JP2013545143A - Ｍｅｍｓ素子のためのデジタル駆動制御 - Google Patents

Abstract

本発明は、ＭＥＭＳ素子（３０）用の制御回路（３００）に関する。この制御回路は、ＭＥＭＳ素子（３０）用のデジタル駆動制御信号を形成するように構成されている波形発生器（２）と、デジタル駆動制御信号をオーバーサンプリングし、ノイズシェーピングを与え、オーバーサンプリングされかつノイズシェーピングされたデジタル駆動制御信号を出力するように構成されている変調器（３）と、オーバーサンプリングされ、かつノイズシェーピングされたデジタル駆動制御信号で、ＭＥＭＳ素子（３０）を駆動するように構成されているデジタル駆動装置（４）とを有している。

Description

本発明は、ＭＥＭＳ素子をデジタル駆動するための制御回路およびＭＥＭＳ素子を駆動制御する方法に関する。

従来技術
マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）は今日、マイクロシステム技術において、駆動制御信号から機械的な行動への中継局として使用されている。ここでアクチュエーター、殊にＭＥＭＳアクチュエーターは大きな役割を担う。１つの使用例は、空間光変調器（ＳＬＭ、spatial light modulator）の使用に関する。空間光変調器によって、マイクロミラー素子ないしはマイクロミラーのアレイを介して、回転、傾斜およびシフトによって、光ビーム例えばレーザービームが所期のように偏向される。

アクチュエーターは、アクチュエーターの機械素子の、ノイズの無い、再現可能かつ迅速な動作を保証するために特別かつ正確な駆動制御信号を必要とする。これはアクチュエーターの動作に用いられる駆動制御回路に高い要求を課す。なぜなら殊に、ＭＥＭＳ素子を小型化する枠内で、製造コストを抑えるために、このような駆動制御部に必要となる場所を少なく抑えなければならないからである。

ＭＥＭＳ素子は共振的に、または準静的に作動される。共振モードは、ＭＥＭＳ素子が、ＭＥＭＳ素子の１つまたは複数のモードで動かされることを必要とする。これに対して、準静的モードでは、ＭＥＭＳ素子は、共振モード外の周波数領域において作動される。ここでは、駆動制御時に、駆動制御信号の周波数成分が、できるだけこのモード上にないことが重要である。なぜなら、ＭＥＭＳ素子は、この場合には、一時的に不安定的に駆動制御される恐れがあるからである。

ＭＥＭＳ素子の駆動制御方法は、リニアドライバーまたはデジタルドライバーを使用するのが通常である。リニアドライバーは特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）内に埋設され得る。しかしこれはこの場合には比較的大きい面積を、構成要素、例えば演算増幅器、調整器、電圧回路および電流周波数回路、安定化キャパタンス等の構成部分の集積のために必要とする。さらに、デジタルアナログ変換器が必要である。これによって、比較的多くのエネルギーを必要とする、複雑かつコストのかかる総合システムが生じてしまう。

文献ＤＥ１０２００４０１６１９６Ａ１号は、電気機械システムを駆動制御する方法を開示している。ここでは、リニア駆動回路およびデジタルアナログ変換器が使用されている。

デジタル駆動部は通常は簡単な構造であり、省スペースであり、かつノイズに対して耐性を有している。これは、共振モードにおける使用に良好に適している。これに対して準静的モードにおける使用の場合は、ノイズ成分が考慮されるべきである。これは場合によっては、共振ノイズモードの範囲の周波数を有し得る。従って、上述した観点を考慮した、デジタル駆動部を有するＭＥＭＳ素子の駆動制御に対する要求が生じている。

発明の開示
本発明の基になるアイディアは、ＭＥＭＳ素子をできるだけノイズ無く駆動制御することができ、必要とする実装コストが少ない、準静的モードにおけるＭＥＭＳ素子の駆動制御のための方法および装置を実現することである。

請求項１に記載されている、ＭＥＭＳ素子のための本発明の制御回路は、信号形成機、変調器およびデジタル駆動装置を有している。信号形成機は、ＭＥＭＳ素子用のデジタル駆動制御信号を形成するように構成されている。変調器は、このデジタル駆動制御信号をオーバーサンプリングし、ノイズシェーピングをし、オーバーサンプリングされ、かつノイズシェーピングされたデジタル駆動制御信号を出力するように構成されている。デジタル駆動装置は、ＭＥＭＳ素子を、オーバーサンプリングされ、ノイズシェーピングされたデジタル駆動制御信号によって駆動するように構成されている。この駆動制御は、容易に、かつ省スペースに、組み込み回路内に収容される従来のデジタル出力段が使用可能である、という利点を提供する。

