(57)【要約】【課題】加速度と角速度とを検出する慣性センサにおいて、高レンジを検出するために固い梁を有する加速度センサの機械的な故障診断を低コストに実現する技術を提供する。【解決手段】慣性センサにおいて、加速度センサエレメント部１は、印加される加速度に応答する可動部１１と、制御回路部からの電圧印加によって可動部１１を静電力で変位させる診断電極１２とを有する。角速度センサエレメント部２は、印加される角速度に応答する可動部２１と、制御回路部からの電圧印加によって可動部２１を静電力で変位させる駆動電極２２とを有する。そして、駆動電極２２に入力する電圧信号と診断電極１２に入力する電圧信号とは同一の電圧信号であり、診断電極１２に入力する電圧信号は機械的な故障を検知するための信号であり、さらに、可動部１１の変位を検出するキャリア信号は診断電極１２に加えられる信号の周波数よりも高い周波数である。【選択図】図５
2014006182.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速度センサと、角速度センサと、前記加速度センサおよび前記角速度センサを制御する制御回路とを有し、
前記加速度センサは、印加される加速度に応答する第１の可動部と、前記制御回路からの電圧印加によって、前記第１の可動部を静電力で変位させる第１の電極とを有し、
前記角速度センサは、印加される角速度に応答する第２の可動部と、前記制御回路からの電圧印加によって、前記第２の可動部を静電力で変位させる第２の電極とを有し、
前記角速度センサの前記第２の電極に入力する電圧信号と、前記加速度センサの前記第１の電極に入力する電圧信号とは、同一の電圧信号であり、
前記加速度センサの前記第１の電極に入力する電圧信号は、機械的な故障を検知するための信号であり、
前記加速度センサの前記第１の可動部の変位を検出するキャリア信号は、前記第１の電極に加えられる信号の周波数よりも高い周波数であることを特徴とする慣性センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の慣性センサにおいて、
前記角速度センサの前記第２の電極に入力する電圧信号は、前記角速度センサの固有振動数に同期した電圧信号であることを特徴とする慣性センサ。
【請求項３】
請求項１に記載の慣性センサにおいて、
前記加速度センサの固有振動数は、前記角速度センサの前記第２の電極に入力する電圧信号の周波数成分において０ｄＢよりもゲインの得られる振動数であることを特徴とする慣性センサ。
【請求項４】
請求項２に記載の慣性センサにおいて、
前記加速度センサの固有振動数は、前記角速度センサの共振周波数において０ｄＢよりもゲインの得られる振動数であることを特徴とする慣性センサ。
【請求項５】
請求項１に記載の慣性センサにおいて、
前記制御回路は、前記加速度センサの振動振幅を一定に制御するように電圧信号の振幅を調整する振幅制御回路を有し、
前記加速度センサの前記第１の電極に入力する電圧信号は、前記振幅制御回路を経た電圧信号であることを特徴とする慣性センサ。
【請求項６】
請求項１に記載の慣性センサにおいて、
前記加速度センサの前記第１の電極に入力する電圧信号は、前記角速度センサの前記第２の電極に入力する電圧信号に同期したクロックから生成されていることを特徴とする慣性センサ。
【請求項７】
請求項６に記載の慣性センサにおいて、
前記角速度センサの前記第２の電極に入力する電圧信号は、前記角速度センサの固有振動数に同期した電圧信号であることを特徴とする慣性センサ。
【請求項８】
請求項６に記載の慣性センサにおいて、
前記角速度センサの前記第２の電極に入力する電圧信号は、前記加速度センサの前記第１の電極に入力する電圧信号に同期したクロックの整数逓倍または整数分周した周波数の信号であることを特徴とする慣性センサ。
【請求項９】
請求項８に記載の慣性センサにおいて、
前記加速度センサの固有振動数は、前記角速度センサの前記第２の電極に入力する電圧信号の周波数成分において０ｄＢよりもゲインの得られる振動数であることを特徴とする慣性センサ。
【請求項１０】
請求項１に記載の慣性センサにおいて、
前記制御回路は、前記加速度センサの診断信号と前記角速度センサの検出信号とを時分割により処理する時分割処理回路を有し、
前記時分割処理回路は、前記加速度センサの検出回路および前記角速度センサの検出回路として時分割によって共用されることを特徴とする慣性センサ。
【請求項１１】
請求項１に記載の慣性センサにおいて、
前記加速度センサの前記第１の可動部は、加速度を検出するための回転軸に対して非対称な質量を有し、
前記加速度センサの前記第１の電極は、非対称な質量を有する前記第１の可動部の回転軸に対して片側のみに有し、
片側のみに有する前記第１の電極に前記制御回路からの電圧信号が印加されることを特徴とする慣性センサ。
【請求項１２】
請求項１に記載の慣性センサにおいて、
前記加速度センサと前記角速度センサと前記制御回路とは、それぞれ、異なるチップ上に形成され、
前記加速度センサの前記第１の電極に接続された第１のチップ上の第１のパッドと、前記角速度センサの前記第２の電極に接続された第２のチップ上の第２のパッドとは、それぞれ、前記制御回路の第３のチップ上の電圧印加用の第３のパッドにボンディングワイヤにより接続されていることを特徴とする慣性センサ。
【請求項１３】
請求項１２に記載の慣性センサにおいて、
前記第１のパッドと前記第２のパッドと前記第３のパッドとは、それぞれ、２つのパッドを有し、それぞれのパッドの電圧が互いに逆位相であることを特徴とする慣性センサ。
【請求項１４】
請求項１に記載の慣性センサにおいて、
前記加速度センサと前記角速度センサとは、同一の第１のチップ上に形成され、
前記制御回路は、前記第１のチップとは異なる第２のチップ上に形成され、
前記加速度センサの前記第１の電極と前記角速度センサの前記第２の電極とは、前記第１のチップ上の共通の第１のパッドに配線により接続され、
前記第１のチップ上の前記第１のパッドは、前記第２のチップ上の電圧印加用の第２のパッドにボンディングワイヤにより接続されていることを特徴とする慣性センサ。
【請求項１５】
請求項１４に記載の慣性センサにおいて、
前記第１のパッドと前記第２のパッドとは、それぞれ、２つのパッドを有し、それぞれのパッドの電圧が互いに逆位相であ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、加速度および角速度を検出する複合センサに関し、特に故障や異常の有無を検知する機能を備えた、高い信頼性を提供する慣性センサの構成に適用して有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体微細加工技術、および集積回路技術の発展によって、いわゆるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）と呼ばれる種類の、慣性量を検知するセンサデバイスが開発され、特に自動車分野への適用が進んでいる。
【０００３】
前述のＭＥＭＳセンサは、例えば、角速度センサにおいては、従来の光ファイバーを用いるＦｉｂｅｒ  Ｏｐｔｉｃ  Ｇｙｒｏよりも安価かつ小型に製造できるという特徴から、民生向け自動車の横滑り制御システムや横転検知システムといった、新しい車両制御システムへの適用が広がっている。
【０００４】
また、加速度センサにおいても、小型に製造できるという特徴から、衝突検知やサスペンション制御といった用途のため、車両の様々な場所に複数モジュールを取り付け、きめ細かい制御を実現する新しい適用方法が開発されている。
【０００５】
さらに、近年では、複数の物理量検知を１つのセンサモジュールまたは１つの検出エレメントチップで実現する「複合化」によって、低コスト化を進める動きが進んでいる。これよって、従来は、高級車に限って搭載されていた前記車両制御システムの、普及車への適用が可能になる。
【０００６】
しかし、これらの車載応用向けのセンサにおいては、その故障が事故につながる可能性があるため、故障発生率を低くすることはもちろん、万一のセンサ故障発生時は、直ちにその故障を上位システムへと通知する「故障検知機能」を備えていることが望ましい。しかしながら、このような故障検知機能は、携帯情報端末やゲーム機等のいわゆる電子機器向けの慣性センサには必ずしも必要とされないものである。したがって、このような故障を検知する機能の追加は、車載向けセンサの製造コストや調整コストの上昇を生むという課題がある。
【０００７】
例えば、特許文献１には、検出素子６を有する慣性センサにおいて、交流バイアス信号電圧を、同期復調器２４よりも前、具体的には検知素子６に加えることにより、検知素子６または検出回路２７内に発生しうる断線や地絡といった故障を検知する構成が開示されている。本文献では、前述の課題に対し、特に、作製コストを低減すべく、自励発振ループ信号電圧の励振周波数が、５０ｋＨｚ以下である自励発振ループ回路を有した角速度センサを備える加速度と角速度を検出する慣性センサにおいて、前記加速度センサの交流バイアス信号電圧に、前記角速度センサの自励発振ループ信号電圧を用いる構成が開示されている。この技術では、慣性センサの交流バイアス信号電圧発生のための回路を不要とするので、作製コストを低減できるとしている。
【０００８】
また、特許文献２には、静電容量式センサにおいて、検出素子の変位による容量変化を検出する容量素子Ｃ１や容量素子Ｃ２と、強制振動生成部を構成する容量素子Ｃ３や容量素子Ｃ４を電気的に分離する構成が開示されている。すなわち、検出素子の可動部について、強制振動を発生させる容量素子Ｃ３や容量素子Ｃ４に、静電力を発生させるための電圧信号を印加する。この構成によって、可動部が物理的に変位し、容量素子Ｃ１や容量素子Ｃ２を通じて、この変位を検出することで、固着や梁の破損といった、検出素子の機械的な故障を検知することができる。前記の構成においては、検出素子に診断のための強制振動をもたらす電圧信号を重畳せず、それぞれの信号を異なる素子から与えるため、診断信号の検出信号へのクロストークがなく、オフセット変動が生じない。このことは、センサの誤診断を防ぐという観点で有効である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５―１１４３９４号公報
