特許 6343341 加速度計制御

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6343341

(24)【登録日】2018年5月25日

(45)【発行日】2018年6月13日

(54)【発明の名称】加速度計制御

(51)【国際特許分類】

   G01P 15/125 20060101AFI20180604BHJP

   G01P 15/13 20060101ALI20180604BHJP

   G01P 15/08 20060101ALI20180604BHJP

【ＦＩ】

   G01P15/125 V

   G01P15/125 Z

   G01P15/13 B

   G01P15/08 101A

【請求項の数】15

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2016-521679(P2016-521679)

(86)(22)【出願日】2014年9月22日

(65)【公表番号】特表2016-532854(P2016-532854A)

(43)【公表日】2016年10月20日

(86)【国際出願番号】GB2014052867

(87)【国際公開番号】WO2015052487

(87)【国際公開日】20150416

【審査請求日】2017年3月23日

(31)【優先権主張番号】1317859.5

(32)【優先日】2013年10月9日

(33)【優先権主張国】GB

(73)【特許権者】

【識別番号】508296554

【氏名又は名称】アトランティック・イナーシャル・システムズ・リミテッド

【氏名又は名称原語表記】Ａｔｌａｎｔｉｃ Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｌｉｍｉｔｅｄ

(74)【代理人】

【識別番号】100086232

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 博通

(74)【代理人】

【識別番号】100092613

【弁理士】

【氏名又は名称】富岡 潔

(72)【発明者】

【氏名】マルヴァーン，アラン リチャード

(72)【発明者】

【氏名】ハリシュ，キラン

【審査官】 森 雅之

(56)【参考文献】

【文献】 特許第５１８４８８０（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開２００１−６６３２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第４６０３６８５（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開２００２−３４０９２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５３４８２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第５６７２９４９（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｐ１５

Ｇ０１Ｃ１９

Ｈ０１Ｌ２９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１および第２の固定コンデンサ電極に対して移動可能なプルーフマスを備える静電容量型加速度計を制御する閉ループ方法であって、
調整可能なマーク／スペース比を用いて前記第１および第２の固定コンデンサ電極に同相および逆位相のパルス幅変調（ＰＷＭ）駆動信号を印加することと、
前記プルーフマスの動作点をヌル位置に維持するよう機械慣性力と静電力とが釣り合うように閉ループで動作することと、
前記ヌル位置からの前記プルーフマスの変位を表す前記加速度計からの出力信号を検出して誤差信号を提供することと、
前記加速度計の出力信号が加速度と比例するよう前記ＰＷＭ駆動信号のマーク／スペース比を変更するように前記誤差信号を用いることと、
前記誤差信号を提供する前に前記プルーフマスからの前記出力信号に周波数ｆで正弦波変調を加えることと、
前記ヌル位置を表す臨界の駆動信号の大きさＶｃｒｉｔを認識するように前記周波数ｆでの前記正弦波変調によって生じる位相シフトをさらに検出することと、
前記第１および第２の固定コンデンサ電極に印加する前記ＰＷＭ駆動信号の大きさを調整するようにＶｃｒｉｔ制御信号を提供すること、または、別個の調整可能な駆動信号を少なくとも１つの追加の固定コンデンサ電極に印加することによって、Ｖｃｒｉｔに固定して、開ループゲインを最適化することと、
を含むことを特徴とする、閉ループ方法。

【請求項2】

前記第１および第２の固定コンデンサ電極に印加する前記ＰＷＭ駆動信号の前記大きさを直接調整して、Ｖｃｒｉｔに固定することを含むことを特徴とする請求項１に記載の閉ループ方法。

【請求項3】

少なくとも１つの追加の固定コンデンサ電極に印加する前記駆動信号の前記大きさを調整して、Ｖｃｒｉｔに固定することを含むことを特徴とする請求項１に記載の閉ループ方法。

【請求項4】

前記少なくとも１つの追加の固定コンデンサ電極は、前記第１および第２の固定コンデンサ電極から独立していることを特徴とする請求項３に記載の閉ループ方法。

【請求項5】

前記誤差信号を提供した後に変調信号Ｓ１に対して９０°逆位相の直交信号Ｓ３を加えることをさらに含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の閉ループ方法。

【請求項6】

前記Ｖｃｒｉｔ制御信号を提供する前に変調信号Ｓ１に対して９０°逆位相の直交信号Ｓ３を加えることをさらに含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の閉ループ方法。

【請求項7】

前記出力信号を抽出し、前記変調信号Ｓ１と同相の信号Ｓ４を減算することを含むことを特徴とする請求項５または６に記載の閉ループ方法。

【請求項8】

前記抽出した出力信号を前記プルーフマスに作用する前記加速度の測定値として提供することをさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の閉ループ方法。

