JP2017509886A - 加速度計 - Google Patents

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Abstract

静電容量型加速度計の閉ループ動作のための方法は、静電容量型加速度計が、プルーフマスと、互いに入り込んだ、固定されたおよび可動の両方の容量電極フィンガの第１および第２の組と、を備えており、当該方法は、ＰＷＭ駆動信号を固定フィンガに印加することと、プルーフマスの変位を感知し、ＰＷＭ駆動信号のマークスペース比を変化させて、印加された加速度の慣性力を平衡化し、プルーフマスをゼロ位置に維持するための復元力をプルーフマスに付与することと、ゼロ位置についてのマークスペース比が所定の上限または下限閾値を超過したときを検出することと、ｘ＞１、ｙ＞１である、ｙサイクルごとにｘパルスを拡張または減少することによってＰＷＭ駆動信号をさらに変調して、他のパルスのマーク長をさらに増大または減少することなく、上限または下限閾値を超過する平均マークスペース比を付与することと、を含む。

Description

本開示は、静電容量型加速度計に関し、特に、静電容量型加速度計の閉ループ動作のための方法に関する。
加速度計は、運動および／または振動に起因する加速力を測定するために広く使用されている電気機械装置である。静電容量型加速度計は、地震感知、振動感知、慣性感知および傾斜感知を含む用途における使用を見出すことができる。静電容量型加速度計は、典型的に、微小電気機械システム（ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）（ＭＥＭＳ）として実装され、シリコンなどの半導体材料から製造することができる。静電容量型加速度計のための典型的なＭＥＭＳ感知構造は、支持体に動作可能に取り付けられたプルーフマスを備えており、プルーフマスから延在する電極フィンガの組が、固定電極フィンガの１つまたは複数の組と互いに入り込んで差動コンデンサを形成する。感知構造の電極は、適切な駆動およびピックオフ電子回路に接続される。開ループ構成において、電子回路は、正弦波または方形波信号を用いて固定電極フィンガを駆動するように配置され、プルーフマスは、加速度を受けて移動して、出力において出現する整流電圧であるピックオフ信号を提供する。ＷＯ２００４／０７６３４０は、開ループ加速度計の例を提供している。しかしながら、開ループ加速度計は、帯域幅、直線性およびダイナミックレンジに関して性能が限られる場合がある。
開ループ動作のために設計された加速度計の感知構造は、力の平衡化を達成するための可変静電気力を電極に付与するための駆動電子回路を使用することによって閉ループ構成にも使用することができる。ＷＯ２００５／０８４３５１は、駆動信号のパルス幅変調（ＰＷＭ）を使用する閉ループ電子制御回路の例を提供している。そのような閉ループ構成では、加速に起因する慣性力をゼロにする静電気力の故にプルーフマスが適切な位置に固定されるように、電子回路が、ＰＷＭ信号を使用して固定電極フィンガの組を逆位相で駆動するように配置される。ＰＷＭ駆動信号のマークスペース比を調節して、可変の再バランス力を生成することができる。一部の従来の閉ループ加速度計は、押圧機能と感知機能とに、すなわち、時間領域における分離において別個の変換器を使用してきた。別の手法では、組み合わされたＰＷＭ押圧および感知システムにおいて、周波数領域において励磁信号とフィードバック信号とを分離することによって、再バランス力の適用と同時に、プルーフマスの位置を決定することができる。例えば、およそ１〜３ｋＨｚの共振周波数を有するプルーフマスでは、ＰＷＭ駆動信号は、およそ１００ｋＨｚの周波数であっても良い。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に応じて各ＰＷＭパルス長をピックオフ出力電圧の関数として変化させることによって、プルーフマスを中央ゼロ位置に維持する平均静電復元力を付与する。そのような閉ループ実施では、マークスペース比が等しい状態、すなわち、５０：５０が、正味ゼロの出力およびプルーフマスのゼロ位置に対応する。
高ｇ加速度下では、加速度の感知に応じてマークまたはスペースは長くなる。理論上は、マークスペース比の範囲は、０％〜１００％の範囲が利用できる。しかしながら、実際には、マークスペース比は、常に、動作に必要なプルーフマスの位置を正確に決定するための十分な整定時間を感知システムに与えるために、概して１０％〜９０％の範囲に収まる必要がある。それ故に、パルス幅（または、デューティサイクル）は、感知機能を保護する必要性の故に、完全な０％〜１００％の範囲に及ぶことはできない。これは結果として、印加され得る再バランス静電気力のダイナミックレンジを限定し、これがまた、閉ループ動作を達成できるダイナミックレンジを限定する。ＰＷＭベースの閉ループシステムの実践上の１０％〜９０％の範囲は、１０％が最大測定限界のネガティブであり、９０％が最大測定限界のポジティブであり、そして５０％が臨界０ｇ（バイアス）状態を表すセンサの最大測定限界範囲に対応する。次に、１０％〜９０％の範囲内のＰＷＭシステムの分解能および精度が、最大使用可能なクロック周波数によって決定され、これはシステムの全体的な測定範囲および精度の設定における制限要因となる。