【特許文献２】特開２０１１―９５１０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、前述した特許文献１、特許文献２の従来技術に関して、本発明者が検討した結果、以下のようなことが明らかとなった。
【００１１】
例えば、特許文献１に記載の技術のように、慣性センサの交流バイアス信号電圧に角速度センサの自励発振ループ信号電圧を用いる構成は、慣性センサの交流バイアス信号電圧発生のための回路を不要とする構成を実現する。しかし、検出素子の可動部を実際に動かさないため、検出素子そのものの固着や、梁の破損による感度変化または共振周波数変化を検出することができない。すなわち、固着が発生して一切の慣性変化を検出できない状態に陥っても、これを認識できず、「正常状態にある」という誤認識が発生する。
【００１２】
また、特許文献２に記載の技術のように、強制振動を与えて固着等の機械的な不具合を検出する構成とする場合においても、対象とする検出素子の共振周波数が高い場合、すなわち、固い梁を用いて可動部を支持するような条件においては、デメリットがある。例えば、検出素子を動かすための強い静電力を発生させるために、（１）振動をもたらすための駆動電圧信号を高電圧にする、（２）電極の面積を広く取って容量素子の静電容量を大きくする、といった、回路コストを犠牲にしたり、検出素子のコストを犠牲にしたりするというデメリットが生じる。特に、このような条件は加速度センサが高レンジ、例えば数１０Ｇ（１Ｇは９．８ｍ／ｓ２の重力加速度）〜数１００Ｇのような検出幅を持つ、固い梁を有する加速度センサにおいて生じる。その応用例としては、エアバッグを作動させるタイミングを検知するための「衝突検知」のような、大きな加速度を検出するものが該当する。
【００１３】
そこで、本発明は、前記のような、固い梁を持つ加速度センサの機械的な診断を実現する上で、前記のような作製コストが上昇するという問題点を解決するためになされたものであり、その代表的な目的は、加速度と角速度とを検出する慣性センサにおいて、高レンジを検出するために固い梁を有する加速度センサの機械的な故障診断を低コストに実現する技術を提供することである。
【００１４】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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。
【００１６】
すなわち、代表的な慣性センサは、加速度センサと、角速度センサと、前記加速度センサおよび前記角速度センサを制御する制御回路とを有し、以下のような特徴を有するものである。前記加速度センサは、印加される加速度に応答する第１の可動部と、前記制御回路からの電圧印加によって、前記第１の可動部を静電力で変位させる第１の電極とを有する。前記角速度センサは、印加される角速度に応答する第２の可動部と、前記制御回路からの電圧印加によって、前記第２の可動部を静電力で変位させる第２の電極とを有する。そして、前記角速度センサの前記第２の電極に入力する電圧信号と、前記加速度センサの前記第１の電極に入力する電圧信号とは、同一の電圧信号であり、前記加速度センサの前記第１の電極に入力する電圧信号は、機械的な故障を検知するための信号であり、さらに、前記加速度センサの前記第１の可動部の変位を検出するキャリア信号は、前記第１の電極に加えられる信号の周波数よりも高い周波数であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
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。
【００１８】
すなわち、代表的な効果は、加速度と角速度とを検出する慣性センサにおいて、高レンジを検出するために固い梁を有する加速度センサの機械的な故障診断を低コストに実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】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図である。
【図２】図１に示す慣性センサのうち、加速度検出チップの加速度センサエレメント部と、角速度検出チップの角速度センサエレメント部との構成の一例を詳細に示す図である。
【図３】図１に示す慣性センサのうち、加速度検出チップおよび角速度検出チップに接続される制御回路チップの制御回路部の構成の一例を詳細に示す図である。
【図４】図１に示す慣性センサの説明において、角速度センサ、高レンジ加速度センサ、低レンジ加速度センサの周波数応答の一例を示すグラフである。
【図５】図２に示す慣性センサの変形例として、加速度センサエレメント部と角速度センサエレメント部とを同一チップに納める場合の構成の一例を示す図である。
【図６】図３に示す慣性センサの変形例として、加速度センサエレメント部の診断において定振幅制御を行う場合の構成の一例を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態２における慣性センサにおいて、クロックをデジタルクロック源とした、加速度センサ制御回路部と角速度センサ制御回路部との構成の一例を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態３における慣性センサにおいて、回路の一部を時分割で共有する、加速度センサ制御回路部と角速度センサ制御回路部との構成の一例を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態４における慣性センサにおいて、加速度センサエレメント部と角速度センサエレメント部との断面の一例を示す図である。
【図１０】図９を平面から見た、加速度センサエレメント部と角速度センサエレメント部との構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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良い。
【００２１】
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。
【００２２】
［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、括弧内に各実施の形態の対応する構成要素および符号を付して説明する。
【００２３】
実施の形態の代表的な慣性センサは、加速度センサ（加速度センサエレメント部１）と、角速度センサ（角速度センサエレメント部２）と、前記加速度センサおよび前記角速度センサを制御する制御回路（制御回路部Ｆ）とを有し、以下のような特徴を有するものである。前記加速度センサは、印加される加速度に応答する第１の可動部（可動部１１）と、前記制御回路からの電圧印加によって、前記第１の可動部を静電力で変位させる第１の電極（診断電極１２）とを有する。前記角速度センサは、印加される角速度に応答する第２の可動部（可動部２１）と、前記制御回路からの電圧印加によって、前記第２の可動部を静電力で変位させる第２の電極（駆動電極２２）とを有する。そして、前記角速度センサの前記第２の電極に入力する電圧信号と、前記加速度センサの前記第１の電極に入力する電圧信号とは、同一の電圧信号であり、前記加速度センサの前記第１の電極に入力する電圧信号は、機械的な故障を検知するための信号であり、さらに、前記加速度センサの前記第１の可動部の変位を検出するキャリア信号は、前記第１の電極に加えられる信号の周波数よりも高い周波数であることを特徴とする。
【００２４】
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を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００２５】
本実施の形態においては、一例として、１軸の加速度検出と、１軸の角速度検出を実現する慣性センサを例に挙げて説明する。本明細書にて示す技術は、必ずしも前記の構成に限るものではなく、多軸の検出軸を有していたり、加速度、角速度以外の物理量を検出する構成を備えていたりする構成であっても良い。
【００２６】
［実施の形態１］
実施の形態１における慣性センサについて、図１〜図６を用いて説明する。
【００２７】
＜慣性センサの構成＞
まず、図１を用いて、本実施の形態における慣性センサの構成について説明する。図１は、この慣性センサの構成の一例を示す図である。図１は、慣性センサを実現する実装形態であり、Ａは外部パッケージ、Ｂ１は加速度センサエレメント部１を有する加速度検出チップ、Ｂ２は角速度センサエレメント部２を有する角速度検出チップ、Ｃは制御回路チップ、Ｄは各チップ上のパッド（電極）である。これらのパッドＤにおいて、特に、Ｄ１は加速度検出チップＢ１の診断電圧を受ける診断電圧入力用パッド、Ｄ２は角速度検出チップＢ２の駆動電圧を受ける駆動電圧入力用パッド、Ｄ３は制御回路チップＣの駆動電圧を出力する駆動電圧出力用パッドである。さらに、Ｅはボンディングワイヤ、Ｆは制御回路チップＣ内の制御回路部、Ｇは外部から供給される外部電源、Ｈは制御回路チップＣ内の、外部電源Ｇを調整するレギュレータ回路部、Ｉは外部出力信号、Ｊは制御回路チップＣ内の、外部出力信号を生成する外部出力信号生成部である。
【００２８】
本実施の形態では、１軸の加速度検出と、１軸の角速度検出を実現する複合センサの慣性センサを用いる。この慣性センサは、外部パッケージＡに収納された、加速度センサエレメント部１を有する加速度検出チップＢ１と、角速度センサエレメント部２を有する角速度検出チップＢ２と、制御回路チップＣとから構成される。これらの加速度検出チップＢ１と角速度検出チップＢ２と制御回路チップＣとは、各チップ上のパッドＤ間を接続するボンディングワイヤＥにより電気的に接続されている。
【００２９】