【請求項9】

加速度計の閉ループ制御システムであって、
第１および第２の固定コンデンサ電極に対して移動可能なプルーフマスを備える静電容量型加速度計と、
調整可能なマーク／スペース比を用いて前記第１および第２の固定コンデンサ電極に同相および逆位相のパルス幅変調（ＰＷＭ）駆動信号を印加するように構成されたＰＷＭジェネレータと、
前記プルーフマスの動作点をヌル位置に維持するよう機械慣性力と静電力とが釣り合うように閉ループで動作するＰＷＭサーボと、
前記ヌル位置からの前記プルーフマスの変位を表す前記加速度計からの出力信号を検出して誤差信号を提供するように構成された出力信号検出器であって、前記ＰＷＭサーボは、前記加速度計の出力信号が加速度に比例するよう前記ＰＷＭ駆動信号の前記マーク／スペース比を変更するように前記誤差信号を用いる、出力信号検出器と、
前記ＰＷＭサーボに前記誤差信号を提供する前に前記出力信号に周波数ｆで正弦波変調を加えるように構成された変調器と、
Ｖｃｒｉｔサーボと、
を備え、前記Ｖｃｒｉｔサーボは、
（ｉ）前記ヌル位置を表す臨界の駆動信号の大きさＶｃｒｉｔを認識するように前記周波数ｆでの前記正弦波変調によって生じる位相シフトを検出し、
（ｉｉ）前記第１および第２の固定コンデンサ電極に印加する前記ＰＷＭ駆動信号の大きさを調整するようにＶｃｒｉｔ制御信号を提供すること、または、別個の駆動信号を追加の固定コンデンサ電極に印加することによって、Ｖｃｒｉｔに固定して、開ループゲインを最適化する、
ように構成されることを特徴とする、加速度計の閉ループ制御システム。

【請求項10】

前記Ｖｃｒｉｔサーボは、少なくとも１つの追加の固定コンデンサ電極に印加する１つまたは複数の前記駆動信号の前記大きさを調整するように構成されることを特徴とする請求項９に記載の閉ループ制御システム。

【請求項11】

前記第１および第２の固定コンデンサ電極のそれぞれは、前記プルーフマスから延びている横方向に間隔を置いた可動静電容量電極指のセットと相互に嵌入するように配置された複数の横方向に間隔を置いた固定静電容量電極指を備え、
前記少なくとも１つの追加の固定コンデンサ電極は、前記可動静電容量電極指と相互に嵌入していない複数の横方向に間隔を置いた固定静電容量電極指を備える、
ことを特徴とする請求項１０に記載の閉ループ制御システム。

【請求項12】

前記誤差信号を提供した後に前記変調信号Ｓ１に対して９０°逆位相の直交信号Ｓ３を加えるように構成された復調器をさらに備えることを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の閉ループ制御システム。

【請求項13】

前記Ｖｃｒｉｔ制御信号を提供する前に前記変調信号Ｓ１に対して９０°逆位相の直交信号Ｓ３を加えるように構成された復調器をさらに備えることを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載の閉ループ制御システム。

【請求項14】

前記変調信号Ｓ１と同相の信号Ｓ４を減算するように構成された出力信号抽出器をさらに備えることを特徴とする請求項９〜１３のいずれかに記載の閉ループ制御システム。

【請求項15】

前記出力信号抽出器は、前記プルーフマスに作用する前記加速度の測定値を提供することを特徴とする請求項１４に記載の閉ループ制御システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、加速度計、特に、静電容量型加速度計を制御するシステムおよび方法に関する。

【背景技術】

【0002】

静電容量型加速度計は、一般的には、微小電気機械システム（ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）（ＭＥＭＳ）装置として、シリコンから製造される。これらの小型の装置は、プルーフマスを備える。プルーフマスは、サポートに対して移動可能に取り付けられ、加速度が印加されたことに応答してプルーフマスが感知方向に動くと装置内に捕捉された気体媒質がプルーフマスに減衰を提供するように密封されている。静電容量型加速度計においては、一般的には、プルーフマスに取り付けられた固定電極のセットおよび可動電極のセットが備えられ、プルーフマスの偏位を検出するように電極間の差動静電容量が測定される。

【0003】

ＷＯ２００５/０８３４５１は、装置の感知方向にほぼ垂直に延びる複数の相互に嵌入した（ｉｎｔｅｒ−ｄｉｇｉｔａｔｅｄ）電極指を備える静電容量型加速度計の実施例を提供する。２つの異なる固定電極指のセットは、感知コンデンサと駆動コンデンサ（ｆｏｒｃｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）を形成する。電圧が固定電極指に印加された時、電圧差の符号に応じて正味の引力があるように、感知コンデンサ指は駆動コンデンサ指に対してオフセットされる。装置は、プルーフマスの機械ばねの復元力がコンデンサ電極の静電引力より大きい正のばね定数領域において、または、静電力が機械的復元力を超える、例えば、より高い電圧が固定コンデンサ電極に印加される、負のばね定数領域で、動作させることができる。静電力が、機械ばねの復元力および慣性力と一致すると、プルーフマスはヌル位置になる。

【0004】

１つのアプローチにおいては、同じ電極指を駆動および感知の両方に用いることができる。例えば、プルーフマスの変位の感知に一定の時間を使い、残りの時間をコンデンサ電極の駆動に使う時分割多重を用いることができる。しかしながら、連続的に感知を行わなければ、ヌル条件は正確に計算されない場合があり、従って、ノイズは一般的に高くなる。

