JP2010256136A

JP2010256136A - 振動子の駆動方法および駆動回路ならびにその駆動回路を備える慣性力検出装置

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Publication number: JP2010256136A
Application number: JP2009105551A
Authority: JP
Inventors: Makoto Kataoka; 誠片岡
Original assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Current assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Priority date: 2009-04-23
Filing date: 2009-04-23
Publication date: 2010-11-11
Anticipated expiration: 2029-04-23
Also published as: JP5240045B2

Abstract

【課題】寄生容量によるクロストークノイズを除去可能な振動子の駆動回路において、角速度出力の検出感度を向上させること。
【解決手段】駆動回路１２０は、振動子４１２の共振周波数とほぼ同一の周波数ｆｒの交流電圧である変調波を発生する変調波発生回路１２１と、振動子４１２の共振周波数よりも高い周波数ｆｃの交流電圧である搬送波を発生する搬送波発生回路１２２と、搬送波を変調波により振幅変調して、駆動用固定電極４１６に駆動信号を出力する振幅変調回路１２３と、搬送波の直流電圧を調整して、振動子４１２に、調整された搬送波を出力する直流電圧調整回路１２４とを備える。駆動回路１２０の搬送波発生回路１２２の出力信号が、直流電圧調整回路１２４を通り、固定部４１３を通じて振動子４１２へ印加される。駆動用固定電極４１６に加えられる駆動信号Vkが図２(a)に示されており、振動子４１２に印加される電圧Vmassが図２(ｂ)に示されるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動子の駆動方法および駆動回路ならびにその駆動回路を備える慣性力検出装置に関する。

従来のＭＥＭＳ（ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｓ）構造を用いた慣性力検出装置の一例である角速度検出装置４００は、従来例１として図４に示され、素子部４１０と、駆動回路４２０と、センサ出力回路４３０とで構成されている。素子部４１０は、基部４１１と、基部４１１から浮いた或いは離間した位置に配置されてｘ方向およびｙ方向に変位が可能な振動子４１２と、振動子４１２の周囲に配置され基部４１１に固定されている複数の固定部４１３と、振動子４１２を各固定部４１３に連結する梁４１４と、振動子４１２からｘ方向に突出形成された櫛歯形状の駆動用可動電極４１５と、基部４１１に固定配設され駆動用可動電極４１５と間隔を介して噛み合う櫛歯形状の駆動用固定電極４１６と、振動子４１２からｙ方向に突出形成された櫛歯形状の検出用可動電極４１７と、基部４１１に固定配設され検出用可動電極４１７と間隔を介して噛み合う櫛歯形状の検出用固定電極４１８とを備える。振動子４１２は、固定部４１３を通じて接地されている。

駆動回路４２０は、発振器４２１と、増幅器４２２とを備える。発振器４２１は、振動子４１２の共振周波数と同一またはほぼ等しい周波数の交流信号を発生させる。増幅器４２２は、発振器４２１により発生した交流信号を増幅し、出力電圧Vk'を駆動信号として素子部４１０の駆動用固定電極４１６に印加する。その駆動信号Vk'の式は数式（１）により表すことができる。

ここで、数式（１）中の定数Ａは駆動電圧の振幅を表し、定数Ｂは直流オフセットを表している。ｆｒは駆動信号Vk'の周波数であるとともに、振動子の機械的な共振周波数を示している。

一般的に、極板間に電位差を与えたときに働く静電気力の大きさは電位差の２乗に比例するため、振動子に与えられる静電気力は、駆動用固定電極４１６に印加する駆動電圧Vk'と振動子４１２の電圧Vmassとの差の２乗に比例する。振動子４１２の電位Vmassは通常ＧＮＤ（０Ｖ）に固定されるため、図４および図５に示される従来例１の駆動方法において振動子４１２に与えられる静電気力の大きさは、数式（２）で示される。

数式（２）において実効的に振動子を共振振動させるのは、数式（３ａ）で示される共振周波数ｆｒの成分のみとなる。

このように振動子４１２が共振振動している場合に、素子部４１０にｚ軸周りの回転（角速度）が加わると、ｙ方向にコリオリ力が発生し、このコリオリ力に起因して振動子４１２はｘ方向だけでなくｙ方向にも振動する。そのｙ方向の振動の周波数はｘ方向の振動の周波数、また駆動電圧Vk'の周波数と同じになる。

