(57)【要約】【課題】  物理センサの検出精度向上を目的とする。【解決手段】  複数の検出軸での検出結果を出力する物理センサを複数備えたセンサ装置であって、複数の検出軸のそれぞれは、検出軸にそった検出方向があり、複数の前記物理センサの中の第１の物理センサは、前記第１の物理センサの複数の検出軸の中に第１の検出軸を有し、複数の前記物理センサの中の第２の物理センサは、前記第２の物理センサの複数の検出軸の中に第２の検出軸を有し、前記第１の検出軸と前記第２の検出軸は重複し、前記第１の検出軸の検出方向と前記第２の検出軸の検出方向は逆方向となるように、前記第１の物理センサと前記第２の物理センサが配置される。【選択図】図１
2018009908.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の検出軸での検出結果を出力する物理センサを複数備えたセンサ装置であって、
複数の検出軸のそれぞれは、検出軸にそった検出方向があり、
複数の前記物理センサの中の第１の物理センサは、前記第１の物理センサの複数の検出軸の中に第１の検出軸を有し、
複数の前記物理センサの中の第２の物理センサは、前記第２の物理センサの複数の検出軸の中に第２の検出軸を有し、
前記第１の検出軸と前記第２の検出軸は重複し、前記第１の検出軸の検出方向と前記第２の検出軸の検出方向は逆方向となるように、前記第１の物理センサと前記第２の物理センサが配置されたこと
を特徴とするセンサ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のセンサ装置であって、
前記第１の検出軸での検出結果と前記第２の検出軸での検出結果を合成し、前記第１の検出軸での結果として出力すること
を特徴とするセンサ装置。
【請求項３】
請求項２に記載のセンサ装置であって、
前記第１の検出軸での検出結果と前記第２の検出軸での検出結果の合成として差を算出し、前記第１の検出軸の結果として出力すること
を特徴とするセンサ装置。
【請求項４】
請求項３に記載のセンサ装置であって、
前記第１の物理センサと前記第２の物理センサは共通の電源が供給されること
を特徴とするセンサ装置。
【請求項５】
請求項１に記載のセンサ装置であって、
少なくとも前記第１の検出軸での検出結果と前記第２の検出軸での検出結果から、前記センサ装置の姿勢を求め、姿勢の情報を出力すること
を特徴とするセンサ装置。
【請求項６】
請求項２に記載のセンサ装置であって、
前記第１の物理センサは、前記第１の物理センサの複数の検出軸の中に、第１の検出軸と直交する第３の検出軸をさらに有し、
前記第２の物理センサは、前記第２の物理センサの複数の検出軸の中に、第２の検出軸と直交する第４の検出軸をさらに有し、
さらに前記第３の検出軸と前記第４の検出軸は直交するように、前記第１の物理センサと前記第２の物理センサが配置され、前記第１の検出軸と前記第３の検出軸と前記第４の検出軸により３軸物理センサとなること
を特徴とするセンサ装置。
【請求項７】
請求項６に記載のセンサ装置であって、
前記第１の物理センサは、
前記第１の検出軸と前記第３の検出軸のいずれとも直交する第５の検出軸をさらに有し、
前記第１の検出軸と前記第３の検出軸で加速度を検出し、
前記第５の検出軸で角速度を検出し、
前記第２の物理センサは、
前記第２の検出軸と前記第４の検出軸のいずれとも直交する第６の検出軸をさらに有し、
前記第２の検出軸と前記第４の検出軸で加速度を検出し、
前記第６の検出軸で角速度を検出すること
を特徴とするセンサ装置。
【請求項８】
請求項２に記載のセンサ装置であって、
互いに直交する第１の基板と第２の基板を有し、
前記第１の物理センサと前記第２の物理センサは、同じ形状であり、
前記第１の物理センサの第１の面と前記第２の物理センサの第２の面は同じ形状であり、
前記第１の面と直交する前記第１の物理センサの第３の面と、前記第２の面と直交する前記第２の物理センサの第４の面は同じ形状であり、
前記第１の基板に前記第１の面が接し、前記第２の基板に前記第２の面が接し、前記第３の面を通過する前記第１の検出軸と、前記第４の面を通過する前記第２の検出軸は重複し、前記第１の検出軸の検出方向と前記第２の検出軸の検出方向は逆方向となるように、前記第１の物理センサと前記第２の物理センサが配置されたこと
を特徴とするセンサ装置。
【請求項９】
請求項２に記載のセンサ装置であって、
表と裏のある両面基板を有し、
前記第１の物理センサと前記第２の物理センサは、同じ形状であり、
前記第１の物理センサの第１の面と前記第２の物理センサの第２の面は同じ形状であり、
前記第１の物理センサの第３の面と、前記第２の物理センサの第４の面は同じ形状であり、
前記両面基板の表に前記第１の面が接し、前記両面基板の裏に前記第２の面が接し、前記第３の面を通過する前記第１の検出軸と、前記第４の面を通過する前記第２の検出軸は重複し、前記第１の検出軸の検出方向と前記第２の検出軸の検出方向は逆方向となるように、前記第１の物理センサと前記第２の物理センサが配置されたこと
を特徴とするセンサ装置。
【請求項１０】
請求項２に記載のセンサ装置であって、
前記第１の検出軸での検出結果と前記第２の検出軸での検出結果をカルマンフィルタで合成し、前記第１の検出軸の結果として出力すること
を特徴とするセンサ装置。
【請求項１１】
複数の検出軸での検出結果を出力する物理センサを複数備えたセンサ装置であって、
複数の検出軸のそれぞれは、検出軸にそった検出方向があり、
複数の前記物理センサの中の第１の物理センサは、前記第１の物理センサの複数の検出軸の中に第１の検出軸を有し、
複数の前記物理センサの中の第２の物理センサは、前記第２の物理センサの複数の検出軸の中に第２の検出軸を有し、
前記第１の検出軸と前記第２の検出軸は重複し、前記第１の検出軸の検出方向と前記第２の検出軸の検出方向は同じ方向となるように、前記第１の物理センサと前記第２の物理センサが配置されたこと
を特徴とするセンサ装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載のセンサ装置であって、
前記第１の検出軸での検出結果と前記第２の検出軸での検出結果の合成として和を算出し、前記第１の検出軸の結果として出力すること
を特徴とするセンサ装置。
【請求項１３】
請求項２に記載のセンサ装置において、
前記物理センサそれぞれから検出結果が読み出されるサンプルレートは、
前記物理センサの信号帯域の２倍以上であること
を特徴とするセンサ装置。
【請求項１４】
第１の検出軸を有する第１の物理センサと、第２の検出軸を第２の物理センサを備えたセンサ装置であって、
前記第１の検出軸と前記第２の検出軸のそれぞれは、検出軸にそった検出方向があり、
前記第１の検出軸と前記第２の検出軸は重複し、前記第１の検出軸の検出方向と前記第２の検出軸の検出方向は逆方向となるように、前記第１の物理センサと前記第２の物理センサが配置され、
前記第１の検出軸での検出結果と前記第２の検出軸での検出結果を合成し、前記第１の検出軸での結果として出力すること
を特徴とするセンサ装置。
【請求項１５】
請求項１に記載のセンサ装置を備えた自動運転車両であって、