【0005】

別のアプローチにおいては、パルス幅変調（ＰＷＭ）技術を用いて、駆動電極に印加される電圧波形を制御してよい。同相のＰＷＭ波形を第１の固定電極のセットに印加し、逆位相のＰＷＭ波形を第２の固定電極のセットに印加する。このようなＰＷＭ領域においては、マーク／スペース比は、印加される加速度に伴って変化し、加速度の線形尺度（ｌｉｎｅａｒ ｍｅａｓｕｒｅ）を提供する。プルーフマスに作用する正味の力がある場合、出力信号は、プルーフマスがどれだけヌル位置から離れているかを表す誤差バイアスを含む。ＰＷＭサーボは、この出力信号を用いて、ＰＷＭジェネレータによって適用されるマーク／スペース比を規定してよい。

【0006】

ＷＯ２００５/０８３４５１において、ＰＷＭサーボは、電極指を駆動するＰＷＭ信号のマーク／スペース比の時間差を調整する。これによって、加速度計の出力を入力加速度と線形にする。ＰＷＭジェネレータによって電極に印加される同相および逆位相のＰＷＭ波形の大きさは、基準定電圧Ｖｒｅｆ、一般的には２５Ｖに設定される。この電圧Ｖｒｅｆは、加速度計のゲイン精度を規定するので、変化しない固定電圧である。固定電圧Ｖｒｅｆによって、ＰＷＭのマーク／スペース比は印加された加速度の線形関数となることも確実になる、よって、Ｖｒｅｆを一定にすることは重要である。電圧Ｖｒｅｆが変動すると、Ｖｒｅｆ²に応じた力を生み出すことになり、望ましくない非線形となる。実際には、Ｖｒｅｆの固定値は、加速度計の動作ｇ範囲を決定する。

【0007】

ＰＷＭアプローチを用いることによって、感知と駆動（ｆｏｒｃｉｎｇ）の両方を同時に行うことができる。感知は、プルーフマスへの電圧を検出することによって行われる。同相ＰＷＭ駆動期間中、プルーフマスの電圧は、第１の電極のセットに関するギャップによって与えられ、第２の半サイクルの逆位相ＰＷＭ駆動期間中、プルーフマスの電圧は、第２の電極のセットに関するギャップによって与えられる。第１の半サイクルと第２の半サイクルとの間の電圧の差によって、プルーフマスの位置のヌル位置に対するオフセットの測定値を与える。従って、１サイクルが完了すると、感知と駆動（ｆｏｒｃｉｎｇ）の両方が行われる。

【0008】

加速度計の構成において温度変化および／または機械的変化等のシステムの変化によって、電極指とプルーフマスとの間の相互嵌入のギャップが変化することがある。従来、このような変化は、マーク／スペース比を変えることによって補正されて、プルーフマスを絶えずヌル位置に維持した。この動作点での電圧は、臨界電圧Ｖｃｒｉｔと考えてよい。しかしながら、開ループの加速度計は、Ｖｃｒｉｔ位置で不安定である。つまり、プルーフマスは、常にヌル位置から離れるように付勢される傾向がある。プルーフマスの共振周波数ωが加速度計の開ループゲインを決定することは知られている。開ループゲインは、加速度の単位当たりのプルーフマスの検出によって規定される。当該ゲインは、１／ω²に比例する。開ループゲインは共振周波数ωを低減することによって増加させることができることは、知られているが、これによって検出可能な最大加速度ｇも制限される。これは、Ｖｃｒｉｔの値がω²に従って変化するので、共振周波数が低くなると、Ｖｃｒｉｔも低くなり、従って、検出可能な最大加速度ｇも低くなるからである。ループは、条件付きで安定しているので、Ｖｃｒｉｔを超えると、ループの安定性を得ることが次第に難しくなる。よって、取得可能な有効な最大電圧、つまり、ｇ範囲がある。多くの適用は、高いｇ範囲を検出する必要があるので、従来のアプローチは、実際の使用において限界がある。

【0009】

共振周波数を低減することなしに加速度計のヘッドゲインを向上させることができると望ましい。ヘッドゲインを最大化することは、プルーフマスがインパルスによってより大きく動くことを意味し、結果として、それに対抗してＰＷＭサーボが動作する誤差信号として働くプルーフマスにかかる信号が大きくなる。このヘッドゲインの増加によって、最終的にはシステムのノイズによって決定されるループロック（ｌｏｏｐ ｌｏｃｋ）が改善され、より大きい信号対ノイズ比を取得し得る。

【0010】

負のばね定数領域となるように、電圧を高くして固定電極を駆動することによって、ｇ範囲を増加させることができる。しかしながら、負のばね定数領域で動作することは、全体としての綿密な（ｃｌｏｓｅｌｙ）周波数応答が不良となってループを安定させるのが難しくなる可能性があり、ループフィルタリングが、より重要となって、詳細なＭＥＭＳ製作公差に依存することになる。

【0011】

開ループゲインを低下させずに加速度計の加速度ｇ範囲を増加させ、ヘッドゲインを最大化することが望ましい。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0012】