１０％閾値未満または９０％閾値超の「範囲超」状態での動作に伴う別の問題には、プルーフマスの電極フィンガが外側の固定電極に近接して片寄り、静電気力はギャップの逆２乗で変化するので、このギャップが小さくなると大きな静電気力が生成され得るので、プルーフマスの電極フィンガがもはやゼロ位置に保持されないことがある。その結果、プルーフマスが「ラッチアップ」することがあり、これは、電子回路の電源を切るおよび加速度計をリセットすることによってしか解除することができない。これは、アナログまたはＰＷＭの閉ループ加速度計システムの基本的な欠点である。通常、極端な範囲超状態からのプルーフマスの変位を制限するために、機械的な「バンプストップ」が感知構造に含まれるが、そのようなバンプストップは、製造公差によって制約され、使用可能なＰＷＭマークスペース比の範囲に正確に一致させることは困難である。このことは、最大パルス幅（および大きなギャップ）によって生成された静電気力が、最小パルス幅（および小さなギャップ）によって生成された静電気力によって超過され得る場合にラッチアップ状態が存続し得、例えば、バンプストップサイズが不適切な場合または装置の最大ｇ範囲が大きく超過した場合にラッチアップ状態を招くことを意味する。
当然ながら、高ｇ加速度における前に検討した「範囲超」状態が加速度計の実際の範囲内に今のところあるように、閉ループ加速度計の有効範囲を増大することはできるが、これは常に、より高い分解能のＰＷＭシステムを生成できる場合を除いて、低ｇ性能を犠牲にしている。故に、ＰＷＭの範囲、分解能および精度は、従来の手段を容易に上回ることができない制約条件である。有効な電圧および電極ギャップによって設定される最大ｇレベルが常に存在する。それ故に、任意の感知構造では、例えば、バンプストップギャップに応じて、ラッチアップのリスクをもつ範囲超状態になる可能性がある。
閉ループ加速度計がその正常ｇ範囲内で動作し、かつマークスペース比が１０％〜９０％の範囲の上限および下限閾値を超過しない場合には、これらの問題のいずれにも直面し得ない。しかしながら、多くの場合には、加速度計の使用中に受けるｇの力を制御することはできない。現実の世界では、極端な環境においてセンサのダイナミックレンジよりも大きな加速が一時的にせよ容易に生じることがある。これは例えば、石または閉鎖するドアとの衝突などに起因する、多くの場合に短期間に発生する、車両における加速中の衝撃に起因して起こることがある。ロケット発射装置などのより極端な環境では、加速度計は、限られた期間、ラッチングアップすることなく高ｇに耐えることができなければならない。
そのダイナミックレンジを過剰設計することなく、フォールトトレランスを提供する閉ループ静電容量型加速度計が所望されている。本開示は、上に概説した不利点を低減または克服することを追求する。
本開示の第１の態様に従い、静電容量型加速度計の閉ループ動作のための方法が提供され、その静電容量型加速度計は、
印加された加速度に応じて面内感知方向において直線的に動作可能なように、弾性支持脚によって固定基板に取り付けられた略平面のプルーフマスと、
感知方向と略垂直にかつ感知方向において間隙を介してプルーフマスから延在する可動の容量電極フィンガの第１および第２の組と、
感知方向と略垂直にかつ感知方向において間隙を介して延在する固定された容量電極フィンガの第１および第２の組であって、固定された容量電極フィンガの第１の組が、可動の容量電極フィンガの第１の組と互いに入り込んで配置され、固定された容量電極フィンガの第２の組が、可動の容量電極フィンガの第２の組と互いに入り込んで配置されている、固定された容量電極フィンガの第１および第２の組と、
を備えており、
方法は、
同相のパルス幅変調（ＰＷＭ）駆動信号を固定された容量電極フィンガの第１の組に、かつ対応する逆位相のパルス幅変調（ＰＷＭ）駆動信号を固定された容量電極フィンガの第２の組に印加することと、
プルーフマスの変位を感知し、ＰＷＭ駆動信号における各パルスのマーク長を増大または減少することによってマークスペース比を変化させて、印加された加速度の慣性力を平衡化し、プルーフマスをゼロ位置に維持するための正味の静電復元力をプルーフマスに付与することと、
プルーフマスをゼロ位置に維持するのに必要なマークスペース比が所定の上限または下限閾値を超過したときを検出することと、
ｘ≧１、ｙ＞１である、ｙサイクルごとにｘパルスを拡張または減少することによってＰＷＭ駆動信号をさらに変調することによって、他のパルスのマーク長をさらに増大または減少することなく、上限または下限閾値を超過する平均マークスペース比を付与することと、
を含む。
本開示に従い、プルーフマスをゼロ位置に維持するのに必要なマークスペース比が所定の上限または下限閾値を超過したとき、すなわち、加速度計の正常ダイナミックレンジ範囲外の「範囲超」状態が検出される。さもなければ感知システムの精度を低下させるような、ＰＷＭパルスのすべてのマーク長をさらに増大または減少することなく、非常に大きい加速度に対応できるようにするために、ＰＷＭ駆動信号は、すべてではないがいくつかのパルスを拡張または減少することによってさらに変調される。例えば、１つおきのサイクルに少なくとも１つのパルス、またはより少ない頻度におけるパルスを拡張または減少する。この結果、他のパルスについての最大および最小マーク長を保持し、それ故に、少なくともいくつかのパルス間の感知システムについての整定時間を保持しつつ、所定の上限または下限閾値を超過した、サイクルの数にわたって平均化された平均マークスペース比が付与される。
一実施例において、所定の上限閾値は、約９０：１０であっても良い。追加的にまたは代替的に、所定の下限閾値は、約１０：９０であっても良い。したがって、加速度計は、通常、本明細書に開示するようなさらなる変調の利益がなくても、１０〜９０％のダイナミックレンジを有するであろう。当然ながら、上限および／または下限閾値は、任意の所与の加速度計の正常動作範囲に従い選択できる。