ここで、外部パッケージＡは、慣性センサの各種コンポーネントを納めるためのパッケージであり、プラスチックやセラミックといった材料でケーシングする方法でも良いし、トランスファーモールドパッケージと呼ばれるレジン等の材料を充填するパッケージング方法を用いても良い。いずれにしても、加速度と角速度の２種類の慣性量が、１つのパッケージで得られることに、利便性や作製コスト低減といったメリットがある。
【００３０】
加速度センサエレメント部１、角速度センサエレメント部２において、加速度センサエレメント部１は加速度検出チップＢ１上に作製され、角速度センサエレメント部２は角速度検出チップＢ２上に作製されている。ただし、この実装方法はごく一例であり、例えば、後述のように加速度センサエレメント部１と角速度センサエレメント部２とが、同一のチップ上に作製されていても良い。
【００３１】
制御回路チップＣは、電源回路、発振器、容量電圧変換（Ｃ／Ｖ［Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ  ｔｏ  Ｖｏｌｔａｇｅ］変換）回路、ＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇｕｅ  ｔｏ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）回路などからなる、いわゆるＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）である。この制御回路チップＣは、加速度検出チップＢ１上に作製された加速度センサエレメント部１や、角速度検出チップＢ２上に作製された角速度センサエレメント部２を制御し、加速度や角速度といった、慣性量を計測するための機能を提供する回路を集積したＩＣである。
【００３２】
また、制御回路チップＣには、計測した計測結果を外部出力信号Ｉとして外部に出力する機能を担う外部出力信号生成部Ｊが併せて作製されている。この外部出力信号生成部Ｊは、外部パッケージＡの外に設置されるか、外部パッケージＡの中に納めるか、制御回路部Ｆに内蔵されても良い。
【００３３】
ここで、制御回路チップＣは、加速度センサエレメント部１と角速度センサエレメント部２をそれぞれ独立して制御するために、２つ以上のチップに分かれていても良い。しかし、後述のように、クロックや信号をそれぞれが兼ねることが本発明の利点を大きく得ることができるため、１つのチップに集積されている方が望ましい。また、制御回路チップＣに、加速度センサエレメント部１または角速度センサエレメント部２、あるいはその両方が作製されていても良い。このような実装方法は、「表面ＭＥＭＳ」や「配線ＭＥＭＳ」と呼ばれ、集積回路チップ上に可動体を構成する技術であって、このような技術を用いて本実施の形態を実現しても、本発明の本質を逸脱しない。
【００３４】
また、加速度検出チップＢ１、角速度検出チップＢ２、および制御回路チップＣ上にあるパッドＤは、それぞれのチップ間で電気信号をやり取りするためのボンディングワイヤＥを接続する電極部である。図１の例では、各パッドＤは各チップの周辺部の一辺（加速度検出チップＢ１は上側、角速度検出チップＢ２は下側、制御回路チップＣは左側）に配置されている。特に、ボンディングワイヤＥにより、制御回路チップＣの駆動電圧を出力する駆動電圧出力用パッドＤ３から、加速度検出チップＢ１の診断電圧を受ける診断電圧入力用パッドＤ１と、角速度検出チップＢ２の駆動電圧を受ける駆動電圧入力用パッドＤ２とに並列に接続される。診断電圧入力用パッドＤ１、駆動電圧入力用パッドＤ２、駆動電圧出力用パッドＤ３の各パッド機能については後述する。また、チップ間の接続は、図１に示すようにチップとチップをボンディングワイヤＥで直接接続する形であっても良いし、パッケージ内の配線回路を介して接続しても良い。
【００３５】
外部パッケージＡ、すなわち加速度センサエレメント部１と角速度センサエレメント部２の電源は、外部パッケージＡに供給される外部電源Ｇである。ここで、外部からの外部電源Ｇより供給される電源は、制御回路チップＣ上のレギュレータ回路部Ｈが有する電源回路で、適切な電圧への変換をしたり、ノイズの除去をしたりする。なお、電源の調整機能は外部のレギュレータ素子等を用いても良い。
【００３６】
＜加速度検出チップの構成＞
続いて、図２を用いて、上記慣性センサのうちの加速度検出チップＢ１の構成について説明する。図２は、この慣性センサのうち、加速度検出チップＢ１の加速度センサエレメント部１と、角速度検出チップＢ２の角速度センサエレメント部２との構成の一例を詳細に示す図である。そのうち、加速度検出チップＢ１の加速度センサエレメント部１に特に関わるものとして、１１は可動部、１２は静電力によって可動部１１を変位させるための診断電極、１３は可動部１１を支持する梁、１４は可動部１１の変位量を電極間容量の変化で検出する検出電極である。
【００３７】
この加速度センサエレメント部１は、図２において、中央部に配置した可動部１１と、この可動部１１を左右で挟むように下側に配置した２つの診断電極１２と、可動部１１を左右で挟むように上側に配置した２つの検出電極１４と、可動部１１の中央を左右で支持する２つの梁１３とから構成される。これらの可動部１１、各診断電極１２および各検出電極１４はそれぞれ、各パッドＤに電気的に接続されている。このうち、各診断電極１２は各診断電圧入力用パッドＤ１に接続されている。
【００３８】
＜角速度検出チップの構成＞
続いて、図２を用いて、上記慣性センサのうちの角速度検出チップＢ２の構成について説明する。図２のうち、角速度検出チップＢ２の角速度センサエレメント部２に特に関わるものとして、２１は可動部、２２は静電力によって可動部２１を振動させる静電力を与える駆動電極、２３は可動部２１の駆動方向変位量を電極間の容量変化で検出するモニタ電極、２４は可動部２１を支持する梁、２５は可動部２１への角速度印加によって発生するコリオリ（Ｃｏｒｉｏｌｉｓ）力がもたらす、駆動方向と直交する検出方向への変位量を電極間容量の変化で検出する検出電極である。
【００３９】
この角速度センサエレメント部２は、図２において、中央部に配置した可動部２１と、この可動部２１を左右で挟むように下側に配置した２つの駆動電極２２と、可動部２１を左右で挟むように上側に配置した２つのモニタ電極２３と、可動部２１を上下で挟むように配置した２つの検出電極２５と、可動部２１の四隅を四方で支持する４つの梁２４とから構成される。これらの可動部２１、各駆動電極２２、各モニタ電極２３および各検出電極２５はそれぞれ、各パッドＤに電気的に接続されている。このうち、各駆動電極２２は各駆動電圧入力用パッドＤ２に接続されている。
【００４０】
＜制御回路チップの構成＞
続いて、図３を用いて、上記慣性センサのうちの制御回路チップＣの構成について説明する。図３は、この慣性センサのうち、加速度検出チップＢ１および角速度検出チップＢ２に接続される制御回路チップＣの制御回路部Ｆの構成の一例を詳細に示す図である。そのうち、加速度センサエレメント部１に特に関わるものとして、１５は可動部１１を挟んで同一変位軸に対して対向して作製される、２つの検出電極１４の容量差分を電圧信号に変換する容量電圧（Ｃ／Ｖ）変換回路、１６は加速度センサ制御回路部である。また、周辺回路としてキャリア信号生成部３４を備える。
【００４１】
加速度センサ制御回路部１６の内部において、１６１はそのキャリア信号を取り除くためのキャリア同期検波部、１６２は加速度成分を有する信号からノイズ成分である高周波成分を取り除くためのＬＰＦ（Ｌｏｗ  Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ、低域通過フィルタ）、１６３は高周波成分が取り除かれた加速度信号を出力する加速度出力部である。さらに、１６４は加振振動に用いた診断電圧、または同一の周波数成分を持つ信号で同期検波を行う診断加振同期検波部、１６５は倍調波とノイズカットを経て可動部１１の診断電極１２に印加された周波数成分に対する振幅成分を得るＬＰＦ、１６６はこの振幅成分と前記の定常状態の振幅とを比較し、所定の範囲を超えている場合は、加速度センサエレメント部１に異常が発生しているものと判断し、外部出力信号生成部Ｊにこれを通知する故障診断部である。
【００４２】
この加速度センサエレメント部１に関わる制御回路チップＣの部分は、Ｃ／Ｖ変換回路１５と、加速度センサ制御回路部１６の内部に含まれる、キャリア同期検波部１６１と、ＬＰＦ１６２と、加速度出力部１６３と、診断加振同期検波部１６４と、ＬＰＦ１６５と、故障診断部１６６とから構成される。
【００４３】
この加速度センサエレメント部１に関わる制御回路チップＣの部分では、各構成要素が、各機能による動作を以下の順で実行する。加速度検出チップＢ１（検出電極１４）からの出力信号がＣ／Ｖ変換回路１５に入力されて処理される。このＣ／Ｖ変換回路１５からの出力信号はキャリア同期検波部１６１に入力されて処理される。このキャリア同期検波部１６１にはキャリア信号生成部３４からの出力信号も入力される。このキャリア同期検波部１６１からの出力信号はＬＰＦ１６２に入力されて処理される。このＬＰＦ１６２からの出力信号は加速度出力部１６３に入力されて処理される。また、キャリア同期検波部１６１からの出力信号は診断加振同期検波部１６４にも入力されて処理される。この診断加振同期検波部１６４にはアンプ３２からの出力信号も入力される。この診断加振同期検波部１６４からの出力信号はＬＰＦ１６５に入力されて処理される。このＬＰＦ１６５からの出力信号は故障診断部１６６に入力されて処理される。そして、加速度出力部１６３および故障診断部１６６からの出力信号は、外部出力信号生成部Ｊへ出力される。
【００４４】
また、角速度センサエレメント部２に特に関わるものとして、２６は対向する差動構成のモニタ電極２３の容量変化量の差分を電圧信号（以下、モニタ信号）に変換するＣ／Ｖ変換回路、２８は対向する差動構成の検出電極２５の容量変化量の差分を電圧信号（以下、検出信号）に変換するＣ／Ｖ変換回路、２７は角速度センサ制御回路部である。また、周辺回路としてキャリア信号生成部３４を備える。