本開示の第１の態様によると、第１および第２の固定コンデンサ電極に対して移動可能なプルーフマスを備える静電容量型加速度計を制御する閉ループ方法が提供され、当該方法は、
調整可能なマーク／スペース比を用いて第１および第２の固定コンデンサ電極に同相および逆位相のパルス幅変調（ＰＷＭ）駆動信号を印加することと、
プルーフマスの動作点をヌル位置に維持するよう機械慣性力と静電力とが釣り合うように閉ループで動作することと、
ヌル位置からのプルーフマスの変位を表す加速度計からの出力信号を検出して誤差信号を提供することと、
加速度計の出力信号が加速度と比例するようＰＷＭ駆動信号のマーク／スペース比を変更するように誤差信号を用いることと、
誤差信号を提供する前にプルーフマスからの出力信号に周波数ｆで正弦波変調を加えることと、
ヌル位置を表す臨界の駆動信号の大きさＶｃｒｉｔを認識するように周波数ｆでの正弦波変調によって生じる位相シフトをさらに検出することと、
第１および第２の固定コンデンサ電極に印加するＰＷＭ駆動信号の大きさを調整するようにＶｃｒｉｔ制御信号を提供すること、または、別個の調整可能な駆動信号を少なくとも１つの追加の固定コンデンサ電極に印加することによって、Ｖｃｒｉｔに固定（ｌｏｃｋ）して、開ループゲインを最適化することと、
を含む。

【0013】

このように、本開示によると、正のばね定数領域と負のばね定数領域との間で臨界遷移があることが認識され、この最適条件が確実に達成されるようにシステム内の固定コンデンサ電極を駆動することは有益であり得る。臨界遷移からのオフセットを感知するために、誤差信号を提供する前に、周波数ｆ、例えば、低周波数信号（典型的には、１０〜１００Ｈｚ）で、追加の正弦波変調をプルーフマスからの出力信号に加える。この結果、ＰＷＭ駆動信号を低周波数変調し、周波数ｆでプルーフマスの位置を摂動させる。

【0014】

通常、プルーフマスからの全体的な開ループ伝達関数（ｏｐｅｎ ｌｏｏｐ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）（ＯＬＴＦ）出力信号は、Ｖｃｒｉｔよって表されるヌル位置より大きい電圧（すなわち、負のばね定数領域）で、−２７０°の位相シフトを有する。変調信号を加えることによって、変調周波数で９０°の位相シフトを感知することが可能になり、その結果、電圧信号の大きさＶｃｒｉｔを認識するのに用い得るＯＬＴＦの検出可能な１８０°の位相シフトとなる。正弦波変調の結果生じる位相シフトの検出を助けるために、方法は、正弦波変調を追加した後、出力信号を積分することを含み得る。正のばね定数領域（Ｖｃｒｉｔ未満の電圧）においては、ループフィルタ関数において、積分器の存在によって提供される低周波数でＯＬＴＦの−９０°の位相シフトがある。加速度計に関しては、低周波数および正のばね定数領域における伝達関数は、位相シフトは０°であり、負のばね定数領域においては、位相シフトは−１８０°に変わる。従って、加速度計の出力信号の９０°の位相シフトは、Ｖｃｒｉｔに該当する。これは、ループフィルタ積分器（低周波数で）からの−９０°の位相シフトに加えられると、−１８０°の位相シフトとなる。これによって、第２の閉ループ制御において、追加のＶｃｒｉｔサーボを最適動作点に固定（ｌｏｃｋ）することができる。

【0015】

本明細書に開示の方法は、Ｖｃｒｉｔ制御信号を用いた追加の閉ループ制御を効果的に採用する。誤差信号を印加して、ＰＷＭ駆動信号のマーク／スペース比を調整し、プルーフマスをヌル位置に安定させるＰＷＭサーボに加えて、１つまたは複数の駆動信号の大きさをＶｃｒｉｔに一致するように調整するＶｃｒｉｔサーボを開示する。方法は、加速度計の伝達関数の−９０°の位相シフトの検出を用いて、Ｖｃｒｉｔサーボを動作させる。

【0016】

固定コンデンサ電極を臨界電圧Ｖｃｒｉｔで駆動することによって、加速度計の開ループゲインが低周波数で最高となるので、これは、理想的な動作点である。プルーフマスの偏位は、外部摂動を適用することで最小化されるので、ノイズも低減される。追加のサーボモードを用いて、高い安定性および線形性を達成することができる。このような制御方法は、従って、特に低周波数範囲で優れた性能を提供する。特に、低周波数においてＶｃｒｉｔで最大ヘッドゲインが得られる。

【0017】

本開示によると、Ｖｃｒｉｔ条件は、第２の閉ループ制御を用いて、ＰＷＭ駆動信号の大きさを調整することによって、または、別個の駆動信号を追加の固定コンデンサ電極に印加することによって、達成されてよい。

【0018】

実施例の第１のセットにおいて、方法は、第１および第２の固定コンデンサ電極に印加するＰＷＭ駆動信号の大きさを直接調整すること、例えば、ＰＷＭ供給電圧を調整することを含む。

【0019】

実施例の別のセットにおいては、方法は、少なくとも１つの追加の固定コンデンサ電極に印加する駆動信号の大きさを調整することを含む。これは、追加の固定の、例えば、トリム電極に印加される「トリム」電圧Ｖｔｒｉｍを別個に調整することを伴ってよい。理想的には、少なくとも１つの追加の固定コンデンサ電極は、第１および第２の固定コンデンサ電極から独立している。次に、Ｖｃｒｉｔに最適動作点を維持するように、例えば、サーボ制御の下、トリム電圧Ｖｔｒｉｍを変化させてよい。調整可能な駆動信号を少なくとも１つの追加の固定コンデンサ電極に印加することの利点は、この「トリム」電極は、加速度計のスケールファクタに影響を与えることなく、付加的な静電ばね剛性（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｓｐｒｉｎｇ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）を与えて、機械ばね定数を電気ばね定数に一致させることができることである。スケールファクタはＶ＾２に伴って変化するので、第２のサーボがＶｃｒｉｔを求めるとき、ＶＨＴを調整すると、スケールファクタが変化する。よって、（トリム電極を用いない場合）このアプローチは、あまり好まれない。