開示する方法の実施例において、ｙサイクルごとのｘパルスの拡張は、ｘパルスのマーク長を、上限閾値（例えば、９０％）を超過して、信号サイクル長に対応するフルマーク長に至るまでの任意の長さまで拡張することを含むことができる。例として、ｘパルスはｙサイクルごとに、９０％を超過して拡張されたマーク長を有することができ、その一方で、他のパルスは、マーク長を９０％の上限閾値に維持する。好ましい一連の実施例において、ｘパルスのマーク長は、略１００％まで拡張される。プルーフマスの変位の感知に関して、パルスのマーク長が９０％などの上限閾値を超過して増大しない場合には、これはそれらの他のサイクルに限定され得る。したがって、方法は、ｙサイクルごとのｘについての感知出力を無視することを含むことができる、すなわち、ｙサイクルごとのｘについてのプルーフマスの変位の感知は、軽視することができる。
開示する方法の実施例において、ｙサイクルごとのｘパルスの減少は、ｘパルスのマーク長を、下限閾値（例えば、１０％）を超過してゼロに至るまでの任意の長さまで減少することを含むことができる。例として、ｘパルスはｙサイクルごとに、１０％未満に減少したマーク長を有することができ、その一方で、他のパルスは、マーク長を１０％の上限閾値に維持する。好ましい一連の実施例において、ｘパルスのマーク長は、略０％まで減少する。そのような実施例では、方法は、ｙサイクルごとにｘパルスを除外することを含む。プルーフマスの変位の感知に関して、パルスのマーク長が１０％などの下限閾値を超過して減少しない場合には、これはそれらの他のサイクルに限定され得る。したがって、方法は、ｙサイクルごとのｘについての感知出力を無視することを含むことができる、すなわち、ｙサイクルごとのｘについてのプルーフマスの変位の感知は、軽視することができる。
例えば、ＰＷＭ駆動信号のさらなる変調は、４サイクルごとに１つ、２つまたは３つのパルスを拡張または減少、例えば、除外することを含むことができる。４サイクルごとの１つのパルスの除外（または、拡張）は、７．５％：９２．５％（または、逆の値）の平均マークスペース比を付与する。別の実施例では、２サイクルごとに１つのパルスまたは４サイクルごとに２つのパルスの除外（または、拡張）は、５％：９５％（または、９５％：５％）の平均マークスペース比を付与する。別の実施例では、４サイクルごとに３つのパルスの除外（または、拡張）は、２．５％：９７．５％（または、逆の値）の平均マークスペース比を付与する。当然ながら、さらに大きな数のパルス、例えば、５サイクルごとに４つのパルスまたは１０サイクルごとに９つのパルスを除外または拡張することができるが、これは、加速度計の帯域幅および動的応答に悪影響を与え始める場合がある。
従来と同じように、ＰＷＭ駆動信号は、プルーフマスの共振周波数範囲と分離した周波数、例えば、およそ１００ｋＨｚにおいて印加することができる。そのような駆動信号では、サイクル長は、１０マイクロ秒であり、故に、パルスのマーク長は、１０％〜９０％の範囲において１〜９マイクロ秒の間で変化することができる。
１つの一連の実施例において、方法は、印加された加速度に比例する、ゼロ位置からのプルーフマスの変位に起因する必要な静電復元力を示す信号出力を提供することができる。この直接加速度の出力は、プルーフマスの変位の故に感知された、例えば、適切にフィルタリングされたＰＷＭ駆動信号の振幅から得ることができる。同じ信号出力を、ＰＷＭ駆動信号を生成し、マークスペース比を調節するときの入力として使用して、プルーフマスをゼロ位置に維持するための必要な静電復元力を付与することができる。別の一連の実施例において、代替的にまたは追加的に、方法は、同相のＰＷＭ駆動信号と逆位相のＰＷＭ駆動信号とを比較して、印加された加速度を示す信号出力を生成することができる。
本開示の別の態様に従い、
印加された加速度に応じて面内感知方向において直線的に動作可能なように、弾性支持脚によって固定基板に取り付けられた略平面のプルーフマスと、
感知方向と略垂直にかつ感知方向において間隙を介してプルーフマスから延在する可動の容量電極フィンガの第１および第２の組と、
感知方向と略垂直にかつ感知方向において間隙を介して延在する固定された容量電極フィンガの第１および第２の組であって、固定された容量電極フィンガの第１の組が、可動の容量電極フィンガの第１の組と互いに入り込んで配置され、固定された容量電極フィンガの第２の組が、可動の容量電極フィンガの第２の組と互いに入り込んで配置されている、固定された容量電極フィンガの第１および第２の組と、
同相のＰＷＭ駆動信号を固定された容量電極フィンガの第１の組に、かつ対応する逆位相のＰＷＭ駆動信号を固定された容量電極フィンガの第２の組に印加するように配置されたパルス幅変調（ＰＷＭ）駆動信号発生器と、
プルーフマスの変位を感知するように配置された回路、およびＰＷＭ駆動信号における各パルスのマーク長を増大または減少することによってマークスペース比を変化させ、そして印加された加速度の慣性力を平衡化し、プルーフマスをゼロ位置に維持するための正味の静電復元力をプルーフマスに付与するように配置されたＰＷＭマークスペース比発生器と、
プルーフマスをゼロ位置に維持するのに必要なマークスペース比が所定の上限または下限閾値を超過したときを検出するように配置されたＰＷＭマークスペース比検出器と、
