JP2008292363A - 閉鎖ループ櫛型駆動センサ - Google Patents

Abstract

【課題】ある種の「共通モード」センサ誤差を低減させる閉鎖ループの櫛型駆動装置に関する。
【解決手段】この装置は、櫛型構造、電子機器、基板、位置検出手段を有する。櫛型構造は、２つの駆動区域を有し、各々の駆動区域は、少なくとも２つのサブ領域を有する。各区域の櫛型駆動サブ区域は、駆動軸に対して互いに対角関係に位置決めされる。電子機器に沿った、分離したピックオフ区域は、２つの駆動区域のいずれが電圧差を受け取るべきか、及び差圧の大きさを決定する。対角関係に配置された駆動区域により、従来の設計にしばしば見られた大きなスケール因子誤差の大部分が取り除かれる。
【選択図】図２

Description

本発明は、閉鎖ループ櫛型駆動センサに関する。

加速度計、圧力検出器等の装置は、閉鎖ループ構成においてフィードバック力を提供するために、しばしば、静電櫛型駆動装置を用いる。この駆動装置は、１つ又はそれ以上の側方櫛歯対の区域を有する。それぞれの対は、可動型の慣性質量（加速度計）又はダイアフラム（圧力計）に取り付けられた歯を有しており、他方の歯は、固定フレームに取り付けられている。歯の対の間の静電力は常に引力であるために、櫛歯を構成する方法の種類は限られている。加速度計においては、装置の駆動部を構成する通常の方法は、２つの駆動区域を備えることであり、一方は、正の入力のためのフィードバック力を提供し、もう一方は、負の入力のためのフィードバック力を提供する。この２つの駆動部は、中心線の片側に配置される。従来技術を示す図１を参照されたい。

従来技術の装置における共通の問題は、固定歯と可動歯との間のギャップが、時間的に及び／又は環境入力を通じて、一定には保たれず、そしてギャップの２乗に反比例する静電力が変化することである。閉鎖ループ操作において、ギャップの変化は、慣性質量上の慣性力の均衡を保つのに必要な、ギャップ間に印加される電圧差の変化を生じさせる。この電圧は、検出される加速度の指標として用いられ、加速度の変化が生じたことを表す。これは、機器のスケール因子における誤差となって観測される。例えば、ギャップが１％増加すると、機器のスケール因子は約２％増加する（２％の誤差）。ギャップの変化は、温度変化、衝撃、又は長期間の保管のような環境因子により生じ得る。例えば、慣性質量及び全ての歯がシリコンから作られており、固定歯が、例えばガラスのような他の材料からなるフレームに取り付けられている場合、温度変化は、固定歯及び可動歯の異なる比率での膨張を生じさせ、互いに相対的に変位することになる。一般に、慣性質量上の可動歯及びガラスに取り付けられた固定歯の両方の幾何学中心は、一致したままであるが、それぞれの歯は、放射状に異なる比率で膨張する。歯の対のギャップが位置する幾何学中心から遠くなるにつれて、温度によるギャップの変化の比率は大きくなり、従って、機器のスケール因子に与える影響は大きくなる。

従って、この誤差要因を取り除くように動作する、櫛型駆動装置の構成への需要が存在する。

本発明は、閉鎖ループ型の櫛型駆動装置を提供する。この装置は、側方櫛型駆動構造、慣性質量又はダイアフラム、制御装置及び典型的には閉鎖ループシステム内のその他の電子機器、基板、及び慣性質量の位置検出手段を有する。櫛型構造は、２つの櫛型駆動区域を含み、その各々は、少なくとも２つのサブ区域を備える。一方の区域は、正の入力のためのフィードバック力を提供し、もう一方は負の入力のためのフィードバック力を提供する。区域中の櫛型駆動部のサブ区域は、機器の軸に対して互いに対角関係に位置決めされる。

電子機器は、慣性質量位置検出手段に従って、どの区域が慣性質量をゼロ位置に向かって引っ張ることが必要なのかを決定する。これは、適切な櫛領域に電圧差を印加することによって行われる。印加される電圧は、入力加速度の指標として用いられる。

上述のシリコン／ガラスの例において、シリコンの膨張率が高いならば、温度は上昇している。図１の従来技術において、可動シリコン歯は、ガラスに取り付けられた固定歯よりも、大きい比率で放射状に膨張する。これは、全ての正の側及び負の側のギャップを減少させる原因となる。いずれかの側は、再び均衡させる力を提供しており、より小さいギャップの効果は、必要な電圧差を低くさせ、その結果スケール因子を小さくする。本発明（図２）の正の側の歯（５２及び４８）を見てみると、温度上昇とともに、歯４８のギャップは大きくなり、一方で、歯５２のギャップは小さくなる、ということが明らであろう。そして、従来技術において現れる誤差は、これを共通モード誤差に変化させることによって取り除かれる。