前記第１の検出軸は加速度を検出する検出軸であり、
前記第２の検出軸は加速度を検出する検出軸であり、
前記第１の検出軸での加速度の検出結果と前記第２の検出軸での加速度の検出結果を合成し、前記第１の検出軸での加速度の結果とし、
前記第１の検出軸での加速度の結果を用いて運転を制御すること
を特徴とする自動運転車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサ装置および自動運転車両に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の安全支援・自動運転、ロボットの制御、そしていわゆるドローン等と呼ばれる自律飛行装置等のアプリケーションが普及しつつある。これらのアプリケーションでは、対象の姿勢や角度を検出することがその制御に重要である。このため、角速度・加速度を検出する慣性センサがこれらのアプリケーションで重要なコンポーネントとなっている。
【０００３】
さらに今日ではＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems）と呼ばれる、半導体の微細加工技術を用いて作製される微小機械デバイスによって、実用レベルの確度・精度を有する慣性センサが市販されるようになってきた。ＭＥＭＳで作製される慣性センサは、半導体プロセスによって作製されるため、センサエレメント(慣性力を検出する機械構造)を並列かつ大量に作ることができる。このことが、従来高価格であった慣性センサの低価格化をもたらし、前述のようなアプリケーションを一般的にする原動力となっている。
【０００４】
一般に、慣性センサを用いた姿勢の検出原理は大きく２つある。１つ目は、重力が垂直方向に常に１Ｇ(9.8m/s2)であることを利用し、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向それぞれの感度を持つ加速度センサから、どちらの方向に重力がかかっているかをみることで、傾き方向、すなわち姿勢を得る方法である。この原理は、対象が加速していたり、回転運動をして遠心力が加速度センサにかかるような状態であったりする場合は、その慣性力(外乱)によって、誤差を生じる。
【０００５】
もうひとつ姿勢検出原理として、角速度センサを時間積分して、積分開始時点からの角度変化量を計算するものがある。この検出原理には、対象が加速していたり、回転運動による遠心力がセンサに印加されたりしていても、本質的にこれらの影響を受けない。これは、加速度センサを用いた姿勢の検出原理にはない特徴である。
【０００６】
しかし、時間積分によって姿勢を検出する原理では、絶対姿勢を得ることができず、得られるのは初期姿勢からの相対姿勢に留まる。何らかの方法で初期姿勢を定義し、相対姿勢を加算することで姿勢を得ることは可能である。しかし、積分によるバイアス誤差の積算があるため、オフセットのドリフトが大きくなり、絶対姿勢に対する誤差が時間と共に大きくなってしまう。そこで、加速度センサによって絶対姿勢の補正を適宜行う共に、角速度センサによって姿勢検出を行う、信号処理を組み合わせた計測システムが用いられることがある。
【０００７】
本技術分野の背景技術として、例えば特許文献１がある。特許文献１では、３軸の角速度センサと、加速度センサの、それぞれの出力をカルマンフィルタで処理し、角速度センサのオフセットドリフトを推定する慣性計測装置において、第４の角速度センサを設けることで、角速度センサのオフセットドリフトを精度よく推定する手法が開示されている。また、特許文献２では全ての検出軸に対して感度を持つ冗長な検出軸を設け、検出軸が故障した際には冗長軸で代用するという機能によって、故障耐性を高めたセンサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２−５２９０４号公報
【特許文献２】特開２００１−２６４３５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に示されるような、角速度の積分と、加速度から姿勢角を得る構成の慣性センサについて検討した結果、以下の課題が明らかとなった。すなわち、角速度センサでは絶対姿勢を得ることができないため、角速度センサを用いて絶対姿勢を精度良く求めるには、初期姿勢を精度良く得ることが重要であり、加速度センサの高精度化が必要となる。
【００１０】
特許文献１に、角速度センサのオフセットドリフト等を向上する技術は開示されているが、絶対姿勢検出の精度向上に関する技術は開示されていない。また、特許文献２に開示された技術は、故障発生時の耐性を高めるものであって、やはり姿勢検出の精度向上に関する技術ではない。
【００１１】
例えば、加速度センサの精度向上に関しては、ＭＥＭＳ型に対していわゆるバルク型と呼ばれる、質量のある検出マスを有する加速度センサを用いる技術がある。しかしながら、コスト・サイズ面での負担を強いることとなるため、背景技術に記載のような、コストが原因で従来普及していなかったアプリケーションを実現するという観点においては、現実的ではない。
【００１２】
また、ＭＥＭＳ型センサにおいて、特別に検出マスの質量を大きくした検出エレメントを開発したり、大きなサイズのＭＯＳ(Metal-Oxide Semiconductor)トランジスタを検出回路に利用した低ノイズ回路を開発したりすることで、加速度センサの精度向上を図ることは可能である。しかしながら、開発のための設計コストがかかるほか、開発のための時間もかかってしまう。
【００１３】
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、物理センサの検出精度向上を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
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、請求項に記載の構成の通りである。その１つは、複数の検出軸での検出結果を出力する物理センサを複数備えたセンサ装置であって、複数の検出軸のそれぞれは、検出軸にそった検出方向があり、複数の前記物理センサの中の第１の物理センサは、前記第１の物理センサの複数の検出軸の中に第１の検出軸を有し、複数の前記物理センサの中の第２の物理センサは、前記第２の物理センサの複数の検出軸の中に第２の検出軸を有し、前記第１の検出軸と前記第２の検出軸は重複し、前記第１の検出軸の検出方向と前記第２の検出軸の検出方向は逆方向となるように、前記第１の物理センサと前記第２の物理センサが配置されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、物理センサの検出精度を向上することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施例１における、慣性センサの例を示す図である。
【図２】実施例１における、第１の複合慣性センサの例を示す上面図である。
【図３】実施例１における、第１の複合慣性センサの例を示す側面図である。
【図４】実施例１における、第２の複合慣性センサの例を示す上面図である。