センサ出力検出部４３０は、電圧源接続部４３１と、抵抗器４３２と、増幅器４３３と、整流回路４３４と、平滑化回路４３５とを備える。

直流の電圧源が電圧源接続部４３１及び抵抗器４３２を介して検出用固定電極４１８に接続される。このような状態のときに、振動子４１２がコリオリ力に起因してｙ方向に振動すると、ｙ方向の振動に伴って検出用可動電極４１７と検出用固定電極４１８との間の静電容量が変化し、この静電容量の変化に応じた信号（検出信号）が検出用固定電極４１８に発生する。

検出信号は振動周波数と同じ周波数の交流信号であるため、増幅器４３３により増幅された後、整流器４３４により全波整流し、平滑化回路４３５を通すことで直流成分として出力される。

他の従来例としては、図７および図８（特許文献１参照）に示される、駆動電圧Vk'に振幅変調をかけた信号を用いる、従来例２の方式が挙げられる。この方式は、従来例１の構成に対し、駆動回路７２０中に、変調波発生回路７２１と、搬送波発生回路７２２と、振幅変調回路７２３とを備え、センサ出力回路７３０中に、電圧源接続部４３１と、抵抗器４３２と、増幅器４３３と、低域通過フィルタ７３１と、整流回路４３４と、平滑化回路４３５とを備える。ここで、同一の符号は、従来例１と同様の構成要素を示す。

変調波発生回路７２１は、振動子４１２の共振周波数ｆｒと同一またはほぼ等しい周波数の交流信号を生成し、搬送波発生回路７２２は、振動子７１２の共振周波数ｆｒよりも高い周波数ｆｃの交流信号を生成する。

振幅変調回路７２３は、変調波発生回路７２１から出力された変調波を利用して、搬送波発生回路７２２から出力された搬送波を振幅変調して駆動信号Vk”を出力し、駆動信号として駆動用固定電極４１６に印加する。この駆動信号Vk”は数式（４）で表すことができる。

数式（４）の信号を駆動用固定電極４１６に印加し、振動子４１２の電位をＧＮＤ（０Ｖ）とした場合、振動子４１２に共振周波数の成分としてかかる静電気力は、数式（５ａ）で表すことができる。

また、従来例２では、駆動信号に振幅変調をかけるとともに、センサ出力回路７３０に、しきい値周波数が振動子４１２の共振周波数ｆｒよりも大きく、かつ搬送波の周波数よりも小さい低域通過フィルタ７３１を備えた構成となっている。

特開２００３−２８６４２号公報

上述した従来例１に記載の駆動方法を用いた角速度検出装置においては、駆動用固定電極４１６と検出用固定電極４１８との間の寄生容量により、駆動信号が検出信号に干渉し、検出信号中にノイズ成分（以下「クロストークノイズ」と表記する。）として現れ、オフセットや温度ドリフトの特性に影響を及ぼしてしまう問題がある。図６（ａ）及び（ｂ）に一般的なＣＶ（Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ−Ｖｏｌｔａｇｅ）変換回路の原理を示す。また、駆動信号が寄生容量を介して干渉した場合の出力される信号をそれぞれ数式（６ａ）及び（６ｂ）に示す。

ΔＣｓはコリオリ力によるセンサ容量の変化を表しており、ΔＣｓに比例する項が検出したい角速度の成分となる。また寄生容量Ｃ_paraに比例する項がクロストークノイズの成分である。検出信号とクロストークノイズは同じ周波数の信号であるため、従来例１の場合はそれぞれを分離して検出を行うことは困難である。

従来例２は、従来例１の改良発明に相当し、駆動信号の周波数を振幅変調することで、検出信号の周波数（振動子の共振周波数）と周波数分離し、駆動信号のもれこみを除去する構成となっている。

しかしながら、従来例２の発明においても、角速度の検出信号の感度が低下するという問題がある。

角速度を検出する際のコリオリ力（Ｆ＝質量×速度×角速度）は、速度に比例する力となっており、振動子の速度は振動子の共振周波数と振幅によって決定される。また、振動子の振幅は振動子にかかる静電気力の大きさに比例する。

数式（３ａ）において、Ａは駆動信号の交流成分の振幅を表し、Ｂは駆動信号と振動子の直流成分の差をあらわしており、実効的にかかる振動子の共振周波数ｆｒの周波数の静電気力は、駆動回路４２０の電源電圧（ＶＤＤ）を考慮すると、Ａ及びＢがともに１／２・ＶＤＤの場合に最大値をとり、数式（３ｂ）であらわされるF_MAX'となる。