有利には、変調器は、ΔΣ変調器であり、ＭＥＭＳ素子は容量性アクチュエーター、殊にマイクロミラーアクチュエーターである。これによって、制御駆動部への要求が同時に僅かである場合には、アクチュエーターの高い偏向精度が準静的動作において実現される。

有利には、ΔΣ変調器の零点は、ＭＥＭＳ素子の共振モードの周波数に設定される。これによって、ノイズ成分の所期の抑制が、ＭＥＭＳ素子の共振モードの周波数において可能である。

請求項５に記載された、ＭＥＭＳ素子を駆動制御する本発明による方法は：
ＭＥＭＳ素子（３０）のカットオフ周波数（ω_ｇ）を下回る信号周波数でデジタル駆動制御信号を供給するステップと、
カットオフ周波数（ω_ｇ）の二倍よりも大きいサンプリング周波数でこのデジタル駆動制御信号をオーバーサンプリングするステップと、
このオーバーサンプリング時に生じるノイズを、カットオフ周波数（ω_ｇ）上方の周波数領域（２３ｂ）にシフトさせることによって、オーバーサンプリングされたデジタル駆動制御信号をノイズシェーピングするステップと、
オーバーサンプリングされたデジタル駆動制御信号で、ＭＥＭＳ素子（３０）を駆動するステップとを有する。

この方法によって、所望の信号帯域を、ノイズが無いように保ち、ここで、殊に準静的動作におけるＭＥＭＳ素子の共振モードの励起を、効果的に阻止することが可能である。

上述した構成および発展形態は、合理的である限りは、任意に相互に組み合わせ可能である。本発明の別の可能な構成、発展形態および実装は、上述したまたは後述する、実施例に関して記載された本発明の特徴の明記されていない組み合わせも含む。

本発明を以下で、概略的な図面に示された実施例に基づいて、より詳細に説明する。

ＭＥＭＳアクチュエーターの等価回路図 ＭＥＭＳアクチュエーターの周波数応答のボード線図 本発明のある実施形態に即した制御回路 本発明の別の実施形態に即した制御回路 本発明の別の実施例に即した、ＭＥＭＳ素子の駆動制御方法

図面では、同一のおよび同じ機能を有する素子、特徴およびコンポーネントには、そうでないということが記載されていない限りは、それぞれ同じ参照番号が付与されている。図面におけるコンポーネントおよび素子は、見やすくするために、および分かりやすくするために、必ずしも相互に縮尺通りには再現されていない、ということに留意されたい。

ＭＥＭＳ素子には、本発明では、殊にＭＥＭＳアクチュエーターが含まれている。アクチュエーターは、制御信号を介して駆動制御される。これによって、入力信号は、接続されている機械部品の機械的な動作、殊に回転、傾斜および線形の移動に変換される。ーの１つの例は、マイクロミラーアクチュエーターである。これによって、マイクロミラーが、１つまたは複数の回転軸、傾斜軸または移動軸に沿って回転されるまたは動かされる。

ＭＥＭＳ部品のリニア駆動制御時には、ＭＥＭＳ素子の共振モードが励起されないように試みられる。すなわち、準静的動作を可能にすることが試みされる。

図１には、ＭＥＭＳアクチュエーター１００の等価回路図が示されている。ＭＥＭＳアクチュエーター１００は、ここで第１の入力抵抗１４を含んでいる。この入力抵抗は、第１の容量１６と、第２の容量１７と、第２の抵抗１８とから成る並列回路と直列に接続されている。ＭＥＭＳアクチュエーター１００の入力側１２には、制御信号が印加される。この制御信号は、まずは入力抵抗１４を通って案内される。これは通常は低抵抗であり、アクチュエーター１００の全ての線路抵抗Ｒ_{Ｌｅｉｔｕｎｇ}をあらわす。アクチュエーター１００の容量Ｃは、第１の容量１６と第２の容量１７とに分けられる。第１の容量１６はＭＥＭＳアクチュエーター１００の有効容量Ｃ_Ｎであり、第２の容量１７はＭＥＭＳアクチュエーター１００の寄生容量Ｃ_Ｐである。通常、ＭＥＭＳアクチュエーター１００の有効容量Ｃ_Ｎは、ＭＥＭＳアクチュエーター１００の寄生容量Ｃ_Ｐに比べて小さい。これは通常は、アクチュエーター１００の機械的な状態に依存して、動的である。

ＭＥＭＳアクチュエーター１００の図１の等価回路図は、慣性のばね質量系に対して代表的なものであり、一次近似的に、二次のローパスを表す。従ってＭＥＭＳアクチュエーターは、本発明では、ローパス特性を有する。