【図５】実施例１における、第２の複合慣性センサの例を示す側面図である。
【図６】信号処理集積回路チップの例を示す図である。
【図７】差分計算の信号処理の例を示す図である。
【図８】カルマンフィルタの信号処理の例を示す図である。
【図９】センサ出力に同相ノイズが存在する例を示す図である。
【図１０】センサ出力に無相関ノイズが存在する例を示す図である。
【図１１】センサ出力の帯域と、サンプリングレートの関係を示す図である。
【図１２】実施例２における、複合慣性センサの例を示す上面図である。
【図１３】実施例２における、複合慣性センサの例を示す側面図である。
【図１４】実施例３における、慣性センサの例を示す図である。
【図１５】実施例４における、慣性センサの例を示す図である。
【図１６】実施例５における、慣性センサの例を示す図である。
【図１７】実施例６における、慣性センサの例を示す図である。
【図１８】実施例７における、自動車の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下の実施の形態（実施例）においては、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
【００１８】
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。
【００１９】
以下の実施において、特に断りのない限り「加速度」と「角速度」は相互に入れ替え可能であるが、説明を簡単にするために、「加速度」と「角速度」の組み合わせとして１通りの実施例を示すこととする。
【実施例１】
【００２０】
図１は、慣性センサの例を示す図である。実施例１の慣性センサでは、センサパッケージ部１０１に、第１の複合慣性センサ１０２と、第２の複合慣性センサ１０３と、マイクロコントローラ(マイコン、ないしはマイクロプロセッサ)１０４と、電源レギュレータＩＣ（Integrated Circuit）１０５を有する。
【００２１】
第１の複合慣性センサ１０２は、図１のＸ正方向に加速度感度を持つ第１の加速度検出軸１０８ａと、図１のＹ正方向に加速度感度を持つ第２の加速度検出軸１０８ｂと、図１のＺ軸回り正方向(Yaw)に角速度感度を持つ第１の角速度検出軸１０９を備えている。
【００２２】
また、第２の複合慣性センサ１０３は、図１のＸ負方向に加速度感度を持つ第３の加速度検出軸１０６ａと、図１のＺ正方向に加速度感度を持つ第４の加速度検出軸１０６ｂと、図１のＹ軸回り正方向(Roll)に角速度感度を持つ第２の角速度検出軸１０７を備えている。
【００２３】
従って、第１の複合慣性センサ１０２と、第２の複合慣性センサ１０３は、いずれも２つの加速度検出軸と、１つの角速度検出軸を有する、いわゆる３軸検出のセンサである。このように複数の検出軸を有するセンサが、トランスファーモールドパッケージやプリモールドパッケージといったパッケージング技術によって、１つのパッケージで封止されている状態を「センサモジュール」と呼ぶこともある。すなわち、本実施例では、センサパッケージ部１０１に、２つの３軸センサモジュールが実装される。なお、センサモジュールはセンサの実装される最小の単位であるとも言える。
【００２４】
ここで、電源レギュレータＩＣ１０５は、コネクタ１１０から供給された電源電圧を、第１の複合慣性センサ１０２と第２の複合慣性センサ１０３に適した電圧へ変換し、配線１１１を通じて供給する。すなわち、第１の複合慣性センサ１０２と、第２の複合慣性センサ１０３は、同一の電源レギュレータＩＣ１０５から電源の供給を受ける。
【００２５】
マイクロコントローラ１０４は、第１の複合慣性センサ１０２および第２の複合慣性センサ１０３とプリント基板の配線(図示省略)等によって接続されるとともにコネクタ１１０に接続され、第１の複合慣性センサ１０２と第２の複合慣性センサ１０３の測定結果（出力結果）や、その測定結果に基づくセンサパッケージ部１０１の姿勢に関する情報を、コネクタ１１０を通じて出力する。この出力する信号の内容や姿勢を計算する信号処理については後述する。
【００２６】
図２は、第１の複合慣性センサ１０２(センサモジュール)の例を示す上面図である。ここで、図２のＺ正方向と上とする。第１の複合慣性センサ１０２は、パッケージ２０１、外部電極２０３、信号処理集積回路チップ(LSI)２０４、加速度検出エレメントチップ２０５、角速度検出エレメントチップ２０６、パッド２０７、ボンディングワイヤ２０８からなる。そして、例えばパッド２０７と角速度検出エレメントチップ２０６は配線で接続される。
【００２７】
図３は、第１の複合慣性センサ１０２の例を示す側面図である。ここで、図３のＹ負方向を側方とする。パッケージ２０１は、図１では省略したパッケージふた２０２を含み、内包する半導体チップ等を保護する外装であり、例えばプリモールドパッケージである。図２に示すように、パッケージ２０１内に空洞(チャンバー)を有する構造の他、熱硬化樹脂によって空洞が埋められてパッケージが形成される構造であってもよい。なお、図２において、図１に示した物と同じ物には同じ符号を付す。
【００２８】
このように、パッケージ２０１には加速度検出エレメントチップ２０５と角速度検出エレメントチップ２０６が含まれるため、パッケージ２０１が単体でもその出力は、２軸の加速度と１軸の角速度の出力であり、３軸検出モジュールの出力となる。
【００２９】
パッケージ２０１内の空洞に、信号処理集積回路チップ２０４は接着剤(図示省略)等によって固定され、さらに、加速度検出エレメントチップ２０５と角速度検出エレメントチップ２０６は、信号処理集積回路チップ２０４にそれぞれ接着剤(図示省略)等で固定される。そして、パッケージ２０１内に固定された信号処理集積回路チップ２０４、加速度検出エレメントチップ２０５、角速度検出エレメントチップ２０６は、パッド２０７を通じて電気的に接続される。
【００３０】
まず、加速度検出エレメントチップ２０５と信号処理集積回路チップ２０４がどのように加速度を検出して処理するかについて述べる。加速度検出エレメントチップ２０５には、加速度を検出する第１の検出エレメント２１１と、第２の検出エレメント２１２が、直交する検出軸を有して配置されている。このため、加速度検出エレメントチップ２０５は２軸の加速度検出が可能である。なお、第１の検出エレメント２１１と第２の検出エレメント２１２は、図２においてそれぞれ破線で囲まれた部分である。
【００３１】
第１の検出エレメント２１１は図２のＹ方向の加速度を検出するエレメントであり、アンカー部２１１ａにばね部２１１ｆを通じて検出マス部２１１ｃが懸架されるバネマス系が構築される。ここで、静的な線形の加速度が印加されると、
【００３２】
【数１】
2018009908.tif 000003
ｍ：検出マス部２１１ｃの質量、ａ：印加された加速度、
ｋ：ばね部２１１ｆのばね定数、ｘ：変位量
の式１に従った変位が発生する。
【００３３】
この変位は、検出マス部２１１ｃと検出電極２１１ｂとのギャップ変化をもたらし、静電容量を変化させる。信号処理集積回路チップ２０４は電気的にこの静電容量変化を得て、加速度を算出する。この詳細な構成については、後述する。また、第２の検出エレメント２１２も第１の検出エレメント２１１と同じ構造であるが、検出軸が異なるため、検出電極の配置が異なる。