数式（５ａ）においては、Ａは変調波の振幅をあらわしており、Ａ’は変調波と搬送波の直流成分の差を表しており、実効的にかかる振動子の共振周波数ｆｒの周波数の静電気力はＡ及びＡ’が共に１／４・ＶＤＤの場合に最大値をとり、数式（５ｂ）で表されるF_MAX”となる。

数式（３ｂ）と数式（５ｂ）を比較すれば分かるように、従来例２においては振動子の振幅が従来例１に比べ１桁近く取りづらい状態にあり、角速度の検出精度が低下してしまう。一般的な角速度検出装置において、コリオリ力による容量変化はａＦ（１０^-18Ｆ）程度の大きさであり、微小な容量の変化を検出する必要があるため感度の向上は重要となる。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、その第１の目的は、寄生容量によるクロストークノイズを除去可能な振動子の駆動方法および駆動回路において、角速度出力の検出感度を向上させることにある。

また、その第２の目的は、寄生容量によるクロストークノイズを除去し、かつ、角速度出力の検出感度を向上させる慣性力検出装置を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、振動子と前記振動子に隣接して設けられた駆動用電極との間の電位差に静電気力により、前記振動子を共振駆動する振動子の駆動方法であって、前記振動子の共振周波数よりも高い周波数の交流電圧である搬送波を発生するステップと、前記振動子の共振周波数とほぼ同一の周波数の交流電圧である変調波を発生するステップと、前記搬送波を前記変調波により振幅変調して、前記駆動用電極に駆動信号を出力するステップと、前記搬送波の直流電圧を調整して、前記振動子に調整された前記搬送波を出力するステップとを含むことを特徴とする。

また、本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記搬送波を前記振動子の共振周波数とほぼ同一の周波数の信号により過変調することを特徴とする。

また、本発明の第３の態様は、振動子と前記振動子に隣接して設けられた駆動用電極との間の電位差に静電気力により、前記振動子を共振駆動するための駆動回路であって、前記振動子の共振周波数よりも高い周波数の交流電圧である搬送波を発生する搬送波発生回路と、前記振動子の共振周波数とほぼ同一の周波数の交流電圧である変調波を発生する変調波発生回路と、前記搬送波を前記変調波により振幅変調して、前記駆動用電極に駆動信号を出力する振幅変調回路と、前記搬送波の直流電圧を調整して、前記振動子に調整された前記搬送波を出力する直流電圧調整回路とを備えることを特徴とする。

また、本発明の第４の態様は、第３の態様において、前記搬送波を前記振動子の共振周波数とほぼ同一の周波数の信号により過変調することを特徴とする。

また、本発明の第５の態様は、振動子ならびに前記振動子に隣接して設けられた駆動用電極および検出用電極と、前記振動子と前記駆動用電極との間の電位差に静電気力により、前記振動子を共振駆動するための、第３又は第４の態様の駆動回路と、前記検出用電極に接続され、前記振動子の出力に応じた検出信号を出力する検出信号出力部と、前記検出信号出力部に接続され、前記振動子の前記共振周波数よりも高く、かつ、前記搬送波の周波数よりも低い周波数をしきい値周波数としてもつ低域通過フィルタとを備えることを特徴とする慣性力検出装置である。

本発明によれば、振動子の共振周波数よりも高い周波数ｆｃの交流電圧を振動子に印加することにより、寄生容量によるクロストークノイズを除去可能な振動子の駆動方法および駆動回路において角速度出力の検出感度を向上させることができる。また、そのような振動子の駆動回路を備えることにより、寄生容量によるクロストークノイズを除去し、かつ、角速度出力の検出感度を向上させる慣性力検出装置を提供することができる。