図２は、ＭＥＭＳアクチュエーターの周波数応答２００を、ボード線図の振幅部分で示している。ここで、横軸上には周波数ωがＫＨｚで記載され、縦軸上にはｄＢで振幅が記載されている。ＭＥＭＳアクチュエーターの周波数領域は、それぞれ２つの帯域幅を有する２つの領域に分けられる。

カットオフ周波数ω_ｇ２２の下方には、領域２３ａが位置する。これは左を指している破線矢印によって示されている。これは、ＭＥＭＳアクチュエーターの有効領域を表している。この有効領域では、ＭＥＭＳアクチュエーターは、周波数応答の周波数領域２１において、準静的に駆動制御される。周波数領域２１はここで殊に、ＭＥＭＳアクチュエーターの共振モードを有している周波数領域にはない。例えば図２では周波数応答における振幅上昇を伴う３つの共振モード２４ａ、２４ｂ、２４ｃが示されている。しかしここでアクチュエーターに応じて、より多くの、またはより少ない共振モードが生じ得る。これらの共振モードは種々の周波数において、有効領域２３ａ内に生じる。共振モード２４ａ、２４ｂ、２４ｃは極めて容易に励起可能であり、励起時に、振幅増幅によって、ＭＥＭＳアクチュエーターの不安定な駆動制御を生じさせることがある。従って、準静的モードにおいて、ＭＥＭＳアクチュエーターのための駆動制御信号が、いずれの時点でも、共振モード２４ａ、２４ｂ、２４ｃの周波数に相応する周波数成分を有していないことが望ましい。

カットオフ周波数ω_ｇ２２の上方には、領域２３ｂが位置する。これは右を指している破線矢印によって示されている。これは、ＭＥＭＳアクチュエーターの減衰占有領域を表している。この領域では、図に示されたばね質量系として形成されているＭＥＭＳアクチュエーターの慣性が占領している。この領域では同様に共振モード２５ａ、２５ｂ、２５ｃが存在しているが、これらのモードは、ＭＥＭＳアクチュエーターのシステム慣性のために、強く減衰されるので、容易に励起されない。

図３は、本発明のある実施形態に従ったＭＥＭＳ素子３０のデジタル駆動制御のための制御回路３００を示している。制御回路３００は、ここで波形発生器２と、変調器３と、デジタル駆動装置４とを有している。波形発生器２、変調器３およびデジタル駆動装置は、ここで集積回路１内に配置される。この集積回路は例えばＡＳＩＣチップ等である。波形発生器２は、変調器３の入力側と結合されている。変調器３の出力側は、同様に、デジタル駆動装置４の入力側と結合されている。デジタル駆動装置４の出力側は、ＭＥＭＳ素子３０の制御入力側と結合されている。

波形発生器２は、ＭＥＭＳ素子３０用のデジタル駆動制御信号を形成するように構成されている。デジタル駆動制御信号はここで１つまたは複数の有効信号周波数を有している。これはＭＥＭＳ素子３０の有効領域内にあり、例えば図２に示された領域２３ａ内にあり、殊に、参照番号２１で示された領域内の周波数にある。この有効信号周波数は例えば、１０Ｈｚ〜１ＫＨｚの領域、殊に数１０Ｈｚ〜数１００Ｈｚの領域内にある。有効信号周波数は次のように設計されている。すなわち、これがＭＥＭＳ素子３０の共振モードの周波数と一致しないように、例えば図２に示されている共振モード２４ａ、２４ｂ、２４ｃと一致しないように設計されている。

デジタル駆動制御信号は、ここで例えば、集積回路１上で形成される。しかし、デジタル駆動制御信号が、集積回路上のメモリから読み出されるように設定されてもよい。この場合にはメモリは、多数の所定の駆動制御信号を含んでおり、それぞれ１つの所定の駆動制御信号がメモリからダウンロードされる。これによって、ＭＥＭＳ素子３０が駆動制御される。

変調器３は、デジタル駆動制御信号をオーバーサンプリングし、ノイズシェーピングを与え、オーバーサンプリングされ、かつノイズシェーピングされたデジタル駆動制御信号を、デジタル駆動装置４に出力するように構成されている。殊に変調器３は、ΔΣ変調器であり得る。

