(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
容量型加速度計の閉ループ作動方法であって、前記容量型加速度計が、
適用加速に応じて平面内感知方向へ直線的に可動なように、固定サブストレートに柔軟な支持脚によって取り付けられた実質的に平面のプルーフマス、
前記感知方向に対して実質的に直角に且つ前記感知方向に間隔を空けて前記プルーフマスから延在する第一及び第二セットの可動容量性電極指、及び
前記感知方向に対して実質的に直角に且つ前記感知方向に間隔を空けて延在する第一及び第二セットの固定容量性電極指を含み、
前記第一セットの固定容量性電極指が、前記第一セットの可動容量性電極指に相互に組み合うように設けられ、前記第二セットの固定容量性電極指が、前記第二セットの可動容量性電極指に相互に組み合うように設けられ、
前記方法が、
前記適用加速の慣性力をバランスさせ且つ前記プルーフマスを中立位置に維持するために、前記プルーフマスに対して正味静電復元力を提供するよう、前記第一セットの固定容量性電極指へ同相駆動信号、及び前記第二セットの固定容量性電極指へ対応逆相駆動信号を印加するように単一の電流ソース及びシンクを使用することを含む、容量型加速度計の閉ループ作動方法。
【請求項２】
さらに、前記第一セットの容量性指へ印加される前記駆動信号の第一のスルーレートが、前記第二セットの容量性指へ印加される前記駆動信号の第二のスルーレートに実質的に等しいよう、前記単一の電流ソース及びシンクによって前記第一及び第二セットの固定容量性指の少なくとも一方へ印加される前記駆動信号を調節するための制御信号を使用することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
さらに、前記第一セットの容量性指へ印加される前記駆動信号の第一のスルーレートが、前記第二セットの容量性指へ印加される前記駆動信号の第二のスルーレートに実質的に等しいよう、前記単一の電流ソース及びシンクによって前記第一及び第二セット両方の固定容量性指へ印加される前記駆動信号を調節するための制御信号を使用することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
さらに、前記同相及び逆相駆動信号の平均振幅を測定すること、及び、前記制御信号を生成するために前記平均振幅を基準値に比較することを含む、請求項２または３に記載の方法。
【請求項５】
さらに、前記第一及び第二セットの固定容量性指の少なくとも一方へ印加される前記駆動信号を調整するために、前記制御信号を、前記単一の電流ソース及びシンクに並列に結合された可変電流ソース及びシンクへ印加することを含み、前記単一の電流ソース及びシンクが固定される、請求項２〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記可変電流ソース及びシンクが、前記単一の固定電流ソース及びシンクよりも小さな電流を提供する、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
さらに、前記プルーフマスからのピックオフ信号を測定すること、及び、前記ピックオフ信号の振幅を、実質的にゼロである基準値に比較することを含む、先行請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記同相及び逆相駆動信号を、パルス幅変調（ＰＷＭ）電圧波形として印加することを含む、先行請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
適用加速に応じて平面内感知方向へ直線的に可動なように、固定サブストレートに柔軟な支持脚によって取り付けられた実質的に平面のプルーフマス、
前記感知方向に対して実質的に直角に且つ前記感知方向に間隔を空けて前記プルーフマスから延在する第一及び第二セットの可動容量性電極指、
前記感知方向に対して実質的に直角に且つ前記感知方向に間隔を空けて延在する第一及び第二セットの固定容量性電極指を含み、
前記第一セットの固定容量性電極指が、前記第一セットの可動容量性電極指に相互に組み合うように設けられ、前記第二セットの固定容量性電極指が、前記第二セットの可動容量性電極指に相互に組み合うように設けられ、
前記適用加速の慣性力をバランスさせ且つ前記プルーフマスを中立位置に維持するために、前記プルーフマスに対して正味静電復元力を提供するよう、前記第一セットの固定容量性電極指へ同相駆動信号、及び前記第二セットの固定容量性電極指へ対応逆相駆動信号を印加するように構成された駆動信号発生器、及び
前記同相及び逆相駆動信号の両方を生成するために、前記駆動信号発生器へ結合された単一の電流ソース及びシンクを含む容量型加速度計。
【請求項１０】
さらに、前記第一セットの容量性指へ印加される前記駆動信号の第一のスルーレートが、前記第二セットの容量性指へ印加される前記駆動信号の第二のスルーレートに実質的に等しいよう、前記単一の電流ソース及びシンクによって前記第一及び第二セットの固定容量性指の少なくとも一方へ印加される前記駆動信号を調節するように構成された制御回路を含む、請求項９に記載の容量型加速度計。