【0020】

本開示の様々な実施例において、方法は、低周波の正弦波変調信号Ｓ１を注入することと、（例えば、加算点後）出力信号から９０°の位相シフト、例えば、９０°の逆位相を検出することと、を含んでよい。当然、変調信号Ｓ１は、正弦波形または余弦波形のいずれかを備えてよい。これによって、第２のフィードバックループで使用される制御信号を生成して第１および第２の固定コンデンサ電極に印加するＰＷＭ駆動信号の大きさを調整するように、または、少なくとも１つの追加の固定コンデンサ電極に印加する別個の駆動信号を調整するように、Ｖｃｒｉｔ動作点を決定することが可能になる。変調された信号を用いて、開ループ伝達関数（ＯＬＴＦ）を決定してよい。

【0021】

さらに、または、あるいは、方法は、例えば、正弦波変調信号Ｓ１と加算されて制御信号をＰＷＭサーボループとＶｃｒｉｔサーボループに提供する前に、デジタル出力信号を提供するように加速度計からの出力電圧を復調、デジタル化することを含んでよい。従って、当該両サーボは、デジタル領域で動作してよい。正弦波変調信号Ｓ１は、デジタル出力信号と加算されるデジタル信号であってよい。

【0022】

駆動信号を調整する前に正弦波変調の影響を取り除くために、方法は、Ｖｃｒｉｔサーボループ内で、正弦波変調信号Ｓ１に対して逆位相、従って、加速度出力信号に対して１８０°逆位相の直交信号Ｓ３を追加することをさらに含んでよい。従って、変調された信号は、誤差信号を提供した後、下流のＶｃｒｉｔサーボループにおいて復調されてよい。直交信号Ｓ３は、Ｖｃｒｉｔサーボの一部としての復調器で出力信号と加算されるデジタル信号であってよい。Ｓ３信号を追加することによって、上流で注入された変調信号Ｓ１を出力信号から取り除く。次に、この復調された信号を用いて、Ｖｃｒｉｔサーボを駆動し、正確なＶｃｒｉｔ動作点を設定する。

【0023】

Ｖｃｒｉｔサーボループに関して前述した復調に加えて、方法は、正弦波変調信号Ｓ１を加えた後、出力信号を抽出するように、サーボループ外で加速度計の出力信号を復調することを含んでよい。方法は、抽出した出力信号をプルーフマスに作用する加速度の測定値として提供することをさらに含んでよい。従って、出力信号は、正弦波変調を取り除くように、サーボループの外側で復調されてよい。方法は、従って、加速度を測定する前に、同相信号Ｓ４で変調された出力信号を減算して、変調信号Ｓ１を取り除くことを含んでよい。

【0024】

本開示の第２の態様によると、加速度計の閉ループ制御システムが提供され、当該システムは、
第１および第２の固定コンデンサ電極に対して移動可能なプルーフマスを備える静電容量型加速度計と、
調整可能なマーク／スペース比を用いて第１および第２の固定コンデンサ電極に同相および逆位相のＰＷＭ駆動信号を印加するように構成されたパルス幅変調（ＰＷＭ）ジェネレータと、
プルーフマスの動作点をヌル位置に維持するよう機械慣性力と静電力とが釣り合うように閉ループで動作するＰＷＭサーボと、
ヌル位置からのプルーフマスの変位を表す加速度計からの出力信号を検出して誤差信号を提供するように構成された出力信号検出器であって、該ＰＷＭサーボは、加速度計の出力信号が加速度と比例するようＰＷＭ駆動信号のマーク／スペース比を変更するように誤差信号を用いる、出力信号検出器と、
ＰＷＭサーボに誤差信号を提供する前に出力信号に周波数ｆで正弦波変調を加えるように構成された変調器と、
Ｖｃｒｉｔサーボと、
を備え、Ｖｃｒｉｔサーボは、
（ｉ）ヌル位置を表す臨界の駆動信号の大きさＶｃｒｉｔを認識するように周波数ｆでの正弦波変調によって生じる位相シフトを検出し、
（ｉｉ）第１および第２の固定コンデンサ電極に印加するＰＷＭ駆動信号の大きさを調整するようにＶｃｒｉｔ制御信号を提供すること、または、別個の駆動信号を追加の固定コンデンサ電極に印加することによって、Ｖｃｒｉｔに固定して、開ループゲインを最適化する、
ように構成される。

【0025】

実施例の１つのセットにおいては、Ｖｃｒｉｔサーボは、少なくとも１つの追加の固定コンデンサ電極に印加する１つまたは複数の駆動信号の大きさを調整する。１つまたは複数の追加の固定コンデンサ電極は、「トリム」電極と考えてよい。理想的には、１つまたは複数のトリム電極は、第１および第２の固定コンデンサ電極から独立している。トリム電極は、慣性力に類似した力を何も加えることなく、ばね剛性に影響を与えるように構成される。従って、トリム電極は、ＰＷＭサーボの動作に影響を与えることはないが、静電ばね定数が機械的復元ばね定数に等しいＶｃｒｉｔに関する動作点に影響を与える。