ｘ≧１、ｙ＞１である、ｙサイクルごとにｘパルスを拡張または減少し、他のパルスのマーク長をさらに増大または減少することなく、上限または下限閾値を超過する平均マークスペース比を付与するように配置された、ＰＷＭ駆動信号発生器のための変調器と、
を備えている静電容量型加速度計が提供される。
前述のように、そのような加速度計は、追加的に、プルーフマスをゼロ位置に維持するのに必要なマークスペース比が所定の上限または下限閾値を超過したときを検出するためのＰＷＭマークスペース比検出器、およびパルスの（すべてではないが）いくつかを減少または拡張するようにＰＷＭ駆動信号発生器を作用させる追加の変調器を利用する。これを使用して、他のパルスのマーク長をさらに減少または増大することなく、かつ少なくともいくつかのパルス間に１０％以上のスペースを保持することなく、サイクルの数にわたって平均化された、減少または増大されたマークスペース比を付与することができる。既に述べたように、マークスペース比についての所定の上限閾値は、約９０：１０であっても良く、マークスペース比についての所定の下限閾値は、約１０：９０であっても良い。
本開示の実施例では、変調器は、ｘパルスのマーク長を、上限閾値（例えば、９０％）を超過して、信号サイクル長に対応するフルマーク長に至るまでの任意の長さまで拡張するように配置される。例として、ｘパルスはｙサイクルごとに、９０％を超過して拡張されたマーク長を有することができ、その一方で、他のパルスは、マーク長を９０％の上限閾値に維持する。１つの一連の実施例において、変調器は、ｘパルスのマーク長を略１００％に拡張するように配置される。プルーフマスの変位の感知に関して、パルスのマーク長が９０％などの上限閾値を超過して増大しない場合には、これはそれらの他のサイクルに限定され得る。したがって、感知回路は、ｙサイクルごとのｘについてのそのプルーフマス変位の読み出しを軽視するように配置できる。
変調器は、ｘパルスのマーク長を、下限閾値（例えば、１０％）を超過してゼロに至るまでの任意の長さまで減少するように配置される。例として、ｘパルスはｙサイクルごとに、１０％未満に減少したマーク長を有することができ、その一方で、他のパルスは、マーク長を１０％の上限閾値に維持する。好ましい一連の実施例において、変調器は、ｘパルスのマーク長を略０％まで減少するように配置される。言い換えれば、変調器は、ｙサイクルごとにｘパルスを除外するように配置できる。プルーフマスの変位の感知に関して、パルスのマーク長が１０％などの下限閾値を超過して減少しない場合には、これはそれらの他のサイクルに限定され得る。したがって、感知回路は、ｙサイクルごとのｘについてのそのプルーフマス変位の読み出しを軽視するように配置できる。
変調器は、ｙサイクルごとのパルスの数を減少（例えば、除外）または拡張するように配置できる。さまざまな実施例において、変調器は、４サイクルごとに１つ、２つまたは３つのパルスを減少または拡張するように配置される。しかしながら、より大きな数のパルス、例えば、５サイクルごとに４つのパルスまたは１０サイクルごとに９つのパルスを減少または拡張することもできる。ただし、実際には、前述のラッチアップ状態に打ち勝つのに十分なだけ平均マークスペース比を減少または拡張すれば良い。
加速度計は、１つまたは複数の出力信号回路を含むことができる。一実施例において、出力信号回路は、印加された加速度に比例する、ゼロ位置からのプルーフマスの変位に起因する必要な静電復元力についての出力を生成するように配置される。この直接加速度の出力は、プルーフマスの変位の故に感知された、例えば、適切にフィルタリングされたＰＷＭ駆動信号の振幅から得ることができる。同じ信号出力を、ＰＷＭ駆動信号発生器についての入力として使用することができる。別の代替または追加の実施例では、出力信号回路は、印加された加速度を示す出力を生成するように配置された同相のＰＷＭ駆動信号と逆位相のＰＷＭ駆動信号とのための比較器を含むことができる。例として、比較器は、差動増幅器を備えることができる。
本開示に従い、加速度計の有効ダイナミックレンジは、位置感知機能の最高精度を保護しつつ、かつ分解能またはローエンドパフォーマンスを損なうことなく、その正常動作範囲を超過して拡張される。追加的に、例えば、必要に応じて４：４、３：４、２：４または１：４のデューティサイクルにおいていくつかのパルスを減少または拡張することによるＰＷＭ駆動信号の変調は、少なくともいくつかのパルス長を正常上限／下限閾値内に保持してピックオフ出力を依然として信頼性をもって測定できることを保ちつつ、加速度計の性能を、正常最大測定限界の１０％または９０％を超過して、０％または１００％の近くまで拡張する有効リカバリモードまで拡張できることを意味する。
所定の上限または下限閾値（例えば、１０％および９０％）を超過する平均マークスペース比の増大または減少は、プルーフマスが範囲超状態中に正常外に片寄ることを結果生じ得ることが認識される。故に、プルーフマスの範囲超運動を限定するために、機械的なバンプストップを提供することができる。加速度計は、さらに、互いに入り込んだ電極フィンガ間の最小ギャップを画定するバンプストップを備えることができる。この最小ギャップは、ＰＷＭ駆動信号に適用するようにプログラムされた追加の変調を考慮して選ぶことができる。高ｇ下では、平均マークスペース比が２．５：９７．５（または、逆の値）に拡張される場合には、１０：９０のマークスペース比において通常受ける静電気力に相当する最小ギャップをバンプストップが画定しない限りは、プルーフマスの電極フィンガと最も外側の固定電極フィンガとの間のギャップが、ラッチアップを引き起こすのに十分に小さくなる場合がある。バンプストップは、静電引力を、ＰＷＭ駆動信号によって付与される復元力未満に限定するように配置できる。故に、バンプストップのサイズは、加速度計のダイナミックレンジに応じて選ぶことができる。特定の一連の実施例において、プルーフマスがそのバンプストップにあるときに生成されるラッチング静電気力に打ち勝つのに十分な大きさにプルーフマスにかかる静電復元力がなるように、ＰＷＭ駆動信号が変調される。