【請求項１１】
さらに、前記第一セットの容量性指へ印加される前記駆動信号の第一のスルーレートが、前記第二セットの容量性指へ印加される前記駆動信号の第二のスルーレートに実質的に等しいよう、前記単一の電流ソース及びシンクによって前記第一及び第二セット両方の固定容量性指へ印加される前記駆動信号を調節するように構成された制御回路を含む、請求項９に記載の容量型加速度計。
【請求項１２】
前記制御回路が、前記同相及び逆相駆動信号の平均振幅を測定し、前記平均振幅を基準値に比較するように構成される、請求項１０または１１に記載の容量型加速度計。
【請求項１３】
前記制御回路が、前記単一の電流ソース及びシンクに並列に結合された可変電流ソース及びシンクを含み、前記単一の電流ソース及びシンクが固定される、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の容量型加速度計。
【請求項１４】
前記可変電流ソース及びシンクが、前記単一の固定電流ソース及びシンクよりも小さな電流を提供する、請求項１３に記載の容量型加速度計。
【請求項１５】
さらに、前記プルーフマスへ結合されて、ピックオフ信号振幅を、実質的にゼロである基準値に比較するように構成されたピックオフ信号増幅器を含む、請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の容量型加速度計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、容量型加速度計に関し、特に容量型加速度計の閉ループ作動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
加速度計は、電気機械装置であり、運動及び／または振動による加速力を測定するために広く使われている。容量型加速度計は、地震感知、振動感知、慣性感知及び傾斜感知を含む用途に使用されてもよい。容量型加速度計は、典型的に、マイクロ・エレクトロメカニカル・システム（ＭＥＭＳ）として具現され、シリコン等の半導体材料から製造されてもよい。容量型加速度計のための典型的なＭＥＭＳ感知構造は、サポートへ移動可能に取付けられたプルーフマスを含み、差動コンデンサを形成するために、プルーフマスから延在する一セットの電極指が、一セット以上の固定電極指に互いに組み合わされている。ＷＯ２００４／０７６３４０及びＷＯ２００５／０８３４５１は、ＭＥＭＳデバイスの感知方向に対して実質的に直角に延在する複数の相互に組み合わされた固定及び可動電極指を含む容量型加速度計の実施例を提供する。感知構造の電極は、適切な駆動及びピックオフ・エレクトロニクス、典型的に特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）へ結合されている。
【０００３】
開ループ加速度計におけるエレクトロニクスは、正弦波または矩形波信号で固定電極を駆動させるように構成され、プルーフマスが加速中に移動することで、出力に現れる整流電圧であるピックオフ信号が提供される。ＷＯ２００４／０７６３４０は、開ループ加速度計の実施例を提供する。しかしながら、開ループ加速度計は、帯域幅、線形性及び動作範囲に関して、性能が制限される場合がある。
【０００４】
開ループ構成においては、精度を保証するための、駆動波形に対する主要な必要条件は、駆動が同じ振幅に到達し、ピックオフ・サンプリングの前に十分な整定時間を有することである。二つの駆動間での移行変化は、十分な整定時間が存在する限り、開ループ・センサの性能に影響を与えない。この場合、駆動信号波形のマークスペース比は、典型的に５０：５０に固定されるため、整定のための大きな時間枠を提供する。
【０００５】
開ループ作動のために設計された加速度計感知構造は、また、力の再バランス化を達成するよう電極に可変静電力を提供するドライブ・エレクトロニクスを使用することにより、閉ループ構成にも使用できる。ＷＯ２００５／０８３４５１は、駆動信号のパルス幅変調（ＰＷＭ）を利用する閉ループ電子制御回路の実施例を提供する。そのような閉ループ構成におけるエレクトロニクスは、ＰＷＭ信号を使用して、固定電極指の対を同相及び逆相で駆動するようにアレンジされるため、加速による慣性力を打ち消す静電力によってプルーフマスは、その位置が固定される。ＰＷＭ駆動信号のマークスペース比は、可変再バランス力を生じるように調整できる。ピックオフ回路からＰＷＭ駆動信号発生器へのフィードバックは、プルーフマスを中央中立位置に維持する平均静電復元力を提供するよう、各ＰＷＭパルスの長さを、ピックオフ出力電圧の関数として変化させる。閉ループ構成においては、駆動信号がピックオフ・センサのための励起を提供するだけでなく適用加速の測定値をも提供することになるので、駆動波形の対称性が、開ループ作動に比べ性能に、より重要になる。
【０００６】