本発明の、好ましい実施形態、及び代替実施形態を、添付した図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
本発明は力フィードバック櫛型駆動装置を提供する。図２は、本発明の実施形態により形成された櫛型駆動センサシステム１５の例を示している。システム１５は、櫛型駆動装置２０（加速度計が示されている）を含み、電子機器２２に接続されている。電子機器２２は、装置２０の様々な部品から信号を受け取ることによって、装置２０に印加される電圧を決定する。閉鎖ループ構成において、装置２０のダイアフラム又は慣性質量３０をゼロ位置に保持するために、電子機器２２は装置２０に電圧信号を供給する。慣性質量３０は基板２４に屈曲部で接続される。屈曲部により、慣性質量３０は、慣性力に応答してＸ軸に沿って変位することができる。

本実施例において、装置２０は、櫛歯４０、４８、５２、５０の４つの区域を有する。櫛歯４０、４８、５２、５０の４つの区域の各々は、区域４０における歯４０ａ及び４０ｂのような、１つ又はそれ以上の歯の対を有する。慣性質量３０から延びる各々の歯４０ｂ、４８ｂ、５０ｂ、５２ｂは、対応するパッド３２、３８、３６及び３４を介して基板２４から延びる固定歯と対になっている。歯４０ａ、４８ａ、５０ａ、５２ａは基板２４から直接延びるようにしてもよい。

慣性質量３０の第１の側部から延びる各々の歯４０ｂ及び５２ｂは、それぞれ、対になる固定歯４０ａ及び５２ａの内側に配置される。慣性質量３０の第２の側部において、各々の歯４８ｂ及び５０ｂは、それぞれ、対になる固定歯４８ａ及び５０ａの内側に配置される。

第１の区域の固定歯は、第１の区域の対角側に位置する第２の区域の固定歯と電気的に接続される。従って、歯５０ａは、歯４０ａが受け取る電圧差と同じ電圧差を受け取る。歯４８ａ及び５２ａも同様である。

装置２０にＸ軸について正の方向の加速度が与えられた場合、慣性質量は、固定歯に対してＸ軸の負の方向にわずか動く。この装置の分離した「ピックオフ」区域（図示せず）が、この相対的な変位を検出し、この情報を電子機器２２に伝達する。そして、均衡させるために必要な静電力を発生させるために、電子機器２２は、慣性質量３０をゼロ位置に再配置するのに必要な静電力（即ち電圧値）を決定し、また、駆動させる歯の対角区域を決定する。本例において、決定された電圧値は、歯４８ａ及び４８ｂに印加され、これが、歯４８ａと４８ｂとの間及び歯５２ａと５２ｂとの間の静電引力を発生させる。他の固定歯４０ａ及び５０ａは、関連する歯４０ｂ及び５０ｂの電圧値にマッチさせる電子機器２２から電圧値を受け取る。

静電力を発生させる歯が、互いに対角に位置するので、慣性質量におけるモーメントは、２つの力が加算されてゼロになる。これは、慣性質量３０のＸＹ平面内での回転モードを駆動させないようにできるので好ましい。

これにより、温度や衝撃のような外部要因、及び残留応力のような内部要因によるスケール因子誤差を、共通モード誤差にできる。共通モード誤差は、２つの大きさの等しい且つ反対符号の部分から構成され、相殺されて正味の効果がゼロとなるものである。この場合、非対称の固定／可動関係とともに、中心線の片側に位置する駆動区域の半分を備えることにより、共通モード誤差が発生する。（例えば、温度変化によるギャップの縮みによる）片側の半分からのフィードバック力の増加は、増加したギャップ側の半分からの力の減少により相殺される。

従来技術によって形成された櫛型駆動センサの例を示す上面図である。 本発明によって形成された櫛型駆動センサシステムを示す図である。

Claims (4)