【００４５】
角速度センサ制御回路部２７の内部において、２７１はキャリア信号が重畳されているモニタ信号のキャリア同期検波部、２７２はモニタ信号の駆動周波数におけるモニタ信号同期検波部、２７３はモニタ信号のＬＰＦ、２７４は可動部２１の駆動振幅と駆動周波数を制御する駆動振幅・周波数制御回路部、２７５はキャリア信号が重畳されている検出信号のキャリア同期検波部、２７６は検出信号の駆動周波数における検出信号同期検波部、２７７は検出信号のＬＰＦ、２７８は角速度信号を出力する角速度出力部、２７９は角速度センサの故障診断部である。
【００４６】
また、３１は可変振幅・可変周波数発振器、３２は可変振幅・可変周波数発振器３１の出力信号を増幅するアンプ、３３はアンプ３２の出力信号の位相を反転する位相反転器である。
【００４７】
この角速度センサエレメント部２に関わる制御回路チップＣの部分は、Ｃ／Ｖ変換回路２６と、Ｃ／Ｖ変換回路２８と、角速度センサ制御回路部２７の内部に含まれる、キャリア同期検波部２７１と、モニタ信号同期検波部２７２と、ＬＰＦ２７３と、駆動振幅・周波数制御回路部２７４と、キャリア同期検波部２７５と、検出信号同期検波部２７６と、ＬＰＦ２７７と、角速度出力部２７８と、故障診断部２７９とから構成される。
【００４８】
この角速度センサエレメント部２に関わる制御回路チップＣの部分では、各構成要素が、各機能による動作を以下の順で実行する。角速度検出チップＢ２（モニタ電極２３）からの出力信号がＣ／Ｖ変換回路２６に入力されて処理される。このＣ／Ｖ変換回路２６からの出力信号はキャリア同期検波部２７１に入力されて処理される。このキャリア同期検波部２７１にはキャリア信号生成部３４からの出力信号も入力される。このキャリア同期検波部２７１からの出力信号はモニタ信号同期検波部２７２に入力されて処理される。このモニタ信号同期検波部２７２にはアンプ３２からの出力信号も入力される。このモニタ信号同期検波部２７２からの出力信号はＬＰＦ２７３に入力されて処理される。このＬＰＦ２７３からの出力信号は駆動振幅・周波数制御回路部２７４および故障診断部２７９に入力されてそれぞれ処理される。
【００４９】
また、角速度検出チップＢ２（検出電極２５）からの出力信号がＣ／Ｖ変換回路２８に入力されて処理される。このＣ／Ｖ変換回路２８からの出力信号はキャリア同期検波部２７５に入力されて処理される。このキャリア同期検波部２７５にはキャリア信号生成部３４からの出力信号も入力される。このキャリア同期検波部２７５からの出力信号は検出信号同期検波部２７６に入力されて処理される。この検出信号同期検波部２７６にはアンプ３２からの出力信号も入力される。この検出信号同期検波部２７６からの出力信号はＬＰＦ２７７に入力されて処理される。このＬＰＦ２７７からの出力信号は角速度出力部２７８および故障診断部２７９に入力されてそれぞれ処理される。そして、角速度出力部２７８および故障診断部２７９からの出力信号は、外部出力信号生成部Ｊへ出力される。
【００５０】
また、駆動振幅・周波数制御回路部２７４からの出力信号は、可変振幅・可変周波数発振器３１の制御に用いられる。この可変振幅・可変周波数発振器３１からの出力信号はアンプ３２に入力されて処理される。このアンプ３２からの出力信号は位相反転器３３に入力されて処理される。そして、アンプ３２からの出力信号と位相反転器３３を経由した出力信号は、駆動電圧出力用パッドＤ３を通じて、角速度検出チップＢ２（駆動電圧入力用パッドＤ２−駆動電極２２）および加速度検出チップＢ１（診断電圧入力用パッドＤ１−診断電極１２）へ出力される。
【００５１】
＜加速度センサの動作＞
以下、上記した図１、図２、図３を用いて、加速度センサとしての基本動作を説明する。図１〜図３に示した、加速度検出チップＢ１の加速度センサエレメント部１、この加速度センサエレメント部１に関わる制御回路チップＣの部分の動作を以下に説明する。
【００５２】
本実施の形態において、外部からの加速度を検知する加速度センサエレメント部１は、シリコンなどの半導体を微細加工することで作製され、加速度の印加によって発生する可動部１１の変位を、検出電極１４の容量変化で捉える静電容量方式の、いわゆるＭＥＭＳと呼ばれるタイプのエレメントである。本実施の形態では、キャリア信号生成部３４より交流信号を加速度センサエレメント部１に印加し、交流電圧の印加に対する応答を測定することで、印加されている加速度を検知する。以下に具体例を示す。
【００５３】
ここでは一例として、５００ｋＨｚのキャリア信号を印加する。このとき、キャリア信号として選択する周波数は、可動部１１が応答できないほど高い周波数であることが望ましい。なぜならば、後述の加速度センサエレメント部１の診断において、可動部１１を振動させて機械的な故障の検出を行うので、その変位を検出するためには、振動の周波数よりもさらに高い周波数のキャリア信号が必要になる。また、そのような周波数を選択することによって、可動部１１のキャリア信号の印加による静電力による変位を防ぎ、結果としてセンサの出力を安定なものにすることができる。
【００５４】
次に、キャリア信号に対する応答として容量変化を検出するため、Ｃ／Ｖ変換回路１５によって容量変化を電圧信号に変換する。また、Ｃ／Ｖ変換回路１５には、増幅回路（ＡＭＰ）を内蔵しても良く（図３では内蔵した例を図示）、この場合、加速度センサエレメント部１から出力された信号を適切な電圧レベルに変換する。また、適用するアプリケーションに応じてレンジを変更できるように、増幅回路の増幅度が可変である構成となっていても良い。
【００５５】
なお、ここで、制御回路部Ｆは、アナログ電圧信号をそのまま扱う形としても、加速度センサ制御回路部１６への入力段にＡＤＣ回路を挿入し（図示せず、後述する図７で図示）、以降の信号をデジタル信号に変換して扱う形としても良い。以下の実施の形態では、デジタル信号による実装を想定しているが、可能な限り一般化した記述とし、アナログ信号とデジタル信号を問わない実施の形態としている。アナログ信号とデジタル信号で処理や構成が異なる場合は、その都度説明する。
【００５６】
次に、適切な電圧レベルに変換された、キャリア信号が重畳された状態にある加速度信号は、キャリア同期検波部１６１にて、キャリア信号と同期したキャリア信号と同じ周波数を持つ信号を掛け合わせ、さらにＬＰＦ（図示せず）を経由する。なお、本実施の形態では、図３に示すキャリア信号生成部３４の出力をキャリア同期検波部１６１に直接入れているが、デジタル回路の場合は、そのクロック成分だけをキャリア同期検波部１６１のラッチ信号として、デジタル信号処理での同期検波を実現することも可能である。この原理は、本願のすべての同期検波において共通である。
【００５７】
以上の同期検波処理では、キャリア信号成分のみを除去できるので、本来のセンサ信号として必要な可動部１１の変位分だけが電圧信号として現れる。
【００５８】
最後に、センサ信号として必要とされる帯域まで信号の周波数成分を落として高周波ノイズを削減するため、ＬＰＦ１６２を通過し、加速度出力部１６３よりセンサの出力として、加速度に相当する信号を出力する。ここで、ＬＰＦ１６２は、高周波にあるノイズ成分を除去する効果と、後述する機械的な異常診断のために行われる加振信号を除去する効果の２つを与える。ＬＰＦ１６２の実装は、フィルタ構成やその次数に依らないが、一例としてバターワース（Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ）一次フィルタがある。加速度出力部１６３は、例えばアナログ信号であれば電圧値、デジタル信号であればデジタル値をそれぞれ外部出力信号生成部Ｊに送る。
【００５９】
次に、診断加振同期検波部１６４の機能について説明する。加速度センサエレメント部１は、半導体微細加工技術によって作製した可動体を含む微小機械であるので、梁の一部の破損による感度変化や共振周波数変化、またはチャージアップ等による固着がもたらすセンサ出力値の固定、封止圧力の変化等各種の不具合モードを発生させる可能性がある。この不具合モードは、可動部を動かしていて初めて検知できる故障である。これらの不具合は、例えば車両制御用途に当該センサを用いている場合は、最悪の場合、車両の走行状態に異常がないにもかかわらず、加速度センサエレメント部１が異常状態にあると判断して、ドライバー操作への介入や安全装置の起動を開始するという不具合を引き起こす可能性がある。したがって、このような機械的な不具合モードの発生を確実に検知し、上位システムにこれを通知することが肝要である。
【００６０】
そこで、本実施の形態においては、図２に示すように、静電力によって可動部１１を変位させるための診断電極１２を別途設ける。この診断電極１２は、通常のセンサにはない特別な故障診断用の電極である。診断電極１２に電圧をかけて可動部１１との電位差を発生させることで、静電力による可動部１１の変位を実現できる。この変位を、検出電極１４を通じて検出し、診断電極１２に与えた電圧に対し、適切な変位をしているか否かを確認することで、機械的な異常モードの発生を検知できる。また、本実施の形態による故障診断では、回路部の断線や短絡等が検出できることは言うまでもない。
【００６１】
診断電極１２へ前記共振周波数成分を有する交流信号を所定の電圧で印加すると、加速度センサエレメント部１の可動部１１は、診断電極１２へ印加された交流信号の成分で振動する。しかし、このとき、梁１３の破損などの機械的な不具合があれば、共振周波数が変化するために所定の振幅ゲインが得られず、結果的に検出電極１４を通じて検出される可動部１１の診断電圧に対する変位量が所定値とは異なるものになる。また、固着現象がある場合は、検出電極１４を通じて検出される変位量が一定となるので、やはり結果的に検出電極１４を通じて検出される変位量が所定値とは異なるものになる。
【００６２】