閉ループ構成における再バランス力の正味値は、適用加速に比例する。静電力変換器が使用される場合、その力は電圧の二乗に比例するため、上記に考察したようなＰＷＭスキームにおける平均力は、ＰＷＭ駆動信号の二乗に比例する。これは、ＰＷＭ電圧の振幅が駆動波形のピークで一定であり、且つ加速が信号のマークスペース比に比例する、と仮定している。しかしながら、このようなシステムでは、一定の電圧を達成するためのランプ時間が存在する。ランプ時間は、単位時間内における電圧の最大変化であるスルーレートによって特徴づけることができる。
【０００７】
駆動電圧のランプ時間は、エラーの導入を引き起こす可能性がある。非常に短いランプ時間を有することは、望ましいが、ランプ相中に高い瞬時電流を必要とするため、非実用的である。しかしながら、有限ランプ時間の使用には、同相及び逆位相駆動信号が、非常に良く釣り合うことが必要である。これは、各変換器によって生成される静電力が、ピックオフ電極ＤＣ電圧に対するＶ2関数として変化するためである。したがって、ランプ相中の変化は平均ＤＣ静電力を変化させるので、ミスマッチがあった場合、結果として（適用加速によらない）プルーフマスへの静電力の作用が現れることになる。
【０００８】
等しいが逆位のＰＷＭ駆動信号の使用は、各々の駆動信号の平均値に直接的に比例する正味平衡力となる。静電力は固定駆動電圧振幅に対してＶ2として変化するが、ＰＷＭスキームにおける適用復元力は、二乗依存が同相及び逆相駆動信号の使用によって除かれるので、各々の駆動に対する平均電圧に比例する。この等性は、駆動信号内の非線形項がキャンセルされることを可能にする。通常、同時に各々の同相及び逆相信号を生成するために、二つの分離型電流ソース及びシンクが駆動回路内に使用される。しかしながら、同相及び逆相駆動信号が等しく逆でなければ、非線形項は、正確にキャンセルされず、バイアス、倍率及び直線性誤差を生じさせることになる。したがって、ＰＷＭ信号のための基準電圧は、この基準に対して測定が行われるので重要である。
【０００９】
加えて、ＰＷＭ駆動信号は、ピックオフ位置感知を行うために使用される。加速度計出力は、ＤＣオフセットまたはバイアス電圧に重ねられたＡＣ信号である。開ループ加速度計及び従来の閉ループ加速度計においては、ピックオフ増幅器へのＤＣオフセット電圧入力は、典型的に、プルーフマスへ作用する不必要な静電力を最小化するために、また、駆動波形の過渡期における偏移を許容するために、供給電圧レール間の中央へバイアスされる。これは、閉ループ内における再バランス化に利用可能な静電力の範囲を縮小する、または排除するため、加速度測定の動作範囲を制限することになる。このピックオフ入力ＤＣバイアス電圧は、追加エラーの導入が全くないことを保証するために、非常に安定であることが要求される。従来の閉ループ及び開ループ加速度計は、駆動信号及びピックオフ信号のＤＣオフセットへのシステムの感度を下げるために、駆動電圧を低減、すなわち可能な限り小さくすることによって、プルーフマスへ作用する正味の力を回避しようとする。したがって、閉ループＰＷＭベースの加速度計に対しては、利用可能な再バランス力を最大化にするために、ピックオフＤＣ入力バイアスを、より低い電源レールで、標準ＣＭＯＳ＿ＡＳＩＣプロセス等の単極エレクトロニクスについては０Ｖで作動させることが有利である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本開示は、閉ループ加速度計のための駆動方法に関して上記に概説された欠点を低減する、または克服することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本開示の第一の態様によれば、以下のものを含む容量型加速度計の閉ループ作動方法が提供される。適用加速に応じて平面内感知方向へ直線的に可動なように、固定サブストレートに柔軟な支持脚によって取り付けられた実質的に平面のプルーフマス。感知方向に対して実質的に直角に且つ感知方向に間隔を空けてプルーフマスから延在する第一及び第二セットの可動容量性電極指。及び、感知方向に対して実質的に直角に且つ感知方向に間隔を空けて延在する第一及び第二セットの固定容量性電極指。容量型加速度計において、第一セットの固定容量性電極指は、第一セットの可動容量性電極指に相互に組み合うように設けられ、第二セットの固定容量性電極指は、第二セットの可動容量性電極指に相互に組み合うように設けられる。方法は、適用加速の慣性力をバランスさせてプルーフマスを中立位置に維持するために、プルーフマスに対して正味静電復元力を提供するよう、第一セットの固定容量性電極指へ同相駆動信号を、及び第二セットの固定容量性電極指へ対応逆相駆動信号を適用するために、単一の電流ソース及びシンクを使用することを含む。
【００１２】