【００３４】
次に、角速度検出エレメントチップ２０６と信号処理集積回路チップ２０４がどのように角速度を検出して処理するかの原理について述べる。角速度検出エレメントチップ２０６には、角速度を検出する検出エレメント２１０が配置されている。検出エレメント２１０は、図２において破線で囲まれた部分であって、図２のＺ軸周りの角速度を検出するエレメントであり、アンカー部２１０ｃにばね部２１０ｇを通じて検出マス部２１０ｆが懸架されるバネマス系が構築される。
【００３５】
ここで、検出マス部２１０ｆは、検出マス部２１０ｆと駆動電極２１０ｂで構成されるコンデンサに信号処理集積回路チップ２０４から印加された交流信号によって、図２のＹ方向に、一定の振動数と振動振幅で振動する(駆動振動)。一定の振動数と振動振幅を維持するために、駆動モニタ電極２１０ａが別途設けられ、Ｙ方向の振動数と振動振幅が静電容量変化として信号処理集積回路チップ２０４に入力される。駆動振動に関する信号処理集積回路チップ２０４の詳細については後述する。
【００３６】
ここで、検出マス部２１０ｆのＹ方向の振動によって生じる変位速度をｖと置くとき、Ｚ軸周りの角速度Ωが印加されると、
【００３７】
【数２】
2018009908.tif 000004
の式に従ったコリオリ力が図２のＸ方向に発生する。
Ｆ：コリオリ力、ｍ：検出マス部２１０ｆの質量、
Ω:印加角速度、ｖ： 検出マス部２１０ｆの変位速度
【００３８】
信号処理集積回路チップ２０４が、このコリオリ力によって発生するＸ方向の変位を検出マス部２１０ｆと検出電極２１０ｄ間の静電容量変化として得て、角速度を算出する。なお、ここで発生する変位量は、式１に類似した式で表現されるが、実際は角速度検出エレメントチップ２０６の封止圧力および駆動方向の振動数、検出方向の振動数に依存した式となる。この式の詳細については説明を省略する。また、この静電容量変化を電気的に得る信号処理集積回路チップ２０４については後述する。
【００３９】
図４は、第２の複合慣性センサ１０３(センサモジュール)の例を示す上面図である。ここで、図４のＺ正方向と上とする。第２の複合慣性センサ１０３は、パッケージ３０１、外部電極３０３、信号処理集積回路チップ３０４、加速度検出エレメントチップ３０５、角速度検出エレメントチップ３０６、パッド３０７、ボンディングワイヤ３０８からなる。そして、例えばパッド３０７と角速度検出エレメントチップ３０６は配線で接続される。
【００４０】
図５は、第２の複合慣性センサ１０３の例を示す側面図である。ここで、図５のＹ負方向を側方とする。パッケージ３０１は、図４では省略したパッケージふた３０２を含み、パッケージ３０１の構造は、図２、３に示したパッケージ２０１の構造と同じであるので、説明を省略する。パッケージ３０１には加速度検出エレメントチップ３０５と角速度検出エレメントチップ３０６が含まれるため、パッケージ３０１が単体でもその出力は、２軸の加速度と１軸の角速度の出力であり、３軸検出モジュールの出力となる。
【００４１】
加速度検出エレメントチップ３０５には、加速度を検出する第１の検出エレメント３１１と、第２の検出エレメント３１２が、直交する検出軸を有して配置されている。このため、加速度検出エレメントチップ３０５は２軸の加速度検出が可能である。なお、第１の検出エレメント３１１と第２の検出エレメント３１２は、図４においてそれぞれ破線で囲まれた部分である。第１の検出エレメント３１１は図４のＹ方向の加速度を検出するエレメントであり、第１の検出エレメント２１１と同じ構造であるため、説明を省略する。
【００４２】
第２の検出エレメント３１２は、図４のＺ方向の加速度を検出するエレメントであり、アンカー部３１２aにばね部３１２ｆを通じて検出マス部３１２ｃが懸架されるバネマス系が構築される。なお、図４では、検出マス部３１２ｃが面外電極３１２ｂに隠れるため、図５に示す。ここで、静的な線形の加速度が印加されると、式１に従った変位が発生する。
【００４３】
この変位を静電容量の変化として得るため、第２の検出エレメント３１２では、図５に示すように、加速度検出エレメントチップ３０５のＺ方向に面外電極３１２ｂが設けられている。検出マス部３１２ｃと面外電極３１２ｂとのギャップ変化が静電容量の変化をもたらすので、信号処理集積回路チップ２０４は電気的にこの静電容量変化を得て、加速度を算出する。この詳細な構成については、後述する。
【００４４】
また、図４に示す角速度検出エレメントチップ３０６には、角速度を検出する検出エレメント３１０が配置されている。検出エレメント３１０は、図４において破線で囲まれた部分であって、図４のＸ軸周りの角速度を検出するエレメントであり、アンカー部３１０ｃにばね部３１０ｇを通じて検出マス部３１０ｆが懸架されるバネマス系が構築される。なお、図４では、検出マス部３１０ｆが面外電極３１０ｄに隠れるため、図５に示す。
【００４５】
そして、検出マス部３１０ｆのＹ方向の振動によって生じる変位速度をｖと置くとき、Ｘ軸周りの角速度Ωが印加されると、式２に従った力が図５のＺ方向に発生する。このコリオリ力によって発生するＺ方向の変位を検出するため、検出エレメント３１０では、図５に示すように、面外電極３１０ｄが設けられており、角速度検出エレメントチップ３０６は検出マス部３１０ｆと面外電極３１０ｄ間の静電容量変化を得て、角速度を算出する。
【００４６】
なお、図２〜４では、検出マス部２１１ｃ、２１０ｆ、３１２ｃ、３１０ｆに対して、検出電極２１１ｂ、２１０ｄと面外電極３１２ｂ、３１０ｄをそれぞれ２つ備える例を示したが、加速度に対して十分な容量変化が得られるのであれば、各電極は１つであってもよい。
【００４７】
次に、第１の複合慣性センサ１０２の信号処理集積回路チップ２０４の例について図６を用いて説明する。信号処理集積回路チップ２０４は、コネクタ１１０経由でセンサパッケージ部１０１に供給された電源を、電源レギュレータＩＣ１０５で所定の電圧に調整されて供給される。ここで、１つの電源レギュレータＩＣ１０５は、図１で示したとおり同じ配線１１１を通じて、第１の複合慣性センサ１０２に加えて第２の複合慣性センサ１０３へも電源を供給する。
【００４８】
供給された電源は、信号処理集積回路チップ２０４内のＬＳＩレギュレータ部５０２により電圧がさらに調整され、信号処理集積回路チップ２０４のアナログ部基準電圧として用いられる。このアナログ部基準電圧は、例えば、発振器５０３、キャリア生成部５０４、駆動信号生成部５０５、駆動側ＣＶ変換部５０８、駆動側ＡＤＣ部５０９、検出側ＣＶ変換部５１３、検出側ＡＤＣ部５１４、Ｙ側ＣＶ変換部５１６、Ｙ側ＡＤＣ部５１７、Ｘ側ＣＶ変換部５１８、Ｘ側ＡＤＣ部５１９、温度センサ５２２、キャリア生成部５２４に対して、図６の太線で示すように供給されることが好ましい。
【００４９】
なお、第１の複合慣性センサ１０２の信号処理集積回路チップ２０４はＬＳＩレギュレータ部５０２を備えず、電源レギュレータＩＣ１０５から供給される電源が信号処理集積回路チップ２０４内の各部へ直接に供給されてもよい。
【００５０】