1. 櫛歯型駆動装置であって、
   位置検出装置（２０）と、
   基板と、
   第１の縁部、第２の縁部、第１の端部及び第２の端部を有する力検出装置（３０）とを有し、前記力検出装置は、前記基板に接続されており且つ前記位置検出装置と電気的に連絡されており、
   前記櫛歯型駆動装置は更に、少なくとも１対の歯からなる４つのグループを有しており、
   第１グループ（３２）における前記少なくとも１対の歯は、
   前記基板から延びる第１の歯（４０ａ）と、
   前記第１の歯（４０ａ）とともに容量ギャップを形成する、前記第１の端部付近の前記力検出装置の第１の縁部から延びる第２の歯（４０ｂ）とを有しており、前記第１の歯（４０ａ）は、長手方向軸に沿う方向において、前記第２の歯（４０ｂ）よりも前記第１の端部に近接しており、
   第２グループ（３６）における前記少なくとも１対の歯は、
   前記基板から延びる第１の歯（５０ａ）と、
   前記第１の歯（５０ａ）とともに容量ギャップを形成する、前記第２の端部付近の前記第２の縁部から延びる第２の歯（５０ｂ）とを有しており、前記第２の歯（５０ｂ）は、前記長手方向軸に沿う方向において、前記第１の歯（５０ａ）よりも前記第２の端部に近接しており、
   第３グループ（３４）における前記少なくとも１対の歯は、
   前記基板から延びる第１の歯（５２ａ）と、
   前記第１の歯（５２ａ）とともに容量ギャップを形成する、前記第２の端部付近の前記第１の縁部から延びる第２の歯（５２ｂ）とを有しており、前記第１の歯（５２ａ）は、前記長手方向軸に沿う方向において、前記第２の歯（５２ｂ）よりも前記第２の端部に近接しており、
   第４グループ（３８）における前記少なくとも１対の歯は、
   前記基板から延びる第１の歯（４８ａ）と、
   前記第１の歯（４８ａ）とともに容量ギャップを形成する、前記第１の端部付近の前記第２の縁部から延びる第２の歯（４８ｂ）とを有しており、前記第２の歯（４８ｂ）は、前記長手方向軸に沿う方向において、前記第１の歯（４８ａ）よりも前記第１の端部に近接しており、
   前記第１及び前記第２グループの前記第１の歯は、実質的に同一の信号を受け取るための前記位置検出装置に電気的に接続されており、
   前記第３及び第４グループの前記第１の歯は、実質的に同一の信号を受け取るための前記位置検出装置に電気的に接続されていることを特徴とする櫛歯型駆動装置。
2. 請求項１に記載の櫛歯型駆動装置であって、前記力検出装置は、慣性質量又は圧力検出器であり、前記位置検出装置は、いずれのグループの対が、歯の対の間のギャップが広がっているのかを決定し、前記位置検出装置は、前記力検出装置を所定の位置に動かすのに必要な力を決定し、前記位置検出装置は、決定された前記力に基づいて信号を発生させ、前記位置検出装置は、歯の対の間のギャップが広がったと決定されたグループの対における第１の歯に、発生させた前記信号を伝達することを特徴とする櫛歯型駆動装置。
3. 櫛歯駆動方法であって、
   少なくとも１対の歯を備える櫛歯駆動部グループの２つの対のうちのいずれが、前記歯の対の間のギャップが広がっているのかを決定する工程を有し、前記櫛歯駆動部グループにおける前記少なくとも１対の歯の各対は、力検出装置に接続される第１の歯と、基板に接続される第２の歯とを有し、
   前記方法は更に、前記力検出装置を所定位置に動かすために必要な力を決定する工程と、
   決定された前記力に基づいて信号を発生させる工程と、
   前記歯の対の間のギャップが広がっていると決定されたグループの対の前記第１の歯に、発生させた前記信号を伝達する工程と、を有し、
   対になった前記櫛歯駆動部グループの各々は、互いに、前記力検出装置に対して、対角関係に配置されることを特徴とする、櫛歯駆動方法。
4. 請求項３に記載の櫛歯駆動方法であって、
   前記第１の対の櫛歯駆動部グループ（３２、３６）のうちの、第１の櫛歯駆動部グループにおける前記少なくとも１対の歯は、
   前記基板から延びる第１の歯と、
   前記第１の歯とともに容量ギャップを形成する、第１の端部付近の前記力検出装置の第１の縁部から延びる第２の歯とを有しており、前記第１の歯は、長手方向軸に沿う方向において、前記第２の歯よりも前記第１の端部に近接しており、
   前記第１の対の櫛歯駆動部グループのうちの、第２の櫛歯駆動部グループにおける前記少なくとも１対の歯は、
   前記基板から延びる第１の歯と、
   前記第１の歯とともに容量ギャップを形成する、第２の端部付近の前記力検出装置の第２の縁部から延びる第２の歯とを有しており、前記第２の歯は、前記長手方向軸に沿う方向において、前記第１の歯よりも前記第２の端部に近接しており、
   前記第２の対の櫛歯駆動部グループ（３４、３８）のうちの、第１の櫛歯駆動部グループにおける前記少なくとも１対の歯は、
   前記基板から延びる第１の歯と、
   前記第１の歯とともに容量ギャップを形成する、前記第２の端部付近の前記第１の縁部から延びる第２の歯とを有しており、前記第１の歯は、前記長手方向軸に沿う方向において、前記第２の歯よりも前記第２の端部に近接しており、
   前記第２の対の櫛歯駆動部グループのうちの、第２の櫛歯駆動部グループにおける前記少なくとも１対の歯は、
   前記基板から延びる第１の歯と、
   前記第１の歯とともに容量ギャップを形成する、前記第１の端部付近の前記第２の縁部から延びる第２の歯とを有しており、前記第２の歯は、前記長手方向軸に沿う方向において、前記第１の歯よりも前記第１の端部に近接しており、
   前記第１及び前記第２グループの前記第１の歯は、同一の信号を受け取るための制御装置に電気的に接続されており、
   前記第３及び第４グループの前記第１の歯は、同一の信号を受け取るための制御装置に電気的に接続されていることを特徴とする櫛歯駆動方法。

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