したがって、信号ミスマッチを低減するために、閉ループ加速度計内で適用される駆動信号の同時昇降を安定化させる方法が提供される。駆動信号は、典型的に電圧波形であることは理解すべきである。容量性電極指へは電圧信号が印加されるが、駆動回路は電流ソースを使用して制御される。このアプローチは、ＣＭＯＳ＿ＡＳＩＣチップ上に構築された半導体構造に、特に適切である。この開示によれば、単一の電流ソース及びシンクが、第一及び第二セット両方の固定電極指へ同相及び逆相駆動信号を提供するように使用される。これは、駆動波形毎に二つの分離型電流ソース及び二つの分離型電流シンクを使用することによって導入されるエラーを低減する。二つの電流ソース及びシンクを使用した場合は、電流駆動間のミスマッチが、二つの駆動波形の上昇／降下スルーレートに相違を生じさせる可能性がある。それから、これは駆動波形に非対称を生じさせ、そのことから、ピックオフ感知信号にバイアス誤差及び過渡現象が生じることになる。しかしながら、同相及び逆相駆動信号の両方に対して単一の電流ソースを使用することによって、電流ソース・ミスマッチによるバイアスの導入は全く起こらない。電流ソース及びシンクは、実質的に等しいように設けることができる。
【００１３】
閉ループ作動における駆動信号は、プルーフマスの可動電極指を中立位置へ戻すように作用する。しかしながら、可変加速度下では、プルーフマスは、初期に、静電復元力が作用し始める前に逸らされ、固定及び可動電極指間の相互組合いに変化が生じることになる。このことは、第一及び第二セットの指の相互組み合いギャップがもはや等しくないため、同相及び逆相駆動信号によって観察される静電容量におけるミスマッチを生じさせる。一定の電流駆動でのこれらの状況下では、二つの駆動波形に対するランプ移行は異なる。（単位時間内の電圧変化を示す）スルーレートのこのミスマッチは、ピックオフ入力に障害を生じさせる、また、静電復元力にエラーを発生させる。ピックオフ入力へのこの障害は、同相及び逆相駆動信号に対するスルーレート間の差に比例する。したがって、駆動回路によって認知される負荷の差によるスルーレートのミスマッチによって生じるエラーは、適用加速（または振動）のレベルに比例し、プルーフマスが中立位置へ戻されるまで存在する。
【００１４】
本開示の実施例によれば、方法は、さらに、単一の電流ソース及びシンクによって、第一及び第二セットの固定容量性指の少なくとも一つへ印加される駆動信号を調節するための制御信号を使用することを含み、第一セットの容量性指へ印加される駆動信号の第一のスルーレートは、第二セットの容量性指へ印加される駆動信号の第二のスルーレートに実質的に等しい。第一のスルーレートは同相駆動信号に関わり、第二のスルーレートは逆相駆動信号に関わるため、同相及び逆相駆動信号は、スルーレートにおいてマッチしている。第一及び第二のスルーレートは、同相駆動信号の上昇で、または同相駆動信号（及び対応逆相駆動信号）の下降で決定されてもよい。一つの実施例においては、第一及び第二のスルーレートは、同相駆動信号（及び対応逆相駆動信号）の上昇及び下降において実質的に等しい。
【００１５】
駆動信号は、第一及び第二セットの固定容量性指の一方のみに対して調節されてもよいが、一つの実施例における方法は、第一セットの容量性指へ印加される駆動信号の第一のスルーレートが、第二セットの容量性指へ印加される駆動信号の第二のスルーレートに実質的に等しいよう、単一の電流ソース及びシンクによって、第一及び第二セット両方の固定容量性指へ印加される駆動信号を調節するための制御信号を使用することを含む。制御信号は、どのような適切なエレクトロニクスによって生成されてもよい。一セットの実施例においては、方法は、同相及び逆相駆動信号の平均振幅を測定し、制御信号を生成するために、その平均振幅を基準値に比較することを含む。
【００１６】
方法のそのような更なる特徴によれば、駆動信号がサイクル間で上昇または下降しているときの過渡期の（単位時間当たりの最大振幅変化を示す）スルーレートをマッチさせることによって、駆動波形が対称形になることが保証される。例えば、第一のスルーレートは、下降電圧信号の第二のスルーレートにマッチさせた上昇電圧信号を表してもよい、または、それらが逆の関係であってもよい。平均振幅は、基準電圧に比較される平均電圧であってもよい。この比較は、駆動信号を等しくするために、電流ソースを制御するように使用されるエラー信号を生成してもよい。そのようなアプローチは、そうでなければ駆動信号によって負荷容量に観察されるミスマッチに起因する、適用加速の変化の間に悪化するピックオフ入力への障害を有意に低減できる。
【００１７】
駆動信号の第一及び第二のスルーレート間の千分の一を超えるミスマッチが、望ましくないバイアスを生じさせる可能性があることが分かっている。したがって、単一の電流ソース及びシンクによって第一及び第二セットの固定容量性指の一方へ印加される駆動信号は、第一及び第二のスルーレートが、千分の一に等しいよう、またはより良いように調節されてもよい。
【００１８】
開示のスルーレート整合方法は、容量型加速度計に対して、良好なバイアス精度を保証することが分かっている。例えば、２０マイクロ秒のサイクル・タイム及び８００ｎｓの典型的な上昇時間を有するＰＷＭ駆動信号に対して、上昇／下降時間は、１ｎｓ内に安定できる。これは、１ｍｇよりも優れたバイアス安定度の達成を可能にする。これは、スルーレート整合なしの従来の加速度計における約１０ｍｇの典型的なバイアスに比較できる。