これを検出するため、診断加振同期検波部１６４で、加振振動に用いた診断電圧、または同一の周波数成分を持つ信号で同期検波を行い、ＬＰＦ１６５での倍調波とノイズカットを経て可動部１１の診断電極１２に印加された周波数成分に対する振幅成分を得る。この振幅成分は、故障診断部１６６で、前記の定常状態の振幅と比較され、所定の範囲を超えている場合は、加速度センサエレメント部１に異常が発生しているものと判断し、外部出力信号生成部Ｊにこれを通知する。この時の比較回路として、アナログ回路であればコンパレータ回路（図示せず）、デジタル回路であればＰＲＯＭ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）やフラッシュメモリに予め保存してある所定値との比較回路を設けることが好適である。ただし、本願で開示する発明内容は比較回路や比較する仕組みに依らない。
【００６３】
＜角速度センサの動作＞
続いて、上記した図１、図２、図３を用いて、角速度センサとしての基本動作を説明する。図１〜図３に示した、角速度検出チップＢ２の角速度センサエレメント部２、この角速度センサエレメント部２に関わる制御回路チップＣの部分の動作を以下に説明する。
【００６４】
本実施の形態で示す角速度センサエレメント部２は、シリコンなどの半導体微細加工によって作製され、角速度の印加によって発生する可動部２１の変位を、検出電極２５の容量変化で捉える静電容量型の、いわゆるＭＥＭＳと呼ばれる種類のエレメントである。角速度の検出においては、以下に示すコリオリ（Ｃｏｒｉｏｌｉｓ）の力を測定する原理を用いる。すなわち、可動部２１を単一軸方向（以下、駆動方向）に一定周波数かつ一定振幅の制御下で振動させると、角速度の印加が生じた際に、角速度Ω、可動部の変位速度ｖ、および可動部の質量ｍに応じたコリオリの力Ｆが、
Ｆ＝−２×ｍ×ｖ×Ω  ・・・（１）
の関係で可動部２１へ印加される。
【００６５】
このときのコリオリの力は、角速度の発生する軸をＸ−Ｙ−Ｚ軸で示される直交座標系のＺ軸周りとするとき、Ｘ−Ｙ平面について、前記の振動がＸ方向と置くと、直交するＹ方向（以下、検出方向）である。このＹ方向への力に従って、可動部２１の検出方向への変位が、駆動方向の変位に加えて発生する。この駆動振動に対して直交する検出方向への定常状態における変位量は、前述の印加された角速度によって生じるコリオリ力に比例するので、その検出方向への変位量を測ることで、印加されている角速度を得ることができる。
【００６６】
図２に示した角速度センサエレメント部２の構成、図３に示した角速度センサエレメント部２に関わる制御回路チップＣの構成において、図３に示す通り、キャリア信号生成部３４は、隣接して１つのパッケージに納める加速度センサと兼ねる構成としても良く、統合化センサならではのメリットを享受できる。このとき、ワイヤボンディングを並列化したり、パッケージ内の配線を並列化したりすることでキャリア信号を兼ねることができる。
【００６７】
前述の通り、角速度センサでは、印加されている角速度を正確に検知するため、可動部２１の振動数と振幅を一定に保つ必要がある。本実施の形態においては、角速度センサ制御回路部２７から、角速度センサの可動部２１を、所定の周波数および振幅で振動させるための発振回路制御量が出力され、可変振幅・可変周波数発振器３１へと入力される。特に、所定の周波数で発振させる制御を含む回路は、位相比較器、フィルタ、可変発振器からなるＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ−Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌｏｏｐ）回路を構成することに他ならない。このとき、発振回路の目標周波数としては、図２に示す角速度センサエレメント部２の、可動部変位の駆動側応答における最大振幅が得られる周波数、すなわち共振周波数（固有振動数）であることが、低い駆動電圧での大振幅振動を実現する上で好適である。しかしながら、原理的に、角速度センサは、固有振動数での振動を必ずしも必要とするものではなく、可動部２１を所定の周波数かつ所定の振幅で駆動方向に振動させることで、角速度センサの機能を得ることは可能である。よって、本実施の形態は、駆動する振動数を制限するものではない。たとえば、極めて安定した周波数の生成が可能な水晶クロック源の信号を分周し、角速度センサの可動部２１を振動させる周波数を生成し、この周波数成分を持つ電気信号を駆動電極２２に印加するという実施の形態も考えられる。
【００６８】
図３に示した制御回路チップＣにおける角速度センサ制御回路部２７の構成において、始めに、可動部２１を振動させるため、可変振幅・可変周波数発振器３１の出力信号を、アンプ３２および位相反転器３３を通じて、対向して設置される各駆動電極２２に、互いに逆相の位相関係を持つ駆動電圧を与える。これによって、可動部２１は、発振器３１の出力する交流信号の周波数で振動する。この振動による変位量は、モニタ電極２３の静電容量変化として表れる。この容量変化は、Ｃ／Ｖ変換回路２６によって前記交流信号の周波数を持つ電圧信号に変換する。また、加速度センサのそれと同様にＣ／Ｖ変換回路２６には適切な電圧レベルに変換する増幅回路（ＡＭＰ）を内蔵しても良いし（図３では内蔵した例を図示）、増幅回路の増幅度が可変である構成となっていても良い。
【００６９】
次に、適切な電圧レベルに変換された、キャリア信号が重畳された状態にあるモニタ信号は、キャリア同期検波部２７１にて、キャリア信号と同期した、キャリア信号と同じ周波数を持つ信号を掛け合わせ、さらにＬＰＦ（図示せず）を経て倍調波成分やノイズ成分を除去する。以上の処理では、キャリア信号成分が除去され、モニタ信号として本来必要な、可動部２１の駆動方向変位の振幅成分だけが電圧信号として表れる。
【００７０】
モニタ信号は、この図示しないＬＰＦの通過後に再び、駆動信号と同期した、駆動信号と同一の周波数成分を持つ検波信号による同期検波をモニタ信号同期検波部２７２において行う。さらに、倍調波成分やノイズ成分を除去するＬＰＦ２７３を経て、駆動振幅・周波数制御回路部２７４では、モニタ信号が有する角速度センサエレメント部２の駆動方向振動の振幅情報と位相情報を得て、周波数制御量と振幅制御量を可変振幅・可変周波数発振器３１に出力する。これにより、角速度センサの角速度センサエレメント部２の可動部２１は、駆動方向に所定の周波数、特に共振周波数で定振幅の振動を維持することができる。
【００７１】
角速度の印加による可動部２１の変位は、検出電極２５の静電容量変化として表れる。この容量変化は、Ｃ／Ｖ変換回路２８によって前記交流信号の周波数を持つ電圧信号に変換する。また、モニタ信号のそれと同様にＣ／Ｖ変換回路２８には適切な電圧レベルに変換する増幅回路（ＡＭＰ）を内蔵しても良いし（図３では内蔵した例を図示）、増幅回路の増幅度が可変である構成となっていても良い。
【００７２】
次に、適切な電圧レベルに変換された、キャリア信号が重畳された状態にある検出信号は、キャリア同期検波部２７５にて、キャリア信号と同期した、キャリア信号と同じ周波数を持つ信号を掛け合わせ、さらにＬＰＦ（図示せず）を経て倍調波成分やノイズ成分を除去する。以上の処理では、キャリア信号成分が除去され、検出信号として本来必要な、可動部２１の検出方向変位の振幅成分だけが電圧信号として表れる。
【００７３】
検出信号は、この図示しないＬＰＦの通過後に再び、駆動信号と同期した、駆動信号と同一の周波数成分を持つ検波信号による同期検波を検出信号同期検波部２７６において行う。さらに、倍調波成分やノイズ成分を除去するＬＰＦ２７７を経て、角速度出力部２７８では、振幅情報を角速度情報として、所定のゼロ点調整やゲイン調整を経た後に外部出力信号生成部Ｊに出力する。
【００７４】
また、ＬＰＦ２７３を経たモニタ信号と、ＬＰＦ２７７を経た検出信号は、角速度センサの故障診断を行う故障診断部２７９にも入力され、故障診断も実施する。このとき、各ＬＰＦ２７３，２７７は、診断用途向けに異なる特性を有していても良いし、また同期検波前の信号だったり、ＬＰＦを経る前の信号であったりしても良い。故障診断部２７９では、駆動方向の変位が所定の周波数や振幅にあること、検出方向の変位が所定の値の範囲内にあること、等を監視する。
【００７５】
＜加速度センサおよび角速度センサの故障診断＞
続いて、上記した加速度センサおよび角速度センサの動作において、この加速度センサおよび角速度センサの故障診断について説明する。
【００７６】
加速度センサの故障診断部１６６と、角速度センサの故障診断部２７９の、いずれかで異常が検知された際には、外部出力信号生成部Ｊが、アナログ電圧信号による出力とする場合、通常の使用範囲では発生しない極端な電圧範囲を出したり、別途デジタル出力のポートを設け、異常発生時にポートの信号を変化させたりする（高電圧⇒低電圧など）ことで、異常を上位システムへ通知する。また、デジタル信号値による出力とする場合は、通信中の所定のビットを通常時と異なる論理にする、いわゆるフラグ通知を行ったり、すべてのビット出力を所定の値、例えば０ｘ７ＦＦＦのような所定ビット幅の最大値にしたりすることで、異常を上位システムへ通知する。
【００７７】
また、いずれの故障診断部１６６，２７９においても異常がないとき、外部出力信号生成部Ｊは加速度および角速度の情報を出力する。外部出力信号生成部Ｊは、例えばデジタル信号を出力する構成であれば、ＳＰＩ（Ｓｅｒｉａｌ  Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）通信のためのハードウエアであったり、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）通信のためのハードウエアであったりするが、特にその通信手段を制限するものではない。なお、加速度センサ制御回路部１６がアナログ信号に対する信号処理で実装されているならば、アナログ電圧信号による出力としても良い。この場合は、別途デジタル出力のポートを設け、異常発生時にポートの信号を変化させる（Ｈ⇒ＬまたはＬ⇒Ｈ）ことで、上位システムへの通知を実現する方法が一例として考えられる。また、外部出力信号生成部Ｊは、アナログ値であれば、電圧値を出力するポートとして実装することが考えられる。ただし、ここに示した例は、特にその通信手段を制限するものではない。
【００７８】