上に開示した任意の実施例において、固定された容量電極フィンガの第１の組は、互いに入り込んだ電極フィンガ間の中央線から一方向における第１のオフセットを有することができ、そして固定された容量電極フィンガの第２の組は、中央線から反対方向における第２のオフセットを有することができる。
本開示の任意の実施例において、プルーフマスおよび固定電極フィンガは、半導体基板、例えば、シリコン基板から一体的に形成することができる。静電容量型加速度計は、ＭＥＭＳ加速度計の形態をとることができる。
プルーフマスを固定基板に取り付ける弾性支持脚は、固定基板によって提供された留め具に結合しても良い。留め具は、基礎をなす電気的に絶縁された支持体（例えば、ガラス）に固定して接合、例えば、陽極接合されても良い。弾性支持脚は、プルーフマスの共振周波数、したがって、加速度計の感度を設定する。プルーフマスは、複数個の等間隔の弾性支持脚、例えば、プルーフマスの周囲に配置された２つまたは４つの支持脚によって取り付けることができる。プルーフマスが略矩形フレームの形態をとる場合には、弾性支持脚は、フレームの４つの隅部に配置することができる。各支持脚は、印加された加速度に応じてプルーフマスが移動して支持脚を屈曲するときに、プルーフマスを静止位置の方に戻すように推し進める復元力を印加するように、加速度計の感知方向と略垂直な方向に延在することができる。
支持脚が短くなるにつれて、プルーフマスの共振周波数は高くなる。装置の全体寸法を顕著に増大することなく共振周波数を減少することが望ましい場合がある。一連の実施例において、支持脚は蛇行形態を有する。各支持脚は、少なくとも、第１のほぼ直線セクション、第２のほぼ直線セクション、および第１のほぼ直線セクションと第２のほぼ直線セクションとを互いに接続するほぼＵ字形の端部セクションを備えることができる。端部セクションの厚さは、第１および第２のほぼ直線セクションの両方の中央部の厚さよりも厚い。支持脚のこの構造は、かなりの面外加速が加えられた場合に最も高く応力を受ける端部セクションについての厚さが増大した蛇行形態を示す。支持脚は、実質的に、その内容が参照により完全に本明細書に組み込まれるＷＯ２０１３／０５０７５２に記述されたような蛇行形態を有することができる。
加速度計は、互いに入り込んだ容量電極フィンガに減衰効果を与えるための任意の適切なガス状媒質を含むことができる。ガス状媒質は、空気、窒素、アルゴン、ヘリウムまたはネオンの１つまたは複数を含むことができる。ガス状媒質は、大気圧または高圧において収容することができる。例えば、ガス状媒質は、最大約１０バールまでの圧力において収容することができる。
先行技術の形態の加速度計を示す。 先行技術の形態の加速度計を示す。 図１ａに従う先行技術の加速度計についての閉ループ電子制御回路のブロック図である。 図２に従う閉ループ制御のダイナミックレンジを描写する。 本開示に従う加速度計についての例示の閉ループ電子制御回路のブロック図である。 １０：９０のＰＷＭマークスペース比制限条件における、範囲超リカバリの達成法を示す。 ９０：１０のＰＷＭマークスペース比制限条件における、範囲超リカバリの達成法を示す。
１つまたは複数の限定されない実施例を、添付図面を参照してここに記述する。
図１ａは、その内容が参照により本明細書に組み込まれるＷＯ２００５／０８３４５１に見られるのと同様の先行技術の形態の静電容量型加速度計１０１を示す。加速度計１０１は、プルーフマス１０２、およびプルーフマス１０２のいずれかの側に２つのペアにおいて配置された４つの固定電極１０４、１０６を有する。プルーフマス１０２は、複数の組の可動電極フィンガ１０８に接続される。これらの電極フィンガ１０８は、固定電極１０４、１０６から延在する対応する組の固定電極フィンガ１１０、１１２と、オフセット様式において互いに入り込む。プルーフマス１０２は、プルーフマス１０２の本体から延在し、アンカーポイント１１６において固定される弾性支持脚１１４の組も有する。プルーフマス１０２は、印加された加速度に応じて（双頭の矢印に示す）面内感知方向に、固定電極１０４、１０６に対して相対的に移動することができる。２つの組の固定電極フィンガ１１０、１１２は、各方向における運動を測定できるように、感知方向に沿って反対方向にプルーフマスフィンガ１０８からオフセットされる。
加速度計１０１の使用中、印加された加速度が、プルーフマス１０２およびその電極フィンガ１０８を、固定電極１０４、１０６に対して相対的に感知方向において移動させる。開ループ動作では、これによりプルーフマスフィンガ１０８と固定電極フィンガ１１０、１１２との間のオフセットが変化する。この変位は、電極間の微分静電容量における変化を招くので、直接に測定して加速度を計算することができる。閉ループシステムでは、フィンガは、実際には互いに相対的に移動しない。固定フィンガ１０４、１０６に印加されたフィードバック電圧が、加速度を受けてもプルーフマス１０２が移動ぜず、その慣性力が静電気力と平衡化されるような、可動フィンガ１０８にかかる静電復元力を生み出す。