【００１９】
種々の実施例においては、同相及び逆相駆動信号の両方を印加する単一の電流ソース及びシンクは、単一の可変または調節可能な電流ソース及びシンクを含んでもよい。したがって、制御信号は、単一の電流ソース及びシンクへ直接的に適用されてもよい。しかしながら、単一の電流ソース及びシンクは、駆動信号が常に正確な振幅を有するよう固定電流ソース及びシンクを含み、同相及び逆相駆動信号間の整合を向上できるように駆動信号が可変なよう、並列に結合された第二の可変または調節可能な電流ソース及びシンクへ制御信号が印加されることが望ましい。可変または調節可能な電流ソース及びシンク（二次）は、単一の固定電流ソース及びシンク（一次）よりも小さな電流を適用してもよい。単一の固定電流ソース及びシンクから駆動電流の大部分を提供し、そして固定電流レベルの小さな部分を調節するように二次可変電流ソース及びシンクを制御することによって、高い制御精度及び優れたスルーレート整合が得られる。
【００２０】
電圧信号が非常に正確に形成できる場合、電流駆動は、加速度計の測定範囲を最大にするよう、レール・トゥ・レールで（例えば、最大及び最小利用可能電圧間で）結合できる。加速度計の倍率が電圧の二乗に比例するので、このことは倍率精度を向上させる。したがって、固定電流ソース及びシンクを主に使用するが固定レベルの小さな部分が高度な制御で調節される電流（及び、ゆえに電圧）操縦を達成するために、二次可変電流ソース及びシンクへ間接的に制御信号を印加することが望ましい。
【００２１】
したがって、本開示の実施例によれば、方法は、さらに、第一及び第二セットの固定容量性指の一方へ印加される駆動信号を調整するために、単一の電流ソース及びシンクに並列に結合された可変電流ソース及びシンクへ制御信号を適用することを含む。単一の電流ソース及びシンクは、オプションとして固定される。そのような実施例では、少なくとも一つの可変電流ソース及びシンク（二次）が、単一の電流ソース及びシンク（一次）に加えて設けられる。可変電流ソース及びシンクは、第一及び第二の駆動信号が実質的にマッチするよう第一の及び／または第二のスルーレートを変更するために、駆動信号の一方または両方の振幅を調節するように使用される。このように二つの駆動波形間のミスマッチを低減することが、種々の適用加速下でのバイアス及び倍率エラーを抑制することが分かっている。
【００２２】
駆動信号波形の安定及び整合を保証するだけでなく、開示の方法は、ピックオフ入力へのオーバーシュートの回避を可能にすることが認識されている。ピックオフ増幅器入力が、波形過渡期に偏移を許容するよう、低電圧電源レール、例えば０Ｖから離れるよう付勢される必要はもはやない。むしろ、本開示の実施例によれば、方法は、さらに、（例えば、プルーフマスの中立位置からの変位に対応する）プルーフマスからのピックオフ信号を測定すること、及び、ピックオフ信号の振幅を、実質的にゼロである基準値に比較することを含んでもよい。例えば、ピックオフ信号電圧は、精度電圧基準値よりも、むしろ０Ｖ基準に比較されてもよい。ピックオフ増幅器のための基準値として０Ｖを使用することは、加速度計測定の動作範囲を最大化するために、最大電圧範囲（例えば、０Ｖ〜＋Ｖdd）が、駆動信号電圧に使用できることを意味する。
【００２３】
典型的に、ピックオフ信号は、静電放電からの保護のために一つ以上のＥＳＤダイオードを使用するピックオフ増幅器へ入力される。ピックオフ入力が０Ｖに対して付勢される場合、（例えば２００ｍＶを超える）電圧擾乱は、ＥＳＤダイオードに導電を発生させることがあり得る。その結果の電荷移動は、ピックオフ信号が不正になり、追加のバイアスまたは倍率エラーが生じることを意味する。しかしながら、駆動信号がマッチされる場合、ピックオフ入力への障害が有意に低減されるので、そのような問題は回避される。したがって、本明細書に開示される方法の種々の特徴は、有利な様式で組み合わせることができる。
【００２４】
上記のように、駆動信号の振幅は、加速度計の動作範囲を決定する。本開示の実施例における単一の電流ソース及びシンクは、少なくとも５０ｇから最高１００ｇの動作範囲を達成するのに必要な静電復元力を提供するために、少なくとも２５Ｖから最高約３５Ｖの振幅Ｖddを有する駆動を印加してもよい。
【００２５】
単一の電流ソース及びシンクは、どんな適切な様式で、第一及び第二セットの固定容量性電極指へ結合されてもよい。以前は、同相及び逆相駆動信号を同時に印加するために、二つの分離型電流ソース及びシンクが固定電極指へ結合されていたが、同相及び逆相駆動信号間で前後に切り替えるために、単一の電流ソース及びシンクが、スイッチによって固定電極指へ結合されてもよい。単一の電流ソース及びシンクを使用することは、また、システムアーキテクチャのコストを低減する。
【００２６】