本発明の実施形態による角速度検出装置を示す図である。（ａ）は、図１の駆動回路１２０から素子部４１０の駆動用固定電極４１６に加えられる駆動信号Vkを示し、（ｂ）は、図１の振動子４１２に印加される電圧Vmassを示す図である。（ａ）は、本発明の実施形態によるCV変換回路の構成を示し、（ｂ）は、ＣＶ変換回路１３１から出力される信号の持つ周波数の分布を示す図である。従来のＭＥＭＳ構造を用いた慣性力検出装置の一例である従来例１を示す図である。図４の駆動用固定電極４１６に印加される駆動電圧Vk'を示す図である。（ａ）及び（ｂ）は、一般的なＣＶ変換回路の原理を説明するための図である。駆動電圧Vk'に振幅変調をかけた信号を用いる従来例２を示す図である。図７の駆動用固定電極４１６に印加される駆動信号Vk”を示す図である。図１の振幅変調回路１２３の具体例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態による角速度検出装置を示している。角速度検出装置１００（「慣性力検出装置」に対応）は、素子部４１０と、駆動回路１２０と、センサ出力回路１３０とで構成されている。素子部４１０は図１に示した従来例１と基本的には同一であり振動子４１２を有するが、固定部４１３が接地されていない点が異なる。駆動回路１２０は、振動子４１２の共振周波数とほぼ同一の周波数ｆｒの交流電圧である変調波を発生する変調波発生回路１２１と、振動子４１２の共振周波数よりも高い周波数ｆｃの交流電圧である搬送波を発生する搬送波発生回路１２２と、搬送波を変調波により振幅変調して、駆動用固定電極４１６に駆動信号を出力する振幅変調回路１２３と、搬送波の直流電圧を調整して、振動子４１２に、調整された搬送波を出力する直流電圧調整回路１２４とを備える。センサ出力回路１３０は、従来例２のものとほぼ共通の構成となっており、ＣＶ変換回路１３１と、低域通過フィルタ１３２と、整流回路１３３と、平滑化回路４３５とを備えている。

駆動回路１２０の搬送波発生回路１２２の出力信号が、直流電圧調整回路１２４を通り、固定部４１３を通じて振動子４１２へ印加される。駆動回路１２０から素子部４１０の駆動用固定電極４１６に加えられる駆動信号Vkが図２（ａ）に示されており、振動子４１２に印加される電圧Vmassが図２(ｂ)に示されるものである。駆動力Vkを数式（７ａ）に示し、振動子の電位Vmassを数式（７ｂ）に示す。

同様に振動子４１２に加わる共振周波数ｆｒの周波数をもつ静電気力の大きさを求めると、次の数式（８ａ）で表される。

とれる最大値は、AがVDD/2の場合で、数式（８ｂ）で表される。

振動子４１２に加えられる静電気力の大きさは、数式（５ｂ）される従来例２の場合に対して最大で８倍となり、感度が低下する問題を改善することが可能である。

駆動力が得られる理由は、駆動信号Vkが振幅変調回路１２３により過変調され、かつ振動子に印加される電圧Vmassに対しても、同時に変調をかける構成とした点である。振動子が固定電位の状態で、図２（ａ）のように過変調した駆動信号を印加しても駆動力は０である（数式４、及び数式５aにおけるA'=0の状態）。しかしながら、振動子の電位Vmassにも同時に変調をかける場合、図２（c）で示すように、Vk-Vmassの電位差で見ると、過変調は起こらず、さらに取れる電圧の範囲が(3/2)VDDから(-1/2)VDDと駆動回路の電源電圧の倍となっている。つまり、従来例２の場合において、駆動信号Vk'の振幅が２倍とれる状態に相当する。駆動力は電圧の２乗で働くため、駆動信号Vkを過変調し、Vmassにも搬送波を与えることで、従来例２に対して４倍の駆動力を得られる。

さらに本発明の実施例では、搬送波に正弦波ではなく方形波を用いることで、倍の駆動力が得られる構成としている。

また、過変調を行う振幅調整回路１２３は、反転増幅器、スイッチ、インバータを備えた回路で容易に実現できる（図９参照）。

また、図３（ａ）は本発明の実施例における検出原理の説明図である。帰還抵抗R、帰還容量C_FBを備えたCV変換回路１３１と、検出容量Csを備えており、検出容量Cs、あるいは寄生容量C_PARAのチャージの変化ΔQがC_FBを介して電圧として出力される(Vout=ΔQ/C_FB)。この駆動方式と図３（ａ）のようなＣＶ変換回路１３１（「検出信号出力部」に対応）を用いて検出を行った場合、ＣＶ変換回路１３１から出力される信号は数式（９）で示され、図３（ｂ）では信号の持つ周波数の分布を示している。