図１ｂは、その内容が参照により本明細書に組み込まれるＷＯ２０１２／０７６８３７に見られるのと同様の代替的な形態の先行技術の加速度計１０１’を示す。この加速度計１０１’では、プルーフマス１２０が外側フレームの形態をとり、固定電極１２２、１２４がフレーム内部に配置される。この配置は、図１ａの配置と逆である。プルーフマスフレーム１２０は、固定電極１２２、１２４の上方および下方の、２つの中央点１２６、１２８において固定される。フレーム１２０から多くの可動電極フィンガ１３０が延在し、これらは、固定電極１２２、１２４から延在する固定電極フィンガ１３２、１３４とオフセット様式において互いに入り込む。図１ａと同様に、電極フィンガ１３０、１３２、１３４は、おおよそ同じ距離であるが反対方向に、（双頭の矢印に示す）感知方向と平行のオフセットにおいて間隙を介する。この形態の先行技術の加速度計は、図１ａのそれと同様の様式、ならびにより詳細を後述する様式において動作することができる。
図２を見てわかるように、加速度計１０１（または、１０１’）の閉ループ制御構成では、固定フィンガ１１０、１１２は、同相のＰＷＭ信号Ｖ1が１つの組のフィンガ１１０に印加され、かつ逆位相のＰＷＭ信号Ｖ2が他の組のフィンガ１１２に印加されるパルス幅変調（ＰＷＭ）技術を使用して制御することができる。ＰＷＭ駆動信号発生器２２が、補完的な同相および逆位相の駆動電圧Ｖ1およびＶ2を、それぞれの電極フィンガ１１０、１１２に供給する。プルーフマス１０２からの出力電圧信号Ｖoutが、プリアンプ２３に導かれる。復調器２４が、プリアンプ２３からの出力２５を受信して復調し、ゼロ位置からのプルーフマスの変位を示す出力２７を提供する。積分器／ループフィルタ２６が、復調器２４からの出力２７を受信、積分およびフィルタリングする。結果得られたフィードバック信号２８は、ゼロ位置からのプルーフマスの変位に起因する、故に、印加された加速度に比例する、必要な復元力を示す。信号２８は、ＰＷＭ駆動電圧Ｖ1およびＶ2のマークスペース比を設定するために、ＰＷＭ発生器２２に入力される。発生器２２は、ＰＷＭパルスのマーク長を増大または減少することによってマークスペース比を変化させて、プルーフマスに必要な復元力を付与するように配置される。プルーフマス１０２が、印加された加速度の慣性力下で移動する傾向があるときには、固定電極１１０、１１２に印加されるＰＷＭ電圧信号Ｖ1およびＶ2が、プルーフマス１０２をゼロにするための容量性力フィードバックを提供し、故に、加速度の間接測定が可能になる。ローパスフィルタ３０とともに差動増幅器２９が、駆動電圧Ｖ1と駆動電圧Ｖ2とを比較して、３１に出力を提供するように提供される。代替的に、ＰＷＭフィードバック信号２８は、印加された加速度を示し、発生器２２に十分な精度を付与する直接出力として使用することができる。
そのようなＰＷＭ手法を使用するときに、静電復元力は、センサ動作範囲の全域において線形出力を与えるマークスペース比に比例する。フィンガを固定位置に維持するのに必要な復元力のサイズを使用して、プルーフマス１０２にかかる力、故に、加速度計１０１の感知方向に沿う印加された加速度を計算することができる。しかしながら、入力加速度が正常１０〜９０％範囲を超過した「範囲超」に及ぶときに、加速度計の平均出力が非線形になることを、図３から見ることができる。加速度計が範囲超の加速度にさらされる場合には、一時的ではあるが、瞬間的な測定精度が失われる。さらに、プルーフマスの範囲超変位を制限し、ラッチアップを回避するために、機械的なバンプストップに依存する必要がある。
本開示の実施例に従う閉ループ電子回路が図４に見られる。既に述べたように、ＰＷＭ駆動電圧発生器２２が、同相および逆位相の電圧信号Ｖ1およびＶ2それぞれを、固定電極１１０、１１２の第１および第２の組に提供する。プルーフマス１０２からの出力電圧Ｖoutが、プリアンプ２３に提供され、その出力２５が、復調器２４に提供される。結果得られた出力２７は、ゼロ位置からのプルーフマスの変位を表す。次に、出力２７は、積分器／ループフィルタ２６を通り抜けて、ゼロ位置からのプルーフマスの変位に起因する、すなわち、印加された加速度に比例する、必要な復元力を示す出力３２が提供される。出力３２は、ＰＷＭ駆動電圧制御回路への入力として使用される。図２に見られる閉ループ制御とは異なり、ＰＷＭ信号発生器２２を直接に駆動するために積分およびフィルタリングされた出力３２を使用せず、これは代わりに、ＰＷＭマークスペース比検出器および変調器を備える制御器３４を通る。制御器３４は、加速が範囲超状態に相当し、プルーフマス１０２をそのゼロ位置に維持するのに必要なマークスペース比が、ダイナミックレンジの正常上限（例えば、９０％）または下限（例えば、１０％）閾値を超過した時を検出する。範囲超状態が検出されると、他のパルスのマーク長をさらに増大または減少することなく、ＰＷＭパルスのいくつかの長さを減少または拡張するような、変調されたＰＷＭ駆動信号３６が制御器３４から発生器２２に送られる。例えば、Ｖ1およびＶ2のＰＷＭ駆動信号は、正常最大測定限界の閾値（下限１０％または上限９０％）と、例えば、必要に応じて４：４、３：４、２：４または１：４のデューティサイクルをもつパルスのいくつかを除外することによって０％または１００％リカバリレベルとの間で変調することができる。このことは、図５および図６を参照して理解することができる。