閉ループ作動を支援するために、同相及び逆相駆動信号は、パルス幅変調（ＰＷＭ）電圧波形として適用されてもよい。したがって、ＰＷＭパルス、すなわちマークスペース比の長さは、プルーフマスへの静電復元力を変化させるために調整されてもよい。このことは、ＷＯ２００５／０８３４５１に、より詳細に説明されており、その内容は、参照によって本明細書に援用される。
【００２７】
本開示は、また、以下のものを含む容量型加速度計にも拡張する。適用加速に応じて平面内感知方向へ直線的に可動なように、固定サブストレートに柔軟な支持脚によって取り付けられた実質的に平面のプルーフマス。感知方向に対して実質的に直角に且つ感知方向に間隔を空けてプルーフマスから延在する第一及び第二セットの可動容量性電極指。感知方向に対して実質的に直角に且つ感知方向に間隔を空けて延在する第一及び第二セットの固定容量性電極指。容量型加速度計において、第一セットの固定容量性電極指は、第一セットの可動容量性電極指に相互に組み合うように設けられ、第二セットの固定容量性電極指は、第二セットの可動容量性電極指に相互に組み合うように設けられる。適用加速の慣性力をバランスさせ且つプルーフマスを中立位置に維持するために、プルーフマスに対して正味静電復元力を提供するよう、第一セットの固定容量性電極指へ同相駆動信号、及び第二セットの固定容量性電極指へ対応逆相駆動信号を印加するように設けられた駆動信号発生器。及び、同相及び逆相駆動信号の両方を生成するために、駆動信号発生器へ結合された単一の電流ソース及びシンク。
【００２８】
同相及び逆相駆動信号は、パルス幅変調（ＰＷＭ）電圧波形を含んでもよい。
【００２９】
この開示の実施例における容量型加速度計は、さらに、第一セットの容量性指へ印加される駆動信号の第一のスルーレートが、第二セットの容量性指へ印加される駆動信号の第二のスルーレートに実質的に等しいよう、単一の電流ソース及びシンクによって、第一及び第二セットの固定容量性指の少なくとも一方へ印加される駆動信号を調節するように設けられた制御回路を含んでもよい。第一のスルーレートは同相駆動信号に関わり、第二のスルーレートは逆相駆動信号に関わるため、同相及び逆相駆動信号は、スルーレートにおいてマッチする。第一及び第二のスルーレートは、同相駆動信号の上昇において、または、同相駆動信号（及び対応逆相駆動信号）の下降において判定されてもよい。一つの実施例における第一及び第二のスルーレートは、同相駆動信号（及び対応逆相駆動信号）の上昇及び下降の両方において実質的に等しい。
【００３０】
前述のように、制御回路は、第一セットの容量性指へ印加される駆動信号の第一のスルーレートが、第二セットの容量性指へ印加される駆動信号の第二のスルーレートに実質的に等しいよう、単一の電流ソース及びシンクによって、第一及び第二セット両方の固定容量性指へ印加される駆動信号を調節するように設けられてもよい。制御回路は、同相及び逆相駆動信号の平均振幅を測定するように、また、その平均振幅を基準値に比較するように設けられてもよい。
【００３１】
前述のように、単一の電流ソース及びシンクは、駆動信号が常に正確な振幅を有するよう、固定電流ソース及びシンクを含むことが望ましい。この開示の実施例における制御回路は、単一の固定電流ソース及びシンク（一次）に並列に結合された可変電流ソース及びシンク（二次）を含む。
【００３２】
一セットの実施例においては、可変電流ソース及びシンクは、可変電流ソース及びシンクによって提供される調整が、固定電流ソース及びシンクによって提供された固定電流の小さな部分を表すよう、単一の固定電流ソース及びシンクよりも小さな電流を提供する。単一の固定電流ソースは、（駆動電流の形態で）駆動信号の大部分を提供するように使用され、二次可変電流ソースは、同相及び逆相信号間の最善初期整合を提供するよう、全駆動電流を調節するように制御される。これによって、駆動信号に対する制御レベルを向上させることができ、駆動信号のより正確な整合が可能となる。
【００３３】
本明細書に開示される種々の特徴は、ピックオフ信号入力を０Ｖに付勢させる加速度計を可能にするため、追加の非常に正確な基準電圧の必要性を排除する。ピックオフ信号入力が駆動電圧源の低レールへ付勢される場合、エラー源は最小になる。したがって、この開示の実施例における容量型加速度計は、さらに、プルーフマスへ結合されてピックオフ信号振幅を、実質的にゼロである基準値に比較するように設けられたピックオフ信号増幅器を含んでもよい。
【００３４】
上記開示の実施例のいずれにおいても、第一セットの固定容量性電極指は、相互組み合わせ電極指間の中線から一方向に第一のオフセットを有してもよく、また、第二セットの固定容量性電極指は、中線から反対方向に第二のオフセットを有してもよい。
【００３５】
この開示のいずれの実施例においても、プルーフマス及び固定電極指は、例えばシリコン・サブストレート等の半導体基板から、一体的に形成されてもよい。容量型加速度計は、ＭＥＭＳ加速度計の形態を採ってもよい。
【００３６】
さて、添付図面を参照しながら、一つ以上の非限定的実施例を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】加速度計のための閉ループ電子制御システムを示すブロック図である。