以下に、信号処理集積回路チップ２０４における加速度検出の信号処理について述べる。信号処理集積回路チップ２０４は、発振器５０３で周波数数100KHz程度の交流信号を生成する。この交流信号はキャリア生成部５２４で所定の電圧レベルに調整され、加速度検出エレメントチップ２０５の検出マス部２１１ｃに、パッド２０７とボンディングワイヤ２０８を通じて印加される。この交流信号をキャリア信号と呼ぶ。
【００５１】
検出マス部２１１ｃに印加されるキャリア信号は交流信号であるので、検出マス部２１１ｃと検出電極２１１ｂ−１、２１１ｂ−２との静電容量に加速度の印加による変化があると、検出電極２１１ｂ−１、２１１ｂ−２の交流電流に変化が生じる。この交流電流の変化を静電容量の変化であるとして、この静電容量はＣＶ変換部５１６で電圧信号に変換され、ＡＤＣ(Analog-Digital Convertor)部５１７を通じてデジタル信号へと変換される。
【００５２】
また、加速度検出エレメントチップ２０５の検出マス部２１２ｃにもキャリア信号がキャリア生成部５２４から印加され、検出電極２１２ｂ−１、２１２ｂ−２の交流電流の変化を静電容量の変化であるとして、この静電容量はＣＶ変換部５１８で電圧信号に変換され、ＡＤＣ部５１９を通じてデジタル信号へと変換される。そして、ＡＤＣ部５１７とＡＤＣ部５１９で変換されたデジタル信号は補正回路５２１に入力される。
【００５３】
メモリ５２０には補正内容があらかじめ格納されており、補正回路５２１はメモリ５２０の補正内容に従ってオフセットや感度の補正を行ったり、温度センサ５２２の出力に応じた温度依存性補償を行ったりした後、ＳＰＩ(Serial Peripheral Interface)通信等のデジタル通信回路５２３を通じて第１の複合慣性センサ１０２外へ検出した加速度の情報を出力する。
【００５４】
次に、信号処理集積回路チップ２０４における角速度検出の信号処理について述べる。角速度の検出には、検出マス部２１０ｆを一定の周波数および振幅で振動させる必要がある。これを実現するため、信号処理集積回路チップ２０４は、発振器５０３を用いて、検出マス部２１０ｆを振動させるための駆動信号となる交流信号を生成する。
【００５５】
図６の例では、加速度検出のためにキャリア生成部５２４へ出力する発振器５０３を、角速度検出のための交流信号の生成にも兼用するが、加速度検出のための発振器とは独立な別個体の発振器であってもよい。加速度検出と角速度検出とで異なる周波数の交流信号が使用される場合は、発振器５０３の出力に図示を省略した分周器や逓倍器が備えられて、それぞれの交流信号が生成されてもよい。
【００５６】
発振器５０３から出力された交流信号は、駆動信号生成部５０５にて所定の電圧に増幅され、さらにゲイン調整部５０６を通じて、角速度検出エレメントチップ２０６の駆動電極２１０ｂ−２へ印加される。また、ゲイン調整部５０６の出力が位相反転器５０７で位相反転された交流信号は、駆動電極２１０ｂ−１へ印加される。これらの交流信号の印加によって静電力が生じ、検出マス部２１０ｆは振動する。
【００５７】
この振動の振幅と周波数を検出するため、発振器５０３は周波数が数100KHz程度の交流信号を生成する。この周波数は静電容量検出のためのキャリア信号と同じであっても、異なっていてもよい。周波数が同じである場合は、回路構成が単純になるものの、信号カップリングの発生する可能性があるため、異なる周波数を用いる方が好ましい。
【００５８】
発振器５０３から出力された交流信号はキャリア生成部５０４で所定の電圧レベルに調整され、角速度検出エレメントチップ２０６の検出マス部２１０ｆに、パッド２０７とボンディングワイヤ２０８を通じて印加される。この交流電圧信号をキャリア信号と呼ぶ。検出マス部２１０ｆに印加されるキャリア信号は交流信号であるので、検出マス部２１０ｆに変位があると、検出マス部２１０ｆと駆動モニタ電極２１０a−１、２１０ａ−２との静電容量が変化し、駆動モニタ電極２１０ａ−１、２１０ａ−２の交流電流に変化が生じる。
【００５９】
この交流電流の変化を静電容量の変化であるとして、この静電容量はＣＶ変換部５０８で電圧信号に変換され、ＡＤＣ部５０９を経て同期検波部５１０に送られる。同期検波部５１０は、検出マス部２１０ｆの駆動振動と所定の周波数との位相差と、検出マス部２１０ｆ変位の振幅成分の２つを抽出し、抽出された位相差を周波数制御部５１１へ出力し、抽出された振幅成分を振幅制御部５１２へ出力する。
【００６０】
周波数制御部５１１は、検出マス部２１０ｆの駆動振動との位相差に基づいて、駆動振動の周波数と所定の周波数とが一致するよう、発振器５０３へ制御信号を出力する。また、振幅制御部５１２は、あらかじめ定められた検出マス部２１０ｆの駆動振幅を維持するよう、ゲイン調整部５０６へ制御信号を出力する。これら２つの制御信号によって、検出マス部２１０ｆの駆動振動は一定の振幅と一定の周波数が維持される。
【００６１】
角速度検出エレメントチップ２０６の検出マス部２１０ｆの駆動振動が維持されている状態で、角速度が印加されると、コリオリ力によって検出電極２１０ｄ−１、２１０ｄ−２に対する検出マス部２１０ｆの変位が発生し、検出マス部２１０ｆと検出電極２１０ｄ−１、２１０ｄ−２との静電容量に変化をもたらす。キャリア生成部５０４から検出マス部２１０ｆにキャリア信号が印加されているため、静電容量はＣＶ変換部５１３で電圧信号に変換され、ＡＤＣ部５１４を通じて検出部５１５へ送られる。
【００６２】
検出部５１５は、同期検波処理によって検出マス部２１０ｆの変位が持つ振幅成分を抽出して、検出マス部２１０ｆに加わった力すなわちコリオリ力を算出する。算出されたコリオリ力は、式２に示すとおり印加角速度に比例する力であり、他の係数は定数であるので、検出した印加角速度と言ってよい。検出した印加角速度は、補正回路５２１でオフセット・ゲイン調整を行ったり、温度センサ５２２の出力に応じた温度依存性補償を行ったりした後、デジタル通信回路５２３を通じて第１の複合慣性センサ１０２外へ出力される。
【００６３】
ところで、駆動振幅が大きくなり駆動方向の速度も大きくなると、式２に示す通り、角速度によって発生するコリオリ力もこれに比例して大きくなる。従って、センサの感度(Scale Factor)を大きくするという観点では、駆動振幅を最大化することが望ましい。限られた電圧範囲内で最大の駆動振幅を得るためには、検出マス部２１０ｆの共振周波数で駆動することが効率上、好適である。従って、周波数制御部５１１は、駆動信号を、検出マス部２１０ｆの共振周波数（一般に、固有振動数とほぼ同一）にするように制御することが好ましい。
【００６４】
第１の複合慣性センサ１０２は単一電源で動作する回路であってもよいし、複数の電圧の電源で動作する回路であってもよい。単一電源で動作する回路である場合、電源レギュレータＩＣ１０５とＬＳＩレギュレータ部５０２は電源として１つの電圧を出力してもよい。
【００６５】
１つの電源電圧を用いて、正方向の加速度または角速度と、負方向の加速度または角速度をアナログ信号で表すために、例えば、加速度または角速度が印加されていない状態のアナログ信号は電源電圧の半分の電圧であってもよい。そして、正方向を表すアナログ信号は電源電圧の半分の電圧より大きい電圧であり、負方向を表すアナログ信号は電源電圧の半部の電圧より小さい電圧であってもよい。
