３０ｃ…加速度モニタ用固定電極，７３０ｄ…貫通電極，７３０ｅ…貫通電極，７３１…貫通電極，８００…外枠体，８０１…接着剤，８０２…半導体チップ（集積回路），８０３…接着剤，８０４…パッド，８０５ａ…ワイヤ，８０５ｂ…ワイヤ，８０６…端子，８０７…端子，８０８…リッド，８０９…キャップ，８１０…ＭＥＭＳチップ，９０１…変調信号生成部，９０２…物理量算出部，９０３…診断信号生成部，９０４…異常判定部，９０５…診断信号，９０６…加速度信号，９０７…判定信号，９１０…駆動信号生成部，９１１…変調信号生成部，９１２…演算部，９１３…物理量算出部，９１４…角速度信号，９１５…加速度信号。
【図１】
0005492302.tif 000012
【図２】
0005492302.tif 000013
【図３】
0005492302.tif 000014
【図４】
0005492302.tif 000015
【図５】
0005492302.tif 000016
【図６】
0005492302.tif 000017
【図７】
0005492302.tif 000018
【図８】
0005492302.tif 000019
【図９】
0005492302.tif 000020
【図１０】
0005492302.tif 000021
【図１１】
0005492302.tif 000022
【図１２】
0005492302.tif 000023
【図１３】
0005492302.tif 000024
【図１４】
0005492302.tif 000025
【図１５】
0005492302.tif 000026
【図１６】
0005492302.tif 000027
【図１７】
0005492302.tif 000028