【0026】

第１および第２の固定コンデンサ電極のそれぞれは、プルーフマスから延びている横方向に間隔を置いた可動静電容量電極指のセットと相互に嵌入するように配置された複数の横方向に間隔を置いた固定静電容量電極指を備えてよい。少なくとも１つの追加の固定コンデンサ電極は、可動静電容量電極指と相互に嵌入していない複数の横方向に間隔を置いた固定静電容量電極指を備えてよい。

【0027】

本明細書に開示の閉ループ制御システムは、上記の方法のステップの任意のステップを実行するように構成されてよい。例えば、変調器を配置して変調信号Ｓ１を注入してよい。これは、開ループ伝達関数（ＯＬＴＦ）を決定できることを意味する。さらに、変調された信号をループに加算した後、誤差信号を提供した後、および／または、Ｖｃｒｉｔ制御信号を提供する前に、変調信号Ｓ１に対して９０°逆位相の直交信号を検出するように復調器を配置してよい。システムは、１つまたは複数のこのような復調器を備えてよい。復調器の出力によって、Ｖｃｒｉｔループフィルタへの入力として誤差信号を形成するＶｃｒｉｔサーボを駆動する。Ｖｃｒｉｔループフィルタは、一般的には積分器である。Ｖｃｒｉｔループフィルタの出力は、トリム電圧をトリム電極に設定、または、ＰＷＭ駆動電圧の大きさＶＨＴを調整する電圧である。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】第１および第２の固定コンデンサ電極に印加される例示的なＰＷＭ電圧波形の対を示す図である。

【図2】相互に嵌入する電極指と、追加の固定トリム電極を備える静電容量型加速度計の第１の実施例を示す図である。

【図3】図２の加速度計のサーボ制御の例示的なシステムの概略図である。

【図4】図３のサーボ制御をより詳細に示す図である。

【図5】印加された電圧の関数としての開ループゲインと位相のグラスを示す図である。

【図6】相互に嵌入する電極指を備え、トリム電極のない静電容量型加速度計の第２の実施例を示す図である。

【図7】図６の加速度計のサーボ制御の例示的なシステムの概略図である。

【図8】同相復調器を示す図である。

【図9】直交復調器を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0029】

添付の図面を参照して１つまたは複数の実施例を記載するが、これらの実施例は制限を意図するものではない。

【0030】

図１は、可変静電容量型の加速度計において（ａ）第１の固定電極指のセットに印加される電圧波形と、（ｂ）第２の固定電極指のセットに印加される電圧波形の典型的な実施例を示す。２つの電圧波形は、方形波で逆位相になっており、電圧振幅は、０ＶとＶＨＴとの間で変動する。パルス幅変調（ＰＷＭ）を用いて、静電力が慣性力を無効にし、マーク／スペース比が印加された加速度と線形を保つように、マーク／スペース比を変更することができる。しかしながら、固定電極指が印加する静電力は、供給電圧の大きさＶＨＴによって決まり、これは、先行技術では変わらない。

【0031】

図２は、外側フレームによって提供される可動プルーフマス２を備える静電容量型加速度計１の概略図である。プルーフマス２は、一対の中央アンカー４によって、底基板（図示せず）に取り付けられる。アンカー４は、例えば、底基板（ガラス基板等）に陽極接合等で、接合されてよい。矢印の方向、すなわち、感知方向の直線加速度に応答してプルーフマスが移動可能なように、撓み部６が、アンカー４と外側フレーム２との間に延びる。複数の横方向に間隔を置いた可動静電容量電極指８は、プルーフマス２から感知方向にほぼ垂直な方向に延びる。可動電極指８は、様々な固定電極指と相互に嵌入される。

【0032】

第１の固定電極指のセット１０は、第１の中央サポート１０ａから可動電極指８と相互に嵌入するように延びる。第２の固定電極指のセット１２は、第２の中央サポート１２ａから可動電極指８と相互に嵌入するように延びる。第１の固定電極指のセット１０は、感知方向に平行な一方向に可動電極指８から第１の横方向オフセットを有し、第２の固定電極指のセット１２は、反対方向に第２の横方向オフセットを有することが分かる。第１および第２の横方向オフセットは、等しい大きさである。

【0033】

図２に示す静電容量型加速度計１のさらなる特徴は、第１の固定電極指のセット１０および第２の固定電極指のセット１２は、追加の固定「トリム」電極のセット１４によって横方向に分けられていることである。固定トリム電極１４は、固定中央サポート１４ａとプルーフマス２である外側可動フレームとの間に延び、可動電極指８のいずれとも相互に嵌入していない、横方向に間隔を置いた電極指として示される。しかしながら、固定トリム電極１４は、複数の電極指ではなく、１つの電極を備える等、任意の適切な形をとってよい。固定トリム電極１４ａは、第１および第２の固定電極指のセット１０、１２に印加されるＰＷＭ電圧波形に別個に調整可能な電圧を有してよい。プルーフマス上の固定電極１４は、プルーフマス２に取り付けられた電荷増幅器によって設定された仮想接地（すなわち、実際上、０Ｖ）されている。追加のトリム電圧Ｖ_trimは、ゼロ剛性位置に、加速度計１の動作を維持するように調整されてよい。ゼロ剛性位置においては、固定電極１０、１２、１４によって印加される正味の静電引力が、プルーフマス２の機械ばねの復元力と厳密に一致する。