【００６６】
デジタル通信回路５２３の加速度および角速度の情報は、正方向の情報と負方向の情報を含み、例えば２の補数表現に基づいて、正方向を正の値、負方向を負の値とする極性が含まれてもよい。また、デジタル通信回路５２３は第１の複合慣性センサ１０２の外からデータ要求を受信し、データ要求を受信した時点での加速度または角速度の情報のデータを送信してもよい。特に、マイクロコントローラ１０４からデータ要求を受信し、マイクロコントローラ１０４へデータを送信してもよい。
【００６７】
次に、マイクロコントローラ１０４の信号処理について説明する。マイクロコントローラ１０４は、第１の複合慣性センサ１０２と第２の複合慣性センサ１０３から得られた合計２軸角速度出力と、３軸加速度出力（ただし、３軸の中の１軸加速度は２つの複合慣性センサから得られる）を得て、これらの情報からセンサパッケージ部１０１の姿勢を計算する。
【００６８】
加速度と角速度を用いて姿勢が計算される場合、マイクロコントローラ１０４は、例えば、初期姿勢を加速度センサ出力と逆三角関数を用いて計算し、それ以降の姿勢変化は角速度の時間積分によって得る相対変化を用いる信号処理を行う。また、いわゆるカルマンフィルタ(Kalman Filter)のような常に加速度と角速度の値を用いるフィルタリング技術を実装し、直接対象の姿勢を推定したり、相補フィルタ(Complemental Filter)と呼ばれる応用に相当する、センサの誤差を推定したりすることで、姿勢を求める信号処理をしていてもよい。
【００６９】
いずれの信号処理であっても、絶対姿勢を検出するための加速度が必要になるため、加速度センサの高精度化が、姿勢を推定する上で重要である。そこで、本実施例では、２つの３軸複合慣性センサの各１軸を共通の検出軸とする。すなわち、図１の例では、第１の複合慣性センサ１０２の第１の加速度検出軸１０８ａと第２の複合慣性センサ１０３の第３の加速度検出軸１０６ａを検出方向の異なる重複した検出軸（Ｘ軸）とするように、第１の複合慣性センサ１０２と第２の複合慣性センサ１０３が配置される。
【００７０】
そして、第１の加速度検出軸１０８ａの信号と第３の加速度検出軸１０６ａの信号とが合成され、Ｘ軸の加速度として算出される信号品質(SNR、Signal to Noise Ratio)が改善される。このために、マイクロコントローラ１０４は、第１の加速度検出軸１０８ａの信号と第３の加速度検出軸１０６ａの信号の例えば差分計算を行う。この差分計算は図７に示すように、第１の加速度検出軸１０８ａの出力と第３の加速度検出軸１０６ａの出力のそれぞれを信号XG+と信号XG-とし、信号XG-を極性反転して２つの信号を加算し、半分にして信号XG+’を得てもよい。
【００７１】
例えば、図９に示すように、第１の加速度検出軸１０８aと第３の加速度検出軸１０６aに共通のノイズ要因(コモンノイズ)は、それぞれのセンサ出力である信号XG+と信号XG-に同相で現れる（同相ノイズ）。これに対してマイクロコントローラ１０４は、逆の感度を有する同一物理量を測る軸同士の信号の一方を極性反転して加算しているため、信号XG+’としてコモンノイズがキャンセルされた信号を得られる。
【００７２】
本実施例におけるコモンノイズの例は、電源レギュレータＩＣ１０５が、第１の複合慣性センサ１０２と第２の複合慣性センサ１０３に共通であるので、電源レギュレータＩＣ１０５の出力する電圧に変動が生じると、第１の複合慣性センサ１０２の出力と第２の複合慣性センサ１０３の出力に現れるノイズである。
【００７３】
この電圧の変動の場合、図９において、「Voltage」は単一電源の電圧であって、電圧が一時的に低下すると、アナログ信号である信号XG+の電圧も電源電圧に従って低下する。アナログ信号である信号XG-の「０」は電源電圧の半分の電圧であるから、信号XG-の電圧は「０」からの差が大きくなるように変化し、図９のようになる。
【００７４】
また、センサパッケージ部１０１の設置環境に応じて生じる外来電磁波等による影響も、物理的距離が近い第１の複合慣性センサ１０２と第２の複合慣性センサ１０３の出力においては、コモンノイズとして現れる。これらのコモンノイズをキャンセルすることは、加速度センサの信号品質改善に好適であり、ひいては姿勢計算の高精度化に有益である。
【００７５】
さらに、図１０に示すように、電源や外来電磁波等に限らず、第１の複合慣性センサ１０２の出力と第２の複合慣性センサ１０３の出力には、例えばブラウン運動による検出マス部のランダムな変位や検出に関わる回路の熱雑音等が、無相関なノイズとして発生する。このような無相関なノイズについても、マイクロコントローラ１０４は、逆の感度を有する同一物理量を測る軸同士の信号の一方を極性反転して加算しているため、信号成分は２倍、ノイズ成分は√２倍となり、信号XG+’の信号品質は√２倍(3dB)の改善となる。
【００７６】
本実施例においては、第１の加速度検出軸１０８ａと第３の加速度検出軸１０６ａが逆の感度を有する同一物理量（軸を含む）を測る構成としているが、同一の感度を有してコモンノイズが逆の極性方向に出る場合、あるいは同一の感度を有して無相関なノイズが出る場合は、図７に示した一方を極性反転して加算する処理を、極性反転せずに加算する処理に置き換えてもよい。さらに、図６に示した第１の複合慣性センサ１０２に搭載された温度センサ５２２についても、同様の信号処理を施してもよく、他の複合慣性センサの温度センサについても、同様の信号処理を施してもよい。
【００７７】
また、カルマンフィルタのように加速度センサの出力と角速度センサの出力を常にフィルタ入力に用いて対象の姿勢を検出する信号処理を行う場合においても、逆の感度を有する同一物理量(軸を含む)を測る第１の加速度検出軸１０８aと第３の加速度検出軸１０６aの両方の出力をフィルタに入力することで、姿勢検出の精度向上が得られる。
【００７８】
例えば、図８に示すようなカルマンフィルタの一種である相補フィルタを用いる例を説明する。ここで、θGyroは角速度センサの時間積分によって計算された姿勢、θXG+、θXG-はそれぞれ加速度センサの出力から逆三角関数によって計算された姿勢である。この相補フィルタは、角速度センサの時間積分の誤差を推定し、これを補償する。
【００７９】
このとき、本実施例の構成であれば、図８のように、相補フィルタに入力する信号(θGyro、θXG-)を増やすことができる。相補フィルタでは、入力された複数の信号によりもっともらしいθGyroの誤差を推定するので、θXG+とθXG-に独立した信号成分が含まれていれば、相補フィルタの誤差推定精度を向上することができる。
【００８０】
なお、マイクロコントローラ１０４は、同一物理量(軸を含む)を測る第１の加速度検出軸１０８ａと第３の加速度検出軸１０６ａのそれぞれにおいて検出される加速度の信号の帯域よりも２倍以上早いサンプルレートで、第１の複合慣性センサ１０２と第２の複合慣性センサ１０３のそれぞれからデータを読み出す。図１１に、一例として第３の加速度検出軸１０６aにおいて検出される加速度の信号が100Hzの帯域を有している際の周波数応答グラフを示す。すなわち、少なくとも-3dBの応答低下がある周波数100Hzを、第３の加速度検出軸１０６aにおいて検出される信号の帯域の上限としている。