加速度計の正常動作は、５０：５０のＰＷＭマークスペース比を有する駆動電圧としてこの実施例に示された範囲超状態ゼロによって表される。当然ながら、ＰＷＭマーク長は、プルーフマス１０２からの出力電圧Ｖoutに応じて１０％および９０％の間のどこにでも調節することができる。図５において、範囲超ステージ１は、１０：９０マークスペース比の下限閾値に対応する。パルス間のプルーフマスの位置を正確に決定するための十分な整定時間を感知システムに付与するために、ＰＷＭマーク長をこれ以上減少することは望ましくはない。印加された加速度が結果として範囲超状態にあることを制御器３４が認識するときには、制御回路は、少なくとも１つのパルスがその期間の４サイクルごとに除外されるリカバリモードを提供する。例えば、範囲超状態２では、４サイクルごとに１つのパルスが除外され、その結果、平均マークスペース比は、７．５：９２．５になる。範囲超状態３では、１０％のマーク長を有する交互のパルスが除外され、５：９５の平均マークスペース比が付与される。範囲超状態４では、４サイクルごと３つのパルスが除外され、２．５：９７．５に至るまで平均マークスペース比が減少する。図６は、印加された加速度が９０％の上限閾値を超過するマークスペース比を必要とするときの、対応する範囲超状態およびリカバリモードを示す。範囲超状態１は、あらゆるパルスが９０％のマーク長を有する場合の正常動作の上限値に対応する。範囲超状態２では、４サイクルごとに１つのパルスが１００％マーク長に拡張され、９２．５：７．５の平均マークスペース比が付与される。範囲超状態３では、１つおきのパルスが１００％に拡張され、９５：５の平均マークスペース比が付与される。範囲超状態４では、４つのパルスごとに３つのパルスが１００％マーク長に拡張され、平均マークスペース比が９７．５：２．５であるリカバリモードが提供される。
図５および図６が範囲超リカバリモードの包括的な実施例は提供せず、任意の適切な数のＰＷＭパルス長を減少若しくは拡張またはパルスを除外して、平均マークスペース比についての所望の結果を達成できることが認識される。しかしながら、長さを増大（例えば、１００％に）または減少（例えば、０％に）したパルスの数の増大は、ＰＷＭ駆動信号が正常閾値内にあり、感知機能を正確に維持できるサイクルの数を減少し得る。
閉ループ動作におけるＰＷＭスキームによって、別個の変換器を感知構造に接続する必要なく、駆動およびピックオフ信号両方を生成することができる。ＰＷＭ駆動信号（Ｖ1およびＶ2）の振幅によって、プルーフマスのための一定振幅励磁電圧および、ゼロ位置からのプルーフマスの変位に起因する必要な復元力を測定しＰＷＭ駆動信号の振幅によって設定されたゲインを有するピックオフ信号（Ｖout）が提供される。ＰＷＭマークスペース比によって、印加された加速度に比例する復元力が決定される。図４に戻ると、２つの代替的な出力ステージが使用可能であることを見ることができる。１つのオプションは、積分器／ループフィルタ２６において、印加された加速度に比例する、適切にフィルタリングされた信号３２を出力４０に直接に提供することである。これはデジタル信号であるので、追加のエラーを取り込むことなく使用することができる。代替的にまたは追加的に、差動増幅器２９などの比較器が、ＰＷＭ駆動電圧Ｖ1とＰＷＭ駆動電圧Ｖ2とを比較して復元力を測定し、それ故に、印加された加速度に比例する出力を３１に提供することができる。この信号３１はアナログ信号であり、必要に応じて、システム要件に一致させるためにフィルタリングまたはデジタル化することができる。これにより、発生器２２または制御器３４内のエラーが閉ループ動作によって抑性されるので、より高性能のシステムを提供することができる。
前述の加速度計は、互いに入り込んだ電極フィンガ間の最小ギャップを画定する機械的なバンプストップを含むことができる。例えば、使用中の高ｇ衝撃に起因するラッチアップ問題を回避するために、プルーフマスがそのバンプストップにあるときに生成されるラッチング静電気力に打ち勝つのに十分な大きさにプルーフマスにかかる静電復元力がなるように、ＰＷＭ駆動信号Ｖ1およびＶ2が変調される。

Claims (15)

  1. 静電容量型加速度計の閉ループ動作のための方法であって、
    静電容量型加速度計が、
    印加された加速度に応じて面内感知方向において直線的に動作可能なように、弾性支持脚によって固定基板に取り付けられた略平面のプルーフマスと、
    前記感知方向と略垂直にかつ前記感知方向において間隙を介して前記プルーフマスから延在する可動の容量電極フィンガの第１および第２の組と、
    前記感知方向と略垂直にかつ前記感知方向において間隙を介して延在する固定された容量電極フィンガの第１および第２の組であって、前記固定された容量電極フィンガの第１の組が、前記可動の容量電極フィンガの第１の組と互いに入り込んで配置され、前記固定された容量電極フィンガの第２の組が、前記可動の容量電極フィンガの第２の組と互いに入り込んで配置されている、固定された容量電極フィンガの第１および第２の組と、
    を備えており、
    当該方法が、
    同相のパルス幅変調（ＰＷＭ）駆動信号を前記固定された容量電極フィンガの第１の組に、かつ対応する逆位相のパルス幅変調（ＰＷＭ）駆動信号を前記固定された容量電極フィンガの第２の組に印加することと、
    前記プルーフマスの変位を感知し、前記ＰＷＭ駆動信号における各パルスのマーク長を増大または減少することによってマークスペース比を変化させて、前記印加された加速度の慣性力を平衡化し、前記プルーフマスをゼロ位置に維持するための正味の静電復元力を前記プルーフマスに付与することと、
    前記プルーフマスを前記ゼロ位置に維持するのに必要な前記マークスペース比が所定の上限または下限閾値を超過したときを検出することと、