ΔΣ変調器は２つの特性を有している。これらは有利には、デジタル駆動制御信号の所望の信号形成の実現に使用される：
一方では、ΔΣ変調器は、高いオーバーサンプリングレートで動作する。この高いオーバーサンプリングレートは、ここで、ＭＥＭＳ素子３０のカットオフ周波数ω_ｇの少なくとも二倍のサンプリング周波数を有している。変調器３によるデジタル駆動制御信号の量子化時に生じる量子化ノイズは一様に、周波数０からサンプリング周波数の半分に達する周波数領域にわたって分配される。ここでこの周波数領域にわたって分配された全体的なノイズエネルギーは、一定である。すなわち、サンプリング周波数が高くなるほど、量子化ノイズが分配されている周波数領域が大きくなり、この周波数領域内の個々の周波数に対する信号−ノイズ−間隔が高くなる。

図２の領域２３ａは、量子化ノイズに対して役割を果たす、ＭＥＭＳ素子３０の有効領域である。変調器３のサンプリング周波数が上昇するとともに、領域２３ａ内の量子化ノイズの相対的な成分は、量子化ノイズが分布している全周波数領域と比較して低減する。従って、高いサンプリング周波数にわたって、デジタル駆動制御信号のオーバーサンプリング時に、信号−ノイズ−間隔は、ＭＥＭＳ素子３０の関連した有効領域において高く保たれる。殊に、これによって共振モード２４ａ、２４ｂ、２４ｃの領域において、信号−ノイズ−間隔は同様に高くなる。すなわち、準静的動作におけるＭＥＭＳ素子３０の駆動制御時に、共振モードの周波数でのノイズ信号（妨害信号）の成分は僅かであり、ＭＥＭＳ素子３０の駆動制御は安定する。変調器３のサンプリング周波数を二倍にすると、約３ｄＢだけ低減されたノイズレベルが、ＭＥＭＳ素子３０の有効領域において生じる。

第２に、ΔΣ変調器によって、ノイズシェーピングが行われる。ノイズシェーピングとは、デジタル信号の量子化ノイズを特定の周波数領域において強く集中させ、これによってノイズエネルギーを周波数スペクトルムにおいてシフトさせる方法である。従ってΔΣ変調器によって、量子化ノイズのノイズ信号が、カットオフ周波数ω_ｇの上方の周波数領域２３ｂにシフトされる。この領域２３ｂでは、ＭＥＭＳ素子３０の慣性が占領している。従って、図２に示された伝達関数に従って、この周波数領域におけるノイズ信号は、ＭＥＭＳ素子３０の内在するローパス特性によってフィルタリングされる。

ノイズシェーピングの程度は、例えば、オーバーサンプリング周波数およびΔΣ変調器の次数に依存する。これによって変調器パラメータの選択に応じて、第２の領域２３ｂへの量子化ノイズのシフトが実現される。

ΔΣ変調器は自身の前方経路において、次数に応じて少なくとも１つの積分器を有している。この積分器は、信号トランスファー関数を有している。この信号伝達関数は、１つまたは複数の零点を有している。この積分器の信号伝達関数の選択および零点の相応の選択を介して、ΔΣ変調器のノイズ信号伝達関数がこの零点で零に設定される。これによって、この零点に相応する周波数において、ΔΣ変調器の出力信号における量子化ノイズが抑圧される。

本発明は、この関係を有利に利用する。これは、ΔΣ変調器の積分器が、自身の伝達関数の零点を、ＭＥＭＳ素子３０の共振モードの周波数上に有することによって行われる。これによって、ＭＥＭＳ素子３０の相応する共振モードの周波数での周波数成分を有するノイズ信号が効果的に抑圧され、これによってＭＥＭＳ素子３０の駆動制御が、準静的モードにおいて安定する。

変調器３の出力制御信号は、駆動装置に供給され、この駆動装置によって、ＭＥＭＳ素子３０を駆動するために使用される。ここでこの駆動制御信号は、ＭＥＭＳ素子３０の駆動のために有利には、ＭＥＭＳ素子３０の有効領域２３ａの共振モード２４ａ、２４ｂ、２４ｃの周波数での周波数成分を有していない、または強く低減されて有している。これによって、準静的モードにおける安定した駆動制御が保証される。

図４は、本発明の別の実施形態に即した制御回路４００を示している。制御回路４００は、ここで殊に、制御回路３００の例示的な実施形態であり得る。制御回路４００は、Ｎビットを有するルックアップテーブル４２であり得る。ここから、ＭＥＭＳ素子３０のデジタル駆動制御のための駆動制御信号波形が供給される。さらに制御回路４００は、ΔΣ変調器４３を有している。これはデジタル駆動制御信号を、ルックアップテーブル４２から受信し、オーバーサンプリングされ、かつノイズシェーピングされたデジタル駆動制御信号を出力する。このオーバーサンプリングされ、かつノイズシェーピングされたデジタル駆動制御信号は、ゲート駆動部４４によって受信される。このゲート駆動部は、この駆動制御信号に相応して、２つのトランジスタ４５ａおよび４５ｂ、殊にＭＯＳＦＥＴを駆動制御する。その上にルックアップテーブル４２、ΔΣ変調器４３、ゲート駆動部４４並びにトランジスタ４５ａおよび４５ｂが配置されるＡＳＩＣチップ上の端子４６を介して駆動信号が、ＭＥＭＳ素子３０内に供給される。