【0034】

図２に示す加速度計１は、図３に示すような２つのサーボループを備える制御システムによって制御されてよい。加速度計１からの出力信号は、プルーフマス２の変位によって検出される印加された加速度を表す。閉ループ条件下では、プルーフマス２は動かず、釣り合わせるための静電力を与えるマーク／スペース比は、印加された加速度の線形尺度（ｌｉｎｅａｒ ｍｅａｓｕｒｅ）である。出力信号は、プルーフマス２に物理的に接続された電荷増幅器１８を通る。電荷増幅器１８は、その等価入力インピーダンスが、低周波数で非常に高い値のインピーダンスを提供する静電容量である任意の回路である。次に、ＰＷＭ周波数の出力信号は、デジタルループフィルタ２４を通過する前に、第１のサーボループの復調器２０によって復調され、ＡＤＣ２２によってデジタル化される。この電圧出力によって、ＰＷＭジェネレータ２８を通るＰＷＭ比が設定されて、２つの固定指のセット１０ａ、１２ａに印加される２つの逆位相のＰＷＭ駆動信号３０ａ、３０ｂが与えられる。これは、Ｖｃｒｉｔサーボ３２を使用しない、加速度計１の通常の動作を表す。

【0035】

デジタルループフィルタ２４の出力は、Ｖｃｒｉｔサーボループ３２に送られる前に、デジタル正弦波変調信号Ｓ１と加算される。Ｖｃｒｉｔ条件からのオフセットを感知するために、追加の正弦波変調信号Ｓ１が、ループの加算点に追加される。これは、この周波数でプルーフマス２の位置を変調する効果を有する。Ｖｃｒｉｔを超えると、加速度計を通して１８０°の位相シフトがあり、Ｖｃｒｉｔ未満では、位相シフトは０°である。Ｖｃｒｉｔでは、９０°の位相シフトがある。信号Ｓ１の変調周波数（一般的には、１０〜１００Ｈｚ）は、この位相のモニタである。よって、９０°の位相となる点、すなわち、Ｖｃｒｉｔを検出することができる。

【0036】

変調された出力信号Ｓ２を用いて、この特定の周波数で、開ループ伝達関数（ＯＬＴＦ）を決定してよい。ＯＬＴＦは、加算点後、出力信号の注入された信号Ｓ１との比から決定される。これは、加速度計１が閉ループで通常動作で動作される時、決定することができる。加算点後のデジタル出力Ｓ２は、出力２６で抽出されてよい。図示していないが、出力２６からの信号は、以下で図７に関して記載するのと同じ方法でフィルタリングおよび／または復調されてよい。

【0037】

加算点の後、変調された出力信号Ｓ２を用いて、２つの異なる方法で閉ループフィードバックを提供する。一つの方法は、変調された出力信号Ｓ２をＰＷＭジェネレータ２８に供給して、ＰＷＭサーボ制御を行う。先行技術と同様、第１および第２の固定電極指のセット１０、１２に印加される同相のＰＷＭ電圧波形３０ａおよび逆位相のＰＷＭ電圧波形３０ｂを用いて加速度計１を駆動する時、誤差信号を用いてＰＷＭジェネレータ２８によって与えられるマーク／スペース比を設定する。二つ目の方法は、変調された出力信号Ｓ２を追加のＶ_critサーボ３２に供給する。サーボ３２は、別個の調整可能な駆動信号を固定トリム電極１４に印加する。固定トリム電極１４に印加する電圧Ｖ_trimの大きさは、開ループゲインが最大化される臨界遷移電圧Ｖｃｒｉｔに固定(ｌｏｃｋ)するように調整される。

【0038】

図４は、Ｖｃｒｉｔサーボ３２をより詳細に示す。変調信号Ｓ１に対して９０°逆位相の直交信号Ｓ３が復調器３６のために生成され、出力信号Ｓ２と加算される。Ｖｃｒｉｔサーボ３２において、加算後信号Ｓ２は、復調器３６および積分器３８を通って、固定トリム電極１４に印加する電圧Ｖ_trimを生成する。

【0039】

正のばね定数領域においては、ＯＬＴＦは、低周波数で−９０°の位相シフトを有する。負のばね定数領域においては、ＯＬＴＦは、負のばね定数に対応する追加の１８０°によって、−２７０°の位相シフトを有する。従って、Ｖｃｒｉｔで、ＯＬＴＦは１８０°の位相シフトを有し、よって、Ｖｃｒｉｔサーボ３２は、ＯＬＴＦの１８０°の位相シフトを保持する必要がある。