ここで、話を加速度センサの診断に戻す。加速度センサの測定対象とする加速度センサの検出レンジが数１０Ｇ〜数１００Ｇのように大きいものになると、大きい加速度が印加された際に可動部１１の変位が飽和しないように、可動部１１を支持する梁１３を硬く設計しなくてはならない。しかしながら、梁１３を固く設計しても、なお診断電極１２への電圧印加によって可動部１１の変位を得ようとする場合は、梁１３が固くなる分、従来よりも印加する電圧を高いものにするか、診断電極１２の容量を大きくする必要がある。前者は、例えば電源電圧を超えるような高電圧を出力する回路が必要になり、後者は、電極容量を得るためにチップの面積を広く取る必要がある。しかし、これらのアプローチは、いずれもセンサの作製コストを上昇させるというデメリットを有している。
【００７９】
そこで、本実施の形態では、可動部１１の固有振動数での振動である共振運動を活用する。共振運動とは、加速度センサエレメント部１の可動部１１の質量、梁１３、および封止圧力によって決まる共振周波数（固有振動数）で可動部１１を振動させることで、直流的な静電力を印加したときの変位に対し、所定の振幅ゲイン（Ｑ値と呼ばれる）を得られる現象である。
【００８０】
図４は、角速度センサ、高レンジ加速度センサ、低レンジ加速度センサの周波数応答の一例を示すグラフである（横軸：周波数、縦軸：振幅）。図４に示すように、一般に、低レンジの加速度センサは梁が柔らかいため、加速度センサの共振周波数は角速度センサの共振周波数に対して低いものとなる。これに対し、高レンジの加速度センサは、一般に梁が固いため、その共振周波数が高く、梁構造の設計によって角速度センサの共振周波数に近い加速度センサエレメント部１の共振周波数を得ることが容易である。そこで、後述の通り、厳密に共振周波数で振動させる必要のある角速度センサエレメント部２の共振周波数と、おおよそゲインが得られる範囲での振動で十分に故障診断が実現できる加速度センサエレメント部１の共振周波数を、等しくなるようにあらかじめ設計しておくことで、角速度センサの発振器出力をそのまま加速度センサの診断電圧として使うことが可能になる。
【００８１】
このとき、加速度センサの診断のためだけに、加速度センサの共振周波数にロックするＰＬＬ回路を作製することは、回路部を複雑化させ、それによるコスト増が発生する。これに対し、上記の構成であれば、最低限、配線コストだけで加速度センサを振動させることができる。
【００８２】
また、封止する気圧圧力が大気圧のごとく高い場合は、ゲインの尖度を示すＱ値があまり高くならない。このように、Ｑ値が低い条件下では、共振周波数から離れた周波数での振動であっても、本来の振幅ゲインからのロスがほとんどない。たとえば、図４は前述のように角速度センサエレメント部２の共振周波数と、加速度センサエレメント部１の共振周波数が一致していない様子を示している。図示されている通り、高レンジ加速度センサの加速度センサエレメント部１を、角速度センサの共振周波数で加振する場合と、加速度センサの共振周波数で加振する場合ではほとんどゲインは変わらない。このため、加速度センサエレメント部１の共振周波数が、角速度センサエレメント部２の共振周波数に対してずれてしまうような加工ばらつきが発生しても、実際に加速度センサエレメント部１の得る振幅ゲインの変動量は少ないので、このような加工ばらつきも容易に吸収できる。
【００８３】
次に、角速度センサの可変振幅・可変周波数発振器３１の出力をそのまま加速度センサの診断電圧として使う構成について述べる。本実施の形態では、診断電極１２へ印加する電圧を、前記共振周波数成分を有する交流信号とする。このとき、図２に示すように同一変位方向について対向する診断電極１２を設ける場合は、各診断電極１２に与える交流信号は互いに逆位相の交流信号であることがエネルギー効率の点で望ましい。
【００８４】
そこで、本実施の形態においては、加速度センサエレメント部１の診断電極１２へ印加する電圧信号に、前記角速度センサエレメント部２を駆動させるため、駆動電極２２へ印加する交流成分を含む駆動電圧を用いることを特徴とする。具体的には、前記加速度センサエレメント部１の共振周波数が、前記角速度センサエレメント部２の共振周波数近傍にある。より具体的には、前記角速度センサエレメント部２を駆動する任意の駆動周波数、または前記角速度センサエレメント部２の共振周波数で、前記加速度センサエレメント部１を加振した際、その応答ゲインが０ｄＢを超える構成（加速度センサエレメント部１の応答はゲインが１以上）とすることである。
【００８５】
これを実現するため、本実施の形態では、制御回路チップＣの駆動電圧を出力する駆動電圧出力用パッドＤ３の出力を、角速度検出チップＢ２の駆動電圧を受ける駆動電圧入力用パッドＤ２に加えて、加速度検出チップＢ１の診断電圧を受ける診断電圧入力用パッドＤ１にも並行して与える。このため、ボンディングワイヤＥを制御回路チップＣの駆動電圧出力用パッドＤ３と角速度検出チップＢ２の駆動電圧入力用パッドＤ２に接続するだけでなく、ボンディングワイヤＥを制御回路チップＣの駆動電圧出力用パッドＤ３と加速度検出チップＢ１の診断電圧入力用パッドＤ１にも並行して接続する。このとき、制御回路チップＣの駆動電圧出力用パッドＤ３を複数設けたり、電極の大きさを他のものよりも大きく取ったりすることは、ワイヤボンディングが容易になるために好適である。
【００８６】
＜慣性センサの変形例＞
以下、図５、図６を用いて、上記した慣性センサの変形例について説明する。図５は、加速度センサエレメント部１と角速度センサエレメント部２とを同一チップに納める場合の構成の一例を示す図である。図６は、加速度センサエレメント部１の診断において定振幅制御を行う場合の構成の一例を示す図である。
【００８７】
本実施の形態においては、ワイヤボンディングによる駆動電圧の並列化に限らず、パッケージ内の配線パターンによる並列化など、角速度検出チップＢ２の駆動電圧入力用パッドＤ２と加速度検出チップＢ１の診断電圧入力用パッドＤ１に同一の電圧を与える方法は配線方法に依らない。
【００８８】
特に、図５に示すように、加速度センサエレメント部１と、角速度センサエレメント部２が、同一のチップＢ３上に作製されている場合は、チップＢ３内の配線Ｋによって加速度検出チップの診断電圧入力用パッドと、角速度検出チップの駆動電圧入力用パッドには同一の電圧信号を与えることができる。そのために、配線Ｋに繋がる共通のパッド（診断電圧入力用、駆動電圧入力用）Ｄ４を設ける。この共通のパッドＤ４は、チップＢ３内の配線Ｋを通じて加速度センサエレメント部１の診断電極１２、角速度センサエレメント部２の駆動電極２２にそれぞれ接続される。このように、配線Ｋに繋がる共通のパッドＤ４を設けることで、ワイヤボンディングの数を増やすことなく、実装コストの増加なく前述の構成や機能を実現することができる。前述の「表面ＭＥＭＳ」や「配線ＭＥＭＳ」のようにすべての要素が１つのチップに集積されていても、配線するだけで同様の機能が実現できる。
【００８９】
さらに、図６に示すように、加速度検出チップＢ１の診断電圧入力用パッドＤ１に与える診断電圧は、診断電圧による変位量を一定に維持するための定振幅制御部（振幅制御回路）１６７を故障診断部１６６の前段に加え、定電圧調整回路３５を経てから与える構成としても良い。すなわち、ＬＰＦ１６５と故障診断部１６６との間に定振幅制御部１６７を接続するとともに、アンプ３２および位相反転器３３と加速度検出チップＢ１の診断電圧入力用パッドＤ１に診断電圧を与える２つの駆動電圧出力用パッドＤ３’との間にそれぞれ定電圧調整回路３５を接続する。そして、定振幅制御部１６７からの制御信号で定電圧調整回路３５を制御し、この定電圧調整回路３５からの出力を加速度検出チップＢ１の診断電圧入力用パッドＤ１に与える。このように、交流信号である診断電圧を、周波数や位相は変えずに振幅のみを一定に保つ制御を加えることで、故障診断部１６６における、異常検知のための判断材料である定振幅制御部１６７の出力の変位量閾値が、角速度センサエレメント部２の駆動電圧に依存せず常に一定となる。このため、故障診断部１６６の構成を単純化できる。
【００９０】
また、図６では、角速度センサの故障診断に関して、診断用途向けに異なる特性を有する構成を採用している。すなわち、角速度センサ制御回路部２７の構成において、ＬＰＦ２８０を追加し、モニタ信号同期検波部２７２からの出力信号はＬＰＦ２７３のみに入力されて処理される。そして、このＬＰＦ２７３からの出力信号は駆動振幅・周波数制御回路部２７４のみに入力されて処理される。また、検出信号同期検波部２７６からの出力信号はＬＰＦ２７７とＬＰＦ２８０に入力されてそれぞれ処理される。一方のＬＰＦ２７７からの出力信号は角速度出力部２７８のみに入力されて処理される。他方のＬＰＦ２８０からの出力信号は故障診断部２７９のみに入力されて処理される。このように、駆動振幅・周波数制御回路部２７４と角速度出力部２７８と故障診断部２７９は、それぞれ異なるＬＰＦ２７３，２７７，２８０と接続されることで、角速度センサの故障診断に関して、診断用途向けに異なる特性を有する構成とすることができる。また、モニタ信号同期検波部２７２に続き、駆動振幅や駆動周波数が所定の範囲にあることを監視する故障診断部を設ける構成も当然に考えられる。
【００９１】
＜実施の形態１の効果＞
以上説明した本実施の形態によれば、可動部１１と診断電極１２などを有する加速度センサエレメント部１と、可動部２１と駆動電極２２などを有する角速度センサエレメント部２と、制御回路部Ｆなどを有する構成において、駆動電極２２に入力する電圧信号と診断電極１２に入力する電圧信号とは同一の電圧信号とし、診断電極１２に入力する電圧信号は機械的な故障を検知するための信号とし、さらに、可動部１１の変位を検出するキャリア信号は診断電極１２に加えられる信号の周波数よりも高い周波数とすることで、以下のような効果を得ることができる。
【００９２】
すなわち、本実施の形態の効果として、加速度センサエレメント部１による加速度と角速度センサエレメント部２による角速度とを検出する慣性センサにおいて、高レンジを検出するために固い梁を有する加速度センサエレメント部１の機械的な故障診断を低コストに実現することができる。すなわち、従来の固い梁を持つ加速度センサの機械的な診断を実現する上で作製コストが上昇するという問題点を解決することができる。