図５には、ＭＥＭＳ素子を駆動制御するための方法５００が概略的に示されている。

方法５００の第１のステップ５１では、ＭＥＭＳ素子３０のカットオフ周波数ω_ｇの下方にある信号周波数を有するデジタル駆動制御信号が供給される。

第２のステップ５２では、このデジタル駆動制御信号が、カットオフ周波数ω_ｇの二倍を超えるサンプリング周波数でオーバーサンプリングされる。このオーバーサンプリングはここで、ΔΣ変調器によって図３に関連して上述したように行われる。

第３のステップ５３では、オーバーサンプリングされたデジタル駆動制御信号が、オーバーサンプリング時に生じるノイズを、カットオフ周波数ω_ｇの上方の周波数領域にずらすことによってノイズシェーピングされる。このノイズシェーピングは、ここでΔΣ変調器によって図３に関連して上述したように行われる。

第４のステップ５４では、ＭＥＭＳ素子３０が、オーバーサンプリングされたデジタル駆動制御信号によって駆動される。殊にこの方法５００は、容量性アクチュエーター、殊にマイクロミラーアクチュエーターの、準静的モードでの駆動に使用される。

Claims (8)

1. ＭＥＭＳ素子（３０）を駆動制御する方法（５００）であって、当該方法は
   前記ＭＥＭＳ素子（３０）のカットオフ周波数（ω_ｇ）の下方にある信号周波数でデジタル駆動制御信号を供給するステップと、
   前記カットオフ周波数（ω_ｇ）の二倍よりも大きいサンプリング周波数で、前記デジタル駆動制御信号をオーバーサンプリングするステップと、
   前記オーバーサンプリング時に生じたノイズを、前記カットオフ周波数（ω_ｇ）の上方の周波数領域（２３ｂ）にシフトさせることによって、前記オーバーサンプリングされたデジタル駆動制御信号をノイズシェーピングするステップと、
   前記オーバーサンプリングされたデジタル駆動制御信号で、前記ＭＥＭＳ素子（３０）を駆動するステップとを有する、
   ことを特徴とする、ＭＥＭＳ素子（３０）を駆動制御する方法（５００）。
2. 前記オーバーサンプリングステップおよび前記ノイズシェーピングステップを、ΔΣ変調器によって行う、請求項１記載の方法（５００）。
3. 前記ΔΣ変調器の積分器の伝達関数の零点を、前記カットオフ周波数（ω_ｇ）の下方の周波数領域（２３ａ）における前記ＭＥＭＳ素子（３０）の共振モードの周波数に設定する、請求項２記載の方法（５００）。
4. ＭＥＭＳ素子（３０）用の制御回路（３００）であって、前記ＭＥＭＳ素子は請求項１から３までのいずれか１項記載の方法を実行し、
   ・前記ＭＥＭＳ素子（３０）用のデジタル駆動制御信号を形成するように構成されている波形発生器（２）と、
   ・前記デジタル駆動制御信号をオーバーサンプリングして、ノイズシェーピングを与え、オーバーサンプリングされかつノイズシェーピングされたデジタル駆動制御信号を出力するように構成されている変調器（３）と、
   ・前記オーバーサンプリングされかつノイズシェーピングされたデジタル駆動制御信号で、前記ＭＥＭＳ素子（３０）を準静的モードにおいて駆動するように構成されているデジタル駆動装置（４）とを有している、
   ことを特徴とする、ＭＥＭＳ素子（３０）用の制御回路（３００）。
5. 前記変調器（３）はΔΣ変調器である、請求項４記載の制御回路（３００）。
6. 前記ＭＥＭＳ素子（３０）は容量性アクチュエーター、殊にマイクロミラーアクチュエーターである、請求項４または５記載の制御回路（３００）。
7. 前記ΔΣ変調器の積分器は、前記ＭＥＭＳ素子（３０）の共振モードの周波数に、伝達関数の零点を有している、請求項５記載の制御回路（３００）。
8. 前記駆動制御信号は、いずれの時点でも、前記ＭＥＭＳ素子（３０）、殊に前記アクチュエーターの共振モードの周波数に相応する周波数成分を有していない、請求項５または６記載の制御回路（３００）。

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