【図２】図１に示すような閉ループ・システムに使用するための、従来技術による駆動構成を示す。
【図３ａ】図２の従来技術による構成に対する例示的な駆動波形を示す。
【図３ｂ】図２の従来技術による構成に対する例示的な駆動波形を示す。
【図３ｃ】図２の従来技術による構成に対する例示的な駆動波形を示す。
【図４】図１に示すような閉ループ・システムに使用するための、本開示による駆動構成を示す。
【図５ａ】図４に示すような、本開示による駆動システムに対する例示的な駆動波形を示す。
【図５ｂ】図４に示すような、本開示による駆動システムに対する例示的な駆動波形を示す。
【図５ｃ】図４に示すような、本開示による駆動システムに対する例示的な駆動波形を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
図１は、加速度計の閉ループ作動のアウトラインを提供する。閉ループ制御構成における固定電極指１１０、１１２は、パルス幅変調（ＰＷＭ）技術を利用して制御できる。この場合は、同相ＰＷＭ信号Ｖ1が、一セットの指１１０へ印加され、逆相ＰＷＭ信号Ｖ2が、他セットの指１１２へ印加される。ＰＷＭ駆動信号発生器２２は、各々の電極指１１０、１１２へ、相補的な同相及び逆相駆動電圧Ｖ1及びＶ2を供給する。プルーフマス１０２からのピックオフ電圧信号Ｖoutは、プリアンプ２３へ取り出される。復調器２４は、プリアンプ２３から出力２５を受信して復調し、中立位置からのプルーフマスの変位を表す出力２７を提供する。積分器／ループ・フィルタ２６は、復調器２４から出力２７を受信して積分し、フィルターをかける。結果として生じるフィードバック信号２８は、中立位置からのプルーフマスの変位による要求復元力を表すため、適用加速に比例する。信号２８は、ＰＷＭ駆動電圧Ｖ1及びＶ2のマークスペース比を調節するために、ＰＷＭ発生器２２に入力される。発生器２２は、プルーフマスへの要求復元力を提供するために、ＰＷＭパルスのマーク長を増加または減少させてマークスペース比を変化させるように設けられている。プルーフマス１０２が、適用加速の慣性力下で移動する傾向がある場合、固定電極１１０、１１２へ印加されるＰＷＭ電圧信号Ｖ1及びＶ2は、プルーフマス１０２を中立にするように静電復元力を提供するため、加速の間接測定が可能である。駆動電圧Ｖ1及びＶ2を比較して出力３１を提供するように、低域フィルタ３０を有する差動増幅器２９が設けられている。択一的に、発生器２２が十分な精度を有するという条件で、ＰＷＭフィードバック信号２８は、適用加速を表す直接出力として使用することができる。
【００３９】
そのようなＰＷＭアプローチを利用する場合、静電復元力はマークスペース比に比例し、センサの動作範囲に渡って線形出力を提供する。固定位置に指を維持するために必要な復元力の大きさは、プルーフマス１０２に作用する力を算出するために利用できるため、加速度計の感知方向に沿った適用加速を計算可能である。
【００４０】
図２は、図１のようなシステムに使用可能な、従来技術による駆動構成を示す。駆動信号発生器２２’は、二つの分離型電流ソース４０、４４及びシンク４２、４６を含む。駆動波形の上昇時間は、電流ソースを使用して確定され、下降時間は電流シンクを使用して確定される。固定電極指１１０、１１２及びプルーフマス１０２は、第一及び第二のコンデンサ４８、５０を形成し、プルーフマス１０２からの出力は、プリアンプ２３’へ結合されている。
【００４１】
使用中、二つの電流ソース４０、４４及びシンク４２、４６は、各々（５０：５０の方形波形として概略的に示す）同相及び逆相駆動信号Ｖ1、Ｖ2を生成するために、別個の電流Ｉ1、Ｉ2及びシンクＩ3、Ｉ4を適用する。これらの同時の駆動信号Ｖ1、Ｖ2は、等しく且つ振幅が逆であるとされるが、ランダムなデバイス変化により、駆動信号にミスマッチが発生する可能性がある。駆動信号Ｖ1、Ｖ2は、所定のマークスペース比を有するＰＷＭ電圧信号である。第一及び第二のコンデンサ４８、５０は、各々同相及び逆相駆動信号Ｖ1、Ｖ2によって駆動される。システムの閉ループの性質により、これらの駆動信号Ｖ1、Ｖ2は、プルーフマス１０２を中立位置に戻す静電力を作用させ、コンデンサ４８、５０を、例えば、相互組み合わせ電極指間に一定の分離を有して維持する。プルーフマス１０２からは出力電圧Ｖoutがプリアンプ２３’へ取り出され、その出力電圧は、所定の電圧Ｖrefにレファレンスされ、信号における偏移を許容するために低電圧源レールから離れるように付勢される。したがって、プリアンプ２３’は高精度基準電圧を必要とする。プリアンプ２３’からの出力は、図１を参照して説明したように、それから復調され、ＰＷＭフィードバックとして使用可能である。
【００４２】