Vk、Vmassは、数式（７ａ）および数式（７ｂ）で示されるものである。

数式（９）において、検出したい角速度の信号はsin(2π・fr・t)の成分であり、VmassがVDD−VSS（0V）で切り替わる通常のクロックの場合、中心電位がVDD/2となり、sin(2π・fr・t)にかかる係数が０となり出力が取れなくなる。そのため、本発明の実施例では、直流電圧調整回路１２４を用いて、Vmassの中心電位を0Vに調整している。直流電圧調整回路１２４は、図３（ａ）中に示すような抵抗素子及び容量素子のみで容易に実現できる。

図１に示される実施形態においては、センサ出力回路１３０（「センサ出力検出部」に対応）に低域通過フィルタ１３２を備えており、しきい値周波数がfrよりも高く、fcよりも低いものとなっている。ここで検出したいコリオリ力による信号の周波数は図３（ｂ）で示されるfrを中心とする成分であり、駆動信号によるクロストークノイズはfc±fr、3fc±fr・・・の周波数を持つ成分となる。fc>>frの場合、前述の低域通過フィルタ１３２によりクロストークノイズは除去し、後段の整流回路１３３、及び平滑化回路４３５により、従来例２と同様にコリオリ力による角速度の信号のみを検出することが可能となる。

なお、上記実施例では静電容量型の角速度検出装置を例にあげたが、駆動信号の干渉が同様に問題となる、圧電型の角速度検出装置に適応することも可能である。

１００角速度検出装置
１２０駆動回路
１２１変調波発生回路
１２２搬送波発生回路
１２３振幅変調回路
１２４直流電圧調整回路
１３０センサ出力回路
１３１ＣＶ変換回路
１３２低域通過フィルタ
１３３整流回路
４００角速度検出装置
４１０素子部
４１１基部
４２０駆動回路
４１１基部
４１２振動子
４１３固定部
４１４梁
４１５駆動用可動電極
４１６駆動用固定電極
４１７検出用可動電極
４１８検出用固定電極
４２０駆動回路
４２１発振器
４２２増幅器
４３０センサ出力回路
４３１電圧源接続部
４３２抵抗器
４３３増幅器
４３４整流回路
４３５平滑化回路
７２０駆動回路
７２１変調波発生回路
７２２搬送波発生回路
７２３振幅変調回路
７３０センサ出力回路
７３１低域通過フィルタ

Claims

振動子と前記振動子に隣接して設けられた駆動用電極との間の電位差に静電気力により、前記振動子を共振駆動する振動子の駆動方法であって、
前記振動子の共振周波数よりも高い周波数の交流電圧である搬送波を発生するステップと、
前記振動子の共振周波数とほぼ同一の周波数の交流電圧である変調波を発生するステップと、
前記搬送波を前記変調波により振幅変調して、前記駆動用電極に駆動信号を出力するステップと、
前記搬送波の直流電圧を調整して、前記振動子に調整された前記搬送波を出力するステップと
を含むことを特徴とする振動子の駆動方法。
前記搬送波を前記振動子の共振周波数とほぼ同一の周波数の信号により過変調することを特徴とする請求項１に記載の振動子の駆動方法。
振動子と前記振動子に隣接して設けられた駆動用電極との間の電位差に静電気力により、前記振動子を共振駆動するための駆動回路であって、
前記振動子の共振周波数よりも高い周波数の交流電圧である搬送波を発生する搬送波発生回路と、
前記振動子の共振周波数とほぼ同一の周波数の交流電圧である変調波を発生する変調波発生回路と、
前記搬送波を前記変調波により振幅変調して、前記駆動用電極に駆動信号を出力する振幅変調回路と、
前記搬送波の直流電圧を調整して、前記振動子に調整された前記搬送波を出力する直流電圧調整回路と
を備えることを特徴とする振動子の駆動回路。
前記搬送波を前記振動子の共振周波数とほぼ同一の周波数の信号により過変調することを特徴とする請求項３に記載の振動子の駆動回路。
振動子ならびに前記振動子に隣接して設けられた駆動用電極および検出用電極と、
前記振動子と前記駆動用電極との間の電位差に静電気力により、前記振動子を共振駆動するための、請求項３または４に記載の駆動回路と、
前記検出用電極に接続され、前記振動子の出力に応じた検出信号を出力する検出信号出力部と、
前記検出信号出力部に接続され、前記振動子の前記共振周波数よりも高く、かつ、前記搬送波の周波数よりも低い周波数をしきい値周波数としてもつ低域通過フィルタと
を備えることを特徴とする慣性力検出装置。