【0040】

Ｖｃｒｉｔで、プルーフマス出力で、変調信号Ｓ１の低周波数で１８０°の位相シフトがあり、よって、この値では、Ｓ１の周波数で直交位相信号Ｓ３はゼロである。これは、Ｓ１の周波数で電荷増幅器１８の出力を復調することによって検出されてよい。Ｓ１は、加速度計内でデジタル的に生成されるので、Ｓ１の周波数で、直交位相の基準信号Ｓ３を作成することは可能である。これは、Ｓ１の周波数で、Ｓ１信号に対して直交位相の各半サイクルを連続的に加算および減算することによって行うことができる。そして、これは、Ｖｃｒｉｔサーボ３２の復調された信号を形成する。この信号は、０°の位相点でＶｃｒｉｔでゼロになる。従って、これは、積分器３８への入力である誤差信号として働く。次に、積分器３８の出力を用いて、サーボ３２が直交位相信号に対してヌルで電荷増幅器１８の出力を維持することをめざす（すなわち、ＯＬＴＦから−１８０°の位相シフトがある）ようにトリム電極に電圧Ｖｔｒｉｍを設定する。

【0041】

図５は、どのようにして、加速度計１の開ループゲインが臨界電圧Ｖｃｒｉｔで最大になるか（この例では、１５Ｖ）を示す。臨界電圧で、全体的な静電ばね定数は機械ばね定数に一致する、すなわち、プルーフマスは、事実上、両方の力を受けていない。プルーフマスのヌル位置は、ＰＷＭのマーク／スペース比を調整することによって第１のサーボループによって別個に決定される。これは、−１８０°のＯＬＴＦ位相と一致することが分かる。

【0042】

図６は、外側可動フレームの形態のプルーフマス１０２を備える別の静電容量型加速度計１０１を示す概略図である。前述同様に、プルーフマス１０２は、矢印の方向、すなわち、感知方向の直線加速度に応答して移動可能なように、横方向の撓み部６によって中央アンカー対１０４に取り付けられる。複数の横方向に間隔を置いた可動静電容量電極指１０８が、プルーフマス１０２から感知方向にほぼ垂直な方向に延びている。可動電極指１０８は、固定電極指の２つのセット１１０、１１２と相互に嵌入している。第１および第２の固定電極指のセット１１０、１１２はそれぞれ、第１中央サポート１１０ａおよび第２中央サポート１１２ａのそれぞれから、可動電極指１０８と横方向に反対側にオフセットされて延びている。

【0043】

加速度計１０１は、追加のトリム電極を備えていないことが分かる。しかしながら、図７の概略システム図によって分かるようにサーボ制御を用いてＶｃｒｉｔを達成することは可能である。この実施例においては、加速度計１０１からの出力信号は、正弦波変調信号Ｓ１を注入される前に、復調器１２０、ＡＤＣ１２２、および、ループフィルタ１２４を通される。加算後出力Ｓ２は、変調信号Ｓ１と同相の信号Ｓ４を減算することによって復調を行って変調されていない最終出力を作成する前に、ローパスフィルタ１２６に通すことができる。また、加算後出力Ｓ２を用いて、２つの異なる方法で閉ループフィードバックも提供する。一つの方法は、変調された出力信号Ｓ２をＰＷＭジェネレータ１２８に供給する。先行技術と同様、第１および第２の固定電極指のセット１１０、１１２に印加される同相のＰＷＭ電圧波形１３０ａおよび逆位相のＰＷＭ電圧波形１３０ｂを用いて加速度計１０１を駆動する時、ＰＷＭジェネレータ１２８によって与えられるマーク／スペース比を出力信号Ｓ２を用いて設定する。２つ目の方法においては、変調された出力信号Ｓ２を追加のＶｃｒｉｔサーボ１３２に供給する。サーボ１３２は、第１および第２の固定コンデンサ電極１１０、１１２に印加するＰＷＭ駆動信号の大きさＶＨＴを調整する。トリム電極を用いなくても、サーボ１３２は、固定電極１１０、１１２の静電力が慣性力に一致し、プルーフマス１０２が開ループゲインが最大でヌル位置になる臨界遷移電圧Ｖｃｒｉｔに、加速度計１０１をチューニングすることができる。

【0044】

図７には示していないが、Ｖｃｒｉｔサーボ１３２は、任意で、図４に示すサーボ３２と同じように、復調器および積分器を備えてよいことは理解されよう。例えば、ＶＨＴで固定電極１１０、１１２を駆動する制御信号を生成する前に、変調信号Ｓ１と９０°逆位相の直交信号Ｓ３を復調に用いてよい。

【0045】

比較として、図８は、同相復調器を示す。連続した半サイクルの交互の＋と−の信号は、正味のＤＣ出力、すなわち、誤差信号を与える。図９は、上記復調器３６等の直交復調器を示す。交互の＋と−の信号は、正味の出力すなわち誤差信号がゼロになるように、打ち消し合うことが分かる。

【0046】

上記に概略を述べた実施例において、低周波数でばね剛性がゼロになる臨界電圧Ｖｃｒｉｔちょうどでサーボ３２、１３２を動作させることによって、開ループゲインは、共振周波数を低減することなく改良される。追加のＶｃｒｉｔサーボ３２、１３２は、閉ループ制御方法で駆動信号をＶｃｒｉｔに固定(ｌｏｃｋ)する。このようにして低周波数でゲインを増加させることによって、バイアス安定性を向上させる。

【0047】

上記加速度計はいずれもＭＥＭＳ装置として構成してよく、例えば、シリコンから製造されてよいことは理解されよう。

【0048】

上記記載は、限定を目的としない実施例を記載したものであり、請求項に明記する本開示の範囲を逸脱することなく、示した構成に様々な変更および修正を行ってよいことは理解されよう。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】