【００９３】
より好適には、以下のような効果を得ることができる。角速度センサエレメント部２の駆動電極２２に入力する電圧信号は、角速度センサエレメント部２の固有振動数に同期した電圧信号とすることができる。加速度センサエレメント部１の固有振動数は、角速度センサエレメント部２の駆動電極２２に入力する電圧信号の周波数成分において０ｄＢよりもゲインの得られる振動数とすることができる。加速度センサエレメント部１の固有振動数は、角速度センサエレメント部２の共振周波数において０ｄＢよりもゲインの得られる振動数とすることができる。
【００９４】
また、制御回路部Ｆに、加速度センサエレメント部１の振動振幅を一定に制御するように電圧信号の振幅を調整する定振幅制御部１６７を有することで、加速度センサエレメント部１の診断電極１２に入力する電圧信号は、定振幅制御部１６７を経た電圧信号とすることができる。
【００９５】
さらに、加速度センサエレメント部１の診断電極１２は加速度検出チップＢ１上の診断電圧入力用パッドＤ１に接続され、角速度センサエレメント部２の駆動電極２２は角速度検出チップＢ２上の駆動電圧入力用パッドＤ２に接続される構成において、診断電圧入力用パッドＤ１と駆動電圧入力用パッドＤ２とは、それぞれ、制御回路部Ｆの制御回路チップＣ上の駆動電圧出力用パッドＤ３にボンディングワイヤＥにより接続することができる。
【００９６】
また、加速度センサエレメント部１と角速度センサエレメント部２とは同一のチップＢ３上に形成され、制御回路部Ｆは制御回路チップＣ上に形成される構成においては、加速度センサエレメント部１の診断電極１２と角速度センサエレメント部２の駆動電極２２とは同一のチップＢ３上の共通のパッドＤ４に配線Ｋにより接続し、この共通のパッドＤ４は制御回路チップＣ上の駆動電圧出力用パッドＤ３にボンディングワイヤＥにより接続することができる。
【００９７】
さらに、診断電圧入力用パッドＤ１、駆動電圧入力用パッドＤ２、駆動電圧出力用パッドＤ３、共通のパッドＤ４は、それぞれ、２つのパッドを有することで、加速度センサエレメント部１の診断電極１２、角速度センサエレメント部２の駆動電極２２には、互いに逆位相の交流信号を印加することができる。これはエネルギー効率の点で望ましい。
【００９８】
［実施の形態２］
実施の形態２における慣性センサについて、図７を用いて説明する。本実施の形態２では、前述した実施の形態１の加速度センサ制御回路部１６と、角速度センサ制御回路部２７を、デジタル回路で構成した例を説明する。
【００９９】
図１に示した、外部パッケージＡ、加速度センサエレメント部１を有する加速度検出チップＢ１、角速度センサエレメント部２を有する角速度検出チップＢ２、チップ上のパッドＤ、特に加速度検出チップＢ１の診断電圧入力用パッドＤ１、角速度検出チップＢ２の駆動電圧入力用パッドＤ２、制御回路チップＣの駆動電圧出力用パッドＤ３、ボンディングワイヤＥ、制御回路チップＣ内の制御回路部Ｆ、外部電源Ｇ、外部電源を調整するレギュレータ回路部Ｈ、制御回路チップＣ内の外部出力信号生成部Ｊ、外部出力信号Ｉはすべて実施の形態１と同一であるので、説明は省略する。以下においては、主に実施の形態１と異なる点を説明する。
【０１００】
図７は、本実施の形態において、クロックをデジタルクロック源とした、加速度センサ制御回路部１６と角速度センサ制御回路部２７との構成の一例を示す図である。図６との違いは、信号処理をデジタル領域で処理する点にあり、各アナログ電圧信号はＡＤＣ（Ａｎａｌｏｇｕｅ  ｔｏ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｏｎｖｅｒｔｏｒ）３９を経てデジタル電圧信号に変換され、またデジタル電圧信号はＤＡＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ  ｔｏ  Ａｎａｌｏｇｕｅ  Ｃｏｎｖｅｒｔｏｒ）４０を経てアナログ電圧信号に変換される。ここで、各ＡＤＣ３９と各ＤＡＣ４０のレンジやビット幅は、それぞれ異なるもので構成されている。なお、図中では、デジタル信号処理されている個所は破線で示している。
【０１０１】
具体的に、各ＡＤＣ３９は、Ｃ／Ｖ変換回路１５とキャリア同期検波部１６１との間、Ｃ／Ｖ変換回路２６とキャリア同期検波部２７１との間、Ｃ／Ｖ変換回路２８とキャリア同期検波部２７５との間にそれぞれ接続される。また、各ＤＡＣ４０は、キャリア信号生成部３４とパッドＤとの間、デジタルクロック源３７と駆動電圧出力用パッドＤ３，Ｄ３’との間、位相反転器３３と駆動電圧出力用パッドＤ３，Ｄ３’との間にそれぞれ接続される。駆動電圧出力用パッドＤ３に接続されるＤＡＣ４０は、駆動振幅・周波数制御回路部２７４からの制御信号により制御され、駆動電圧出力用パッドＤ３’に接続されるＤＡＣ４０は、定振幅制御部１６７からの制御信号により制御される。
【０１０２】
ここで、可変振幅・可変周波数発振器３１の出力は、デジタルクロック源３７に入力される。デジタルクロック源３７は、一例としてコンパレータ回路を含み、可変振幅・可変周波数発振器３１からの出力を半周期毎にＨとＬの論理で表現される、デジタル信号のクロックを生成する回路である。
【０１０３】
また、デジタルクロック源３７で生成されたクロックは、定振幅制御部１６７の出力に応じた振幅を持つ、アナログ電圧の診断信号へＤＡＣ４０で変換され、加速度センサエレメント部１の診断のための振動を一定変位に保つ電圧が出力され、加速度検出チップＢ１の診断電圧入力用パッドＤ１に接続される。ここで、加速度検出チップＢ１の診断電圧入力用パッドＤ１が、図２に示すように互いに対向する診断電極１２に接続されている場合は、片方の電極には位相反転器３３を経て互いに逆位相の診断電圧が入力される。
【０１０４】
特に、実施の形態１と同様に、角速度センサエレメント部２の駆動周波数が角速度センサエレメント部２の共振周波数になるように制御される構成とすることで、前述の通り角速度センサエレメント部２の駆動振幅を効率良く得ながら、加速度センサの診断まで実現できる。
【０１０５】
また、デジタルクロック源３７では逓倍・分周を作りやすいという特性を生かし、元クロック、すなわち角速度センサエレメント部２の駆動周波数や共振周波数を逓倍または分周したクロックを用いて加速度センサエレメント部１の診断を行うことも可能である。この場合は、角速度センサエレメント部２の共振周波数は、デジタルクロック源３７の分周または逓倍後の周波数に合わせて設計および作製される。すなわち、低レンジの加速度センサ、高レンジの加速度センサ、および角速度センサが一つのパッケージに納まるような多軸かつ多レンジを有するセンサモジュールにおいて、元クロックを高レンジ加速度センサの診断に、元クロックを分周したクロックを低レンジ加速度センサの診断にそれぞれ用いるような構成も、１つの発振器で実現できる。
【０１０６】
また、実施の形態１で示した通り、高レンジの加速度センサエレメント部１を加振した際、その応答ゲインが０ｄＢを超えるように加速度センサエレメント部１の共振周波数を設計および作製することで、低い診断電圧でも大きな変位量を得られるため、実使用上有益である。
【０１０７】
以上説明した本実施の形態によれば、実施の形態１と異なる効果として、加速度センサ制御回路部１６と角速度センサ制御回路部２７とをデジタル回路で構成することで、加速度センサエレメント部１の診断電極１２に入力する電圧信号は、角速度センサエレメント部２の駆動電極２２に入力する電圧信号に同期したクロックから生成することができる。角速度センサエレメント部２の駆動電極２２に入力する電圧信号は、角速度センサエレメント部２の固有振動数に同期した電圧信号とすることができる。角速度センサエレメント部２の駆動電極２２に入力する電圧信号は、加速度センサエレメント部１の診断電極１２に入力する電圧信号に同期したクロックの整数逓倍または整数分周した周波数の信号とすることができる。加速度センサエレメント部１の固有振動数は、角速度センサエレメント部２の駆動電極２２に入力する電圧信号の周波数成分において０ｄＢよりもゲインの得られる振動数とすることができる。
【０１０８】
［実施の形態３］
実施の形態３における慣性センサについて、図８を用いて説明する。図８は、本実施の形態において、回路の一部を時分割で共有する、加速度センサ制御回路部１６と角速度センサ制御回路部２７との構成の一例を示す図である。
【０１０９】
角速度センサエレメント部２の検出信号の同期検波と、加速度センサエレメント部１の診断信号の同期検波に用いる検波信号の周波数が同じであるため、これらは容易に共有可能である。そこで、本実施の形態では、前記２つの機能である、角速度センサの検出信号同期検波部と、加速度センサの診断信号同期検波部について、１つの検出信号診断信号時分割同期検波部（時分割処理回路）４０１を、スイッチ４０２を通じて、時分割によって共有する。以下においては、主に実施の形態２と異なる点を説明する。
【０１１０】
本実施の形態において、角速度センサの検出信号と加速度センサの診断信号の同期検波部に関する部分は、キャリア同期検波部１６１，２７５とＬＰＦ１６５，２８０との間に、検出信号診断信号時分割同期検波部４０１とスイッチ４０２が接続される。スイッチ４０２は２系統からなり、第１系統および第２系統の各コモン端子は検出信号診断信号時分割同期検波部４０１に接続される。スイッチ４０２の第１系統の一方の開閉端子はキャリア同期検波部１６１の出力に接続され、他方の開閉端子はキャリア同期検波部２７５の出力に接続される。スイッチ４０２の第２系統の一方の開閉端子はＬＰＦ１６５の入力に接続され、他方の開閉端子はＬＰＦ２８０の入力に接続される。そして、スイッチ４０２により、キャリア同期検波部１６１から検出信号診断信号時分割同期検波部４０１を介してＬＰＦ１６５への経路と、キャリア同期検波部２７５から検出信号診断信号時分割同期検波部４０１を介してＬＰＦ２８０への経路を切り替える。
【０１１１】