【００８１】
そして、この帯域である少なくとも直流から100Hzまでには、加速度を表す信号成分、コモンノイズ、および相関のないノイズが含まれており、マイクロコントローラ１０４でのサンプリングレート(読み出し速度、複合慣性センサへのデータ要求の送信間隔)が200Hz未満であると、加速度を表す信号成分、コモンノイズ、および相関のないノイズの信号波形をエイリアシング現象によって歪ませ、以上で説明したとおりの動作を得られない可能性がある。このため、図１１の矢印７０１で示す200Hz以上すなわち２倍以上早いサンプルレートであることが望ましい。
【００８２】
以上のように、本実施例において得られる逆の感度を有する同一物理量(軸を含む)を測る第１の加速度検出軸１０８ａと第３の加速度検出軸１０６ａを活用した信号品質改善は、特に新たな加速度検出軸を追加して得るものではなく、それ単体で加速度・角速度センサとしての機能を提供する３軸センサモジュールを２つ使う構成において必然的に重複する検出軸を、信号処理の入力として活用してもよい。これにより、特別なコスト(ハード費用、開発期間、設置面積)を追加することなく、精度の良い加速度センサ出力、すなわち絶対姿勢の検出を実現すること可能となる。
【実施例２】
【００８３】
実施例１では、第１の複合慣性センサ１０２が第１の検出エレメント２１１と第２の検出エレメント２１２を備えて、２つの検出軸とする例を説明したが、実施例２では、２つの検出軸を有する第１の検出エレメント２１１の例を説明する。図１２は実施例２の複合慣性センサの例を示す上面図であり、図１３は実施例２の複合慣性センサの例を示す側面図である。図２、３を用いて既に説明した構造は、説明を省略する。
【００８４】
ばね部２１１ｆは、図１２のＸ軸とＹ軸の両方に検出マス部２１１ｃが変位できる自由度を有し、図１２のＸ方向への静的な線形加速度が印加された際の変位は検出電極２１１eで検出され、図１２のＹ方向への静的な線形加速度が印加された際の変位は検出電極２１１ｂで検出される。これにより、第１の検出エレメント２１１は２軸の加速度検出を行う。そして、図１に示したセンサパッケージ部１０１の第１の複合慣性センサ１０２を図１２、１３に示した構造とする。
【００８５】
かかる構成とすることで、実施の形態１と同様の長所を活かしつつ、加速度検出エレメントチップ２０５の面積縮小等、より小型化・低価格化を実現できる。
【実施例３】
【００８６】
実施例１では、第１の複合慣性センサ１０２と第２の複合慣性センサ１０３を図１に示す配置とする例を説明したが、実施例３では、第１の複合慣性センサ４０２と第２の複合慣性センサ４０３を図１４に示す配置とする例を説明する。図１４は実施例３の慣性センサの例を示す図である。実施例３の慣性センサは、センサパッケージ部４０１に、第１の複合慣性センサ４０２と、第２の複合慣性センサ４０３と、マイクロコントローラ４０４と、電源レギュレータＩＣ４０５を有する。電源レギュレータＩＣ４０５は第１の複合慣性センサ４０２と第２の複合慣性センサ４０３に電源を供給する。
【００８７】
ここで、実施例３の慣性センサは、実施例１の慣性センサと異なり、第１の複合慣性センサ４０２と第２の複合慣性センサ４０３が、同一形状の略直方体であって、それらの同一の面に対して同一の検出軸を有する、物理的および電気的に同一仕様の複合慣性センサであるが、第１の複合慣性センサ４０２とマイクロコントローラ４０４と電源レギュレータＩＣ４０５の配置された面（ＸＹ面）に対して略垂直の段差４１１（ＸＺ面）に第２の複合慣性センサ４０３は配置される。
【００８８】
このため、例えば、第１の複合慣性センサ４０２は、図１４のＸ正方向に加速度感度を持つ第１の加速度検出軸４０７ａと、図１４のＹ正方向に加速度感度を持つ第２の加速度検出軸４０７ｂと、図１４のＺ軸回り正方向(Yaw)に角速度感度を持つ第１の角速度検出軸４０８を備えているのに対し、第２の複合慣性センサ４０３は、図１４のＸ負方向に加速度感度を持つ第３の加速度検出軸４０８ａと、図１４のＺ正方向に加速度感度を持つ第４の加速度検出軸４０８ｂと、図１４のＹ軸回り正方向(Roll)に角速度感度を持つ第２の角速度検出軸４０９を備えることとなる。
【００８９】
これにより、図１４に示した慣性センサは、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向の加速度を検出でき、YewとRollの角速度を検出できるとともに、図１に示した慣性センサの例と同じくＸ正方向の加速度とＸ負方向の加速度を独立して検出できる。
【００９０】
かかる構成とすることは、実施例１に比較して以下のような利点がある。すなわち、逆の感度を有する同一物理量を測る第１の加速度検出軸４０７ａと第３の加速度検出軸４０８ａの差分計算を行うことで、実施例１で示した信号品質の改善効果を得ることができる。
【００９１】
さらに、第１の複合慣性センサ４０２と第２の複合慣性センサ４０３は、同一仕様の３軸センサモジュールであるので、電源レギュレータＩＣ４０５の変動に追従して発生するコモンノイズの変動量や、感度に加え、温度依存性(バイアス、感度)も２つの３軸センサモジュール間で極めて近い特性を有することが期待される。これらは差動でキャンセルされることが期待されるので、実施例３として有用な効果を得られる。
【実施例４】
【００９２】
実施例１〜３では２つの複合慣性センサを用いる例を説明したが、実施例４では３つの複合慣性センサを用いる例を説明する。図１５は実施例４の慣性センサの例を示す図である。実施例４の慣性センサは、センサパッケージ部１０１に、第１の複合慣性センサ６０１と、第２の複合慣性センサ６０２と、第３の複合慣性センサ６０３と、マイクロコントローラ（図示省略）と、電源レギュレータＩＣ６０５を有する。電源レギュレータＩＣ６０５は第１の複合慣性センサ６０１と第２の複合慣性センサ６０２と第３の複合慣性センサ６０３に電源を供給する。
【００９３】
ここで、基板６１０がセンサパッケージ部１０１内でＸＹ面となるように配置された両面基板であり、第２の複合慣性センサ６０２と第３の複合慣性センサ６０３は、基板６１０の同一面に実装され、第１の複合慣性センサ６０１は、第２の複合慣性センサ６０２と第３の複合慣性センサ６０３が実装されている基板６１０の裏側に実装されている。また、第1の複合慣性センサ６０１は、第３の複合慣性センサ６０３と同一仕様の複合慣性センサすなわちセンサモジュールである。
【００９４】
本実施例においては、図１５に示すように、第１の複合慣性センサ６０１の第１の加速度検出軸６０４ａと、第２の複合慣性センサ６０２の第２の加速度検出軸６０５ｂが逆の感度を有する同一物理量を測る加速度検出軸に該当する。また、第１の複合慣性センサ６０１の第２の加速度検出軸６０４ｂと、第３の複合慣性センサ６０３の第２の加速度検出軸６０６ｂが逆の感度を有する同一物理量を測る加速度検出軸に該当する。また、第２の複合慣性センサ６０２の第１の加速度検出軸６０５ａと、第３の複合慣性センサ６０３の第１の加速度検出軸６０６ａが逆の感度を有する同一物理量を測る加速度検出軸に該当する。