図３ａ〜図３ｃは、図２の従来技術によるシステムの駆動波形を示す。図３ａには、例示的な駆動信号Ｖ1、Ｖ2が示されている。これら駆動信号Ｖ1、Ｖ2を生成するのに分離型電流ソース４０、４４及び電流シンク４２、４６が使用されているため、それらは同一ではない。信号Ｖ1が上昇時間ｔ1及び下降時間ｔ3を有するのに対し、信号Ｖ2は上昇時間ｔ2及び下降時間ｔ4を有する。二つの信号は、同じスルーレートを有しない。このことは、二つの駆動信号にミスマッチを生じさせるため、それらが正確に相互を鏡映しにすることはない。これは、結果として図３ｂに示すような、５１でピークとなり５２へと平坦になって反対方向へ５４で谷となり５６へと平坦になることを繰り返す波形Ｖ3を生じさせる。ピーク５１は、Ｖ1の上昇時間ｔ1がＶ2の下降時間ｔ2よりも非常に大きいことに起因する。同様に谷５４は、Ｖ1の下降時間ｔ3がＶ2の上昇時間ｔ4よりも非常に小さいことに起因する。波形Ｖ3の過渡現象及び増幅器２３の限界から、プルーフマスからのピックオフ信号Ｖoutは、図３ｃに示すような障害を含むことになる。線分５８、６０は、ピックオフ信号Ｖoutに望ましい変化の上下限を示す。これらの限界値を超過することは、ピックオフ入力ＥＳＤ保護ダイオードに導電を生じさせる可能性がある。ミスマッチのスルーレートによって導入されたエラーにより、ピックオフ信号Ｖoutが、最大及び最小限界値５８、６０を超過することは明らかである。
【００４３】
図４は、本開示による例示的な駆動構成を示す。同相及び逆相駆動波形Ｖ1’及びＶ2’の両方を生成するために、単一の電流ソース６２及び電流シンク６４が使用される。駆動電流は、固定電極指１１０、１１２間の前後で切り替えられてもよい。駆動波形Ｖ1’、Ｖ2’は、電極指１１０、１１２及びプルーフマス１０２から形成されるコンデンサ６６、６８を駆動するために使用される。図２に示す構成と異なり、同一の負荷に対するＶ1’及びＶ2’の上昇時間は、同じ電流ソースを使用して生成されるため、同じである。同様に、同じ電流シンクを使用して生成されるという理由で、下降時間も同じである。駆動電流は、単一の電流ソース６２及びシンク６４に並列の可変電流ソース７０及びシンク７２へ結合されたオペアンプ７４によって制御可能である。これは、駆動波形Ｖ1’及びＶ2’のための制御回路を提供する。プルーフマス１０２の出力Ｖoutは、駆動回路が使用するのと同じ０Ｖにレファレンスされるプリアンプ２３”へ結合される。プリアンプ２３”を０Ｖにレファレンスすることによって、非常に正確な基準電圧の生成の必要を排除できる。
【００４４】
使用中、固定電流ソース６２及びシンク６４は、一定の振幅を有する駆動波形Ｖ1’及びＶ2’を印加する。制御回路は、駆動波形Ｖ1’、Ｖ2’に基づき、すなわち正及び負の駆動電流の平均に基づき平均電圧Ｖsenseを判定するために、二つの駆動波形をモニターする。この平均電圧Ｖsenseは、エラー信号を生成するために、増幅器７４によって基準電圧Ｖrefに比較され、エラー信号が、可変電流ソース７０及びシンク７２を制御するために使用される。可変電流ソース７０及びシンク７２は、Ｉ4からＩ3へのソース電流及びＩ6からＩ5へのシンク電流のいずれか、または両方を調節する。この可調電流は、固定ソース及びシンク電流Ｉ1、Ｉ2に並列であるため、他の駆動の下降スルーレートに上昇スルーレートをマッチさせるよう（または、それらの逆の関係で）駆動のスルーレートを変更するように駆動波形Ｖ1’、Ｖ2’の振幅を調節する。可変電流ソース７０及びシンク７２は、駆動信号が対称形であることを保証するために、駆動信号Ｖ1’、Ｖ2’を変更するように使用される。固定電流ソース及びシンク６２、６４から駆動電流の大部分を提供し、それから可変電流ソース及びシンク７０、７２によって電流の小部分を調節することによって、駆動信号の精度が向上し、スルーレートの対称性は改善される。そうでなければ、外部加速下にあるプルーフマス指は、初期に（復元力が完全に適用される前に）逸れ、異なるコンデンサ６６、６８は、駆動信号Ｖ1’、Ｖ2’に、不一致のスルーレートを生じさせるであろう。これは、また、そうでなければ、不一致のスルーレートの原因となるであろうＭＥＭＳ及びＡＳＩＣエレクトロニクスの両方における製作公差に対する補正を回路が提供することを可能にする。
【００４５】
図４の駆動構成は、図５ａに示すような駆動信号Ｖ1’、Ｖ2’を生成する。明らかに、ｔ1’及びｔ3’は、ｔ2’及びｔ4’に非常に類似している。信号Ｖ1’及びＶ2’のための上昇及び下降時間が密接にマッチされるので、スルーレートも、より密接にマッチすることになる。これは、結果として、図５ｂに示す非常に平滑な波形Ｖ3’を生成する。これは、図３ｂに示すものに比べ、ピーク７６及び谷７８が非常に小さい。したがって、このシステムから生成されるピックオフ信号Ｖout’は、図５ｃから分かるように、信頼性が非常に高い。電圧の変化は、±２００ｍＶの最大及び最小限界値８０、８２よりも著しく小さい。ピックオフ信号Ｖout’における電圧擾乱を低減することによって、図４に示すＥＳＤダイオードが導電することはなく、ゆえに、バイアス精度は保証される。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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