特に、センサの電源投入時は、初期診断を行い異常が無いことを確認してから観測値を出すことが適切であるので、電源投入直後は加速度センサの診断信号同期検波回路として稼動し、初期診断終了後は角速度センサの検出信号同期検波回路として稼働する。また、ここで、モニタ信号の同期検波に用いる検波信号の周波数も同一であるので、モニタ信号の同期検波に用いる回路までも１つにまとめることも可能である。また、各同期検波に用いる検波信号の周波数が同一であっても、位相が異なる場合は、入力されている信号やスイッチの状態に合わせて、位相を調整する回路が検出信号診断信号時分割同期検波部４０１の前段に有っても良い。また、共有する個所は同期検波部に限らず、任意の回路の一部として構成しても良い。たとえば、ＬＰＦやＡＤＣは実質的に同様の回路構成であるので、時分割で共有することは容易である。
【０１１２】
また、図８は、デジタル値で信号処理を行う回路として図示しているが、回路がアナログ回路で構成されていて、アナログスイッチで信号を切り替える構成となっていても良い。
【０１１３】
以上説明した本実施の形態によれば、実施の形態１，２と異なる効果として、加速度センサの診断信号と角速度センサの検出信号とを時分割により処理する検出信号診断信号時分割同期検波部４０１を有することで、この検出信号診断信号時分割同期検波部４０１は加速度センサの検出回路および角速度センサの検出回路として時分割によって共用することができる。
【０１１４】
［実施の形態４］
実施の形態４における慣性センサについて、図９〜図１０を用いて説明する。図９は、本実施の形態において、加速度センサエレメント部Ｌと角速度センサエレメント部Ｍとの断面の一例を示す図である。図１０は、図９を平面から見た、加速度センサエレメント部Ｌと角速度センサエレメント部Ｍとの構成の一例を示す図である。図９は、図１０の５０１−５０５−５０６−５０５−５０１を通る切断面（角速度センサエレメント部Ｍ）と、図１０の５０９（５０３）−５０７（５０４）−５０９（５０３）−５０８（５０２）を通る切断面（加速度センサエレメント部Ｌ）を示している。
【０１１５】
本実施の形態において、加速度センサエレメント部Ｌは、チップに対して垂直方向（面外方向）の加速度を検出する、シーソー構造の加速度センサエレメント部である。角速度センサエレメント部Ｍは、実施の形態１における角速度センサエレメント部２と同じ機能を得るためのものである。以下においては、主に実施の形態１〜３と異なる点を説明する。
【０１１６】
図９において、５００は加速度センサと角速度センサを１つのチップに納めているチップ部である。５０１は角速度センサの駆動電極を含む貫通電極部、５０２は加速度センサの診断電極に導通している貫通電極部、５０３は加速度センサの変位検出のための検出電極に導通している貫通電極部、５０４は加速度センサの可動部と導通するコモン電極を含む貫通電極部である。５０５は角速度センサの駆動電極、５０６は角速度センサの可動部、５０７は加速度センサの可動部、５０８は加速度センサに変位を外部から与え、機械的な故障を検知するための診断電極、５０９は加速度センサの変位を検出する検出電極である。
【０１１７】
本実施の形態において述べる加速度センサエレメント部Ｌは、検出電極５０９を、可動部５０７に対して片方の面（図９では上方の面）に限って設けている。これに対して、可動部５０７の両面方向に検出電極を設けることは、検出電極の作製コスト、すなわち半導体微細加工プロセスのコストがかかるほか、電極をチップの両面から引き出さなくてはならないというデメリットがある。そこで、本実施の形態では、検出電極５０９は片面だけに作製している。
【０１１８】
ここで、本実施の形態の加速度センサでは、チップに対して垂直方向の加速度を極性も含めて検出するため、軸（回転軸、図９ではコモン電極を含む貫通電極部５０４に対応する位置）に対して非対称な質量を持つ可動部５０７と、回転軸に対称に作製される２つの検出電極５０９を有する。もし、質量が軸に対して対称な構造の可動部であると、加速度の印加があっても、回転運動が発生しない。しかし、本実施の形態のように質量を非対称にすることで、加速度の印加に対して可動部５０７が回転運動し、検出電極５０９の片方の容量が増え、もう片方が減るため、その差分を取ることで極性を含めた加速度を検知できる。
【０１１９】
前述のような理由から、可動部５０７が軸に対して非対称な質量を有しているが、検出電極５０９の大きさは、差動で容量を測る検出電極５０９の初期容量を等しく取るために、同じ大きさであることが望ましい。また、ＳＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ  ｔｏ  Ｎｏｉｓｅ  Ｒａｔｉｏ）を大きくするため、検出電極５０９の容量は可能な限り大きいほうが良い。このため、本実施の形態では、軸に対して質量が大きい側（図９では右側）にのみ診断電極５０８を作製し、質量の小さい側には診断電極５０８を配置しない構造とする。
【０１２０】
しかし、このように回転軸に対して片側だけに診断電極５０８を配置した場合、静電力は引く方向のみに発生する力であるため、質量の大きい、すなわち診断電極５０８の作製される側が、検出電極５０９の容量を増やす方向に変位する診断を行うことはできる。しかし、その逆方向の変位、すなわち、前記検出電極５０９の容量を減らす方向に変位する診断を行うことはできない。また、実施の形態１で示したように、検出する加速度のレンジが大きい場合は、梁が固いために診断電極５０８に対して直流電圧をかけて変位させる診断方法には限界がある。
【０１２１】
そこで、本実施の形態においては、図１０に示すように、角速度センサの互いに対向して逆相駆動電圧の駆動電極５０５と接続され、制御回路チップＣの逆位相の関係を持つ駆動電圧の駆動電圧出力用パッドＤ５から出力される、角速度センサの駆動信号のうち、片方の信号だけを、加速度センサの診断電極５０８に入力する構成を特徴とする。その実装方法は、図１０に示すボンディングワイヤＥを、角速度センサの駆動電極を含む貫通電極部５０１と加速度センサの診断電極５０８に導通している貫通電極部５０２へ並列に接続する方法に始まり、実施の形態１〜３で示した配線方法等で実現する。
【０１２２】
加速度センサの診断電極５０８に導通する貫通電極部５０２に駆動電圧を与えた際に、その駆動電圧の周波数が、加速度センサの可動部５０７に印加した力に対する変位ゲインが０ｄＢよりも大きくなるような、共振周波数に近いものであれば、可動部５０７は共振運動する。ここで、共振運動とは、系の固有振動数に完全に一致した振動数での運動だけでなく、固有振動数に近い周波数での振動も含む。共振運動することで、直流印加では得られない大振幅での変位と、片側の診断電極だけでは得られない、軸に対して質量の大きい側の検出電極が、その容量が小さくなる方向への変位が得られる。この両方向への変位によって、可動部５０７に対して検出電極５０９を、片側の面だけに設ける低コスト構造を採用しつつも、加速度センサの可動部５０７のより厳密な診断を行うことが可能となる。
【０１２３】
ここでは、重複を避けるために回路の具体的な説明は省いたが、本実施の形態においても、実施の形態１〜３に示した、本願によって開示する各種発明内容は適用可能である。
【０１２４】
以上説明した本実施の形態によれば、実施の形態１〜３と異なる効果として、加速度センサエレメント部Ｌの可動部５０７は加速度を検出するための回転軸に対して非対称な質量を有し、診断電極５０８は可動部５０７の回転軸に対して片側のみに有することで、この片側のみに有する診断電極５０８に制御回路チップＣの駆動電圧出力用パッドＤ５からの電圧信号を印加することができる。
【０１２５】
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、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。
【符号の説明】
【０１２６】
Ａ…外部パッケージ
Ｂ１…加速度検出チップ
Ｂ２…角速度検出チップ
Ｂ３…同一のチップ
Ｃ…制御回路チップ
Ｄ…パッド
Ｄ１…診断電圧入力用パッド
Ｄ２…駆動電圧入力用パッド
Ｄ３，Ｄ３’…駆動電圧出力用パッド
Ｄ４…共通のパッド
Ｄ５…駆動電圧出力用パッド
Ｅ…ボンディングワイヤ
Ｆ…制御回路部
Ｇ…外部電源
Ｈ…レギュレータ回路部
Ｉ…外部出力信号
Ｊ…外部出力信号生成部
Ｋ…配線
Ｌ…加速度センサエレメント部
Ｍ…角速度センサエレメント部
１…加速度センサエレメント部
１１…可動部
１２…診断電極
１３…梁
１４…検出電極
１５…容量電圧（Ｃ／Ｖ）変換回路
１６…加速度センサ制御回路部
１６１…キャリア同期検波部
１６２…ＬＰＦ
１６３…加速度出力部
１６４…診断加振同期検波部
１６５…ＬＰＦ
１６６…故障診断部
１６７…定振幅制御部
２…角速度センサエレメント部
２１…可動部
２２…駆動電極
２３…モニタ電極
２４…梁
２５…検出電極
２６…容量電圧（Ｃ／Ｖ）変換回路
２７…角速度センサ制御回路部
２７１…キャリア同期検波部
２７２…モニタ信号同期検波部
２７３…ＬＰＦ
２７４…駆動振幅・周波数制御回路部
２７５…キャリア同期検波部
２７６…検出信号同期検波部
２７７…ＬＰＦ
２７８…角速度出力部
２７９…故障診断部
２８０…ＬＰＦ
２８…容量電圧（Ｃ／Ｖ）変換回路
３１…可変振幅・可変周波数発振器
３２…アンプ
３３…位相反転器
３４…キャリア信号生成部
３５…定電圧調整回路
３７…デジタルクロック源
３９…ＡＤＣ
４０…ＤＡＣ
４０１…検出信号診断信号時分割同期検波部
４０２…スイッチ
５００…チップ部
５０１…貫通電極部（駆動電極）
５０２…貫通電極部（診断電極）
５０３…貫通電極部（検出電極）
５０４…貫通電極部（コモン電極）
５０５…駆動電極
５０６…可動部
５０７…可動部
５０８…診断電極
５０９…検出電極
【図１】
2014006182.tif 000003
【図２】
2014006182.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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