【００９５】
そして、本実施例において、電源レギュレータＩＣ６０５が３軸に関わる複合慣性センサへ電圧を供給しているため、電源変動に対するコモンノイズのキャンセル効果は、３軸の加速度について得ることができ、実施例１で示した逆の感度を有する同一物理量を測る加速度検出軸の合成による信号品質の改善を、３軸の加速度について得ることができる。
【００９６】
なお、実施例３で説明したように、センサパッケージ部１０１内に段差（図示省略）が設けられ、第２の複合慣性センサ６０２の代わりに、第１の複合慣性センサ６０１および第３の複合慣性センサ６０３と同一仕様の複合慣性センサが段差に実装されてもよい。これにより、３つの複合慣性センサが同一仕様となるため、３軸において実施例３で説明した効果が得られる。
【００９７】
さらに、同様の効果を得るために、複合慣性センサが、例えば２軸角速度検出、３軸加速度検出の構造を有するものであってもよい。この５軸複合慣性センサを２つ用いることで同様の効果、すなわち逆の感度を有する同一物理量を測る加速度検出軸の合成による信号品質の改善を、３軸の加速度について得ることができる。
【実施例５】
【００９８】
実施例１〜４ではセンサパッケージ部１０１、４０１の中にマイクロコントローラ１０４、４０４が備えられる例を説明したが、実施例５ではマイクロコントローラ１１０４がセンサパッケージ部１０１０ａ、１０１０ｂの外に備えられる例を説明する。図１６は実施例５の慣性センサの例を示す図である。センサパッケージ部１０１０ａ、１０１０ｂのそれぞれはコネクタ１１００ａ、１１００ｂに接続された通信バス１１０１を介して、基板１１０２上に設置された通信ＩＣ１１０３に接続される。
【００９９】
基板１１０２上で、通信ＩＣ１１０３は通信線１１０５を介してマイクロコントローラ１１０４と位置情報取得モジュール１１０６に接続される。マイクロコントローラ１１０４は、実施例１〜４のマイクロコントローラ１０４、４０４より計算能力の高いＭＰＵ(Micro Processing Unit)を含み、主に実施例１で説明した信号品質の改善を図るため同一物理量を測る加速度検出軸を用いる信号処理を実行する。これにより、姿勢検出のための信号処理が複雑な手順であっても、これを処理することができる上、実施例１に示した利点も引き続き得ることができる。
【０１００】
位置情報取得モジュール１１０６はＧＰＳ(Global Positioning System)受信機のような地球上の絶対座標を得るシステムのためのモジュールであってもよい。この場合、マイクロコントローラ１１０４で地球上の緯度によって異なる重力を補正することで、姿勢検出精度の向上が見込める。なお、センサパッケージ部１０１０ａ、１０１０ｂは実施例１〜４で説明したセンサパッケージ部１０１、４０１のいずれかであってもよい。
【実施例６】
【０１０１】
実施例１〜５では１つの複合慣性センサが複数の検出軸を有する例を説明したが、実施例６では１つの複合慣性センサが１つの検出軸を有する例を説明する。図１７は実施例６の慣性センサの例を示す図である。実施例６の慣性センサは、センサパッケージ部１２０１に、第１の慣性センサ１２０２と、第２の慣性センサ１２０３と、マイクロコントローラ１２０４と、電源レギュレータＩＣ１２０５を有する。
【０１０２】
第１の慣性センサ１２０２は、図１７のＸ正方向に加速度感度を持つ第１の加速度検出軸１２０６を備え、第２の慣性センサ１２０３は、図１７のＸ負方向に加速度感度を持つ第２の加速度検出軸１２０７を備えている。電源ＩＣ１２０５は第１の慣性センサ１２０２と第２の慣性センサ１２０３に電源を供給する。
【０１０３】
かかる構成においても、傾きを１つの検出軸で計測することは可能である。すなわち、Ｘ正方向の加速度出力をXoutとすると、値域の限定こそあるが、Sin-1(Xout)で１つの検出軸の傾きを得られる。従って、実施例１で示した信号処理を適用することで、逆の感度を有する同一角速度を測る２つの出力を合成し、傾きを精度良く算出することが可能である。
【０１０４】
また、本実施の慣性センサが角速度センサである場合は、初期傾きは得られないものの、実施例１で示した信号処理を適用することで、逆の感度を有する同一角速度を測る２つの出力を合成し、相対的な傾きを精度良く算出することができる。
【実施例７】
【０１０５】
実施例１〜６では慣性センサの例を説明したが、実施例７では慣性センサの応用の例を説明する。図１８は自動車１３０１の例を示す図である。実施例７の自動車１３０１は、第１のセンサパッケージ部１３０２と、第２のセンサパッケージ部１３０３と、それらを接続する通信路１３０４を、自動車１３０１内に含む。
【０１０６】
第１のセンサパッケージ部１３０２は、図１に示す第１の複合慣性センサ１０２と、マイクロコントローラ１０４と、電源レギュレータＩＣ１０５を有し、第１のセンサパッケージ部１３０２の第１の複合慣性センサ１０２は、図１のＸ正方向に加速度感度を持つ第１の加速度検出軸１０８ａと、図１のＹ正方向に加速度感度を持つ第２の加速度検出軸１０８ｂと、図１のＺ軸回り正方向(Yaw)に角速度感度を持つ第１の角速度検出軸１０９を備える。
【０１０７】
第２のセンサパッケージ部１３０３は、自動車１３０１内に設置され、自動車の姿勢検出以外の用途向けの慣性センサである。そして、第２のセンサパッケージ部１３０３の慣性センサの少なくとも１つの加速度検出軸は、第１の加速度検出軸１０８ａあるいは第２の加速度検出軸１０８ｂと逆の感度を有する同一物理量を測る慣性センサを含む。
【０１０８】
そして、第１のセンサパッケージ部１３０２のマイクロコントローラ１０４は通信路１３０４を介して第２のセンサパッケージ部１３０３から検出された加速度を取得し、第１のセンサパッケージ部１３０２内で検出された加速度と合成することにより信号品質を改善する。得られた加速度は、自動車１３０１の運転の制御に用いられてもよい。
【０１０９】
かかる構成によって、あらかじめ自動車に設置されている慣性センサを利用し、信号品質を改善することができる。このことは、自動運転や安全運転支援システムといった車両姿勢検出が重要なアプリケーションを、低コストで実現し得るために好適である。また、本実施例は、自動車以外であっても、ロボットやドローン等、慣性センサを用いて姿勢制御を行う装置に活用可能である。
【符号の説明】
【０１１０】
１０１  センサパッケージ部
１０２  第１の複合慣性センサ
１０３  第２の複合慣性センサ
１０４  マイクロコントローラ
１０５  電源レギュレータＩＣ
１０６ａ  第３の加速度検出軸
１０８ａ  第１の加速度検出軸
１１１  配線
【図１】
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【図２】
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【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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