    ｘ≧１、ｙ＞１である、ｙサイクルごとにｘパルスを拡張または減少することによって前記ＰＷＭ駆動信号をさらに変調することによって、他のパルスの前記マーク長をさらに増大または減少することなく、前記上限または下限閾値を超過する平均マークスペース比を付与することと、
    を含むことを特徴とする、静電容量型加速度計の閉ループ動作のための方法。
  2. 前記所定の上限閾値が約９０：１０であり、かつ／または前記所定の下限閾値が約１０：９０であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. ｙサイクルごとのｘパルスの拡張が、前記ｘパルスの前記マーク長を略１００％に拡張することを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
  4. ｙサイクルごとのｘパルスの減少が、前記ｘパルスの前記マーク長を略０％に減少することを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
  5. 前記ＰＷＭ駆動信号のさらなる変調が、４サイクルごとに１つ、２つまたは３つのパルスを拡張または減少することを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
  6. ｙサイクルごとの前記ｘについての前記プルーフマスの前記変位の感知が軽視されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
  7. 前記ゼロ位置からの前記プルーフマスの前記変位に起因する前記必要な静電復元力を示す信号出力（４０）を提供することをさらに含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
  8. 前記同相のＰＷＭ駆動信号と前記逆位相のＰＷＭ駆動信号とを比較して、前記印加された加速度を示す信号出力（３０）を生成することをさらに含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
  9. 印加された加速度に応じて面内感知方向において直線的に動作可能なように、弾性支持脚によって固定基板に取り付けられた略平面のプルーフマスと、
    前記感知方向と略垂直にかつ前記感知方向において間隙を介して前記プルーフマスから延在する可動の容量電極フィンガの第１および第２の組と、
    前記感知方向と略垂直にかつ前記感知方向において間隙を介して延在する固定された容量電極フィンガの第１および第２の組であって、前記固定された容量電極フィンガの第１の組が、前記可動の容量電極フィンガの第１の組と互いに入り込んで配置され、前記固定された容量電極フィンガの第２の組が、前記可動の容量電極フィンガの第２の組と互いに入り込んで配置されている、固定された容量電極フィンガの第１および第２の組と、
    同相のＰＷＭ駆動信号を前記固定された容量電極フィンガの第１の組に、かつ対応する逆位相のＰＷＭ駆動信号を前記固定された容量電極フィンガの第２の組に印加するように配置されたパルス幅変調（ＰＷＭ）駆動信号発生器と、
    前記プルーフマスの変位を感知するように配置された回路、および前記ＰＷＭ駆動信号における各パルスのマーク長を増大または減少することによってマークスペース比を変化させ、そして前記印加された加速度の慣性力を平衡化し、前記プルーフマスをゼロ位置に維持するための正味の静電復元力を前記プルーフマスに付与するように配置されたＰＷＭマークスペース比発生器と、
    前記プルーフマスを前記ゼロ位置に維持するのに必要な前記マークスペース比が所定の上限または下限閾値を超過したときを検出するように配置されたＰＷＭマークスペース比検出器と、
    ｘ≧１、ｙ＞１である、ｙサイクルごとにｘパルスを拡張または減少し、他のパルスの前記マーク長をさらに増大または減少することなく、前記上限または下限閾値を超過する平均マークスペース比を付与するように配置された、前記ＰＷＭ駆動信号発生器のための変調器と、
    を備えることを特徴とする静電容量型加速度計。
  10. 前記所定の上限閾値が約９０：１０であり、かつ／または前記所定の下限閾値が約１０：９０であることを特徴とする請求項９に記載の加速度計。
  11. 前記変調器が、前記ｘパルスの前記マーク長を略１００％に拡張するように配置されることを特徴とする請求項９または１０に記載の加速度計。
  12. 前記変調器が、前記ｘパルスの前記マーク長を略０％に減少するように配置されることを特徴とする請求項９または１０に記載の加速度計。
  13. 前記変調器が、４サイクルごとに１つ、２つまたは３つのパルスを拡張または減少するように配置されることを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載の加速度計。
  14. （ｉ）前記ゼロ位置からの前記プルーフマスの前記変位に起因する前記必要な静電復元力を示す出力（４０）を生成する出力信号回路、および（ｉｉ）前記印加された加速度を示す出力（３０）を生成する、同相のＰＷＭ駆動信号と逆位相のＰＷＭ駆動信号とのための比較器を含む出力信号回路の少なくとも１つ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加速度計。
  15. 前記互いに入り込んだ電極フィンガ間の最小ギャップを画定するバンプストップをさらに備えることを特徴とする請求項９〜１４のいずれかに記載の加速度計。
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