JP2019138905A

JP2019138905A - 加速度計

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Publication number: JP2019138905A
Application number: JP2019018347A
Authority: JP
Inventors: マルヴァーンアラン; Malvern Alan
Original assignee: Atlantic Inertial Systems Ltd
Current assignee: Atlantic Inertial Systems Ltd
Priority date: 2018-02-05
Filing date: 2019-02-05
Publication date: 2019-08-22
Also published as: GB2570714A; GB2570714B; KR20190095155A; GB201801847D0; US20190242925A1; EP3521834A1

Abstract

【課題】容量型加速度計の閉ループ動作を制御するための方法が提供される。【解決手段】方法は、第１の同相及び逆相のＰＷＭ駆動信号３０２、３０４をそれぞれ第１の対の固定容量型電極１０６ａ、１０８ｂに印加し、第２の同相及び逆相のＰＷＭ駆動信号３０６、３０８をそれぞれ第２の対の固定容量型電極１０８ａ、１０６ｂに印加することを含む。プルーフマス１０２からのピックオフ信号を測定して、固定容量型電極１０６ａ、１０８ｂ、１０８ａ、１０６ｂに対するプルーフマス１０２の変位が検知され、第１及び／又は第２のＰＷＭ駆動信号３０２、３０４、３０６、３０８のマークスペース比を調整して、印加加速度を平衡させプルーフマス１０２をヌル位置に維持する復元力をプルーフマス１０２に提供する。電極１０６ａ、１０８ｂ、１０８ａ、１０６ｂに印加される信号３０２、３０４、３０６、３０８は、オフセット期間だけ互いに時間的にオフセットされる。【選択図】図３

Description

本開示は容量型加速度計に関し、詳細には、容量型加速度計の閉ループ動作のための方法に関する。

加速度計は運動及び／または振動によ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デバイスである。容量型加速度計は地震検知、振動検知、慣性検知及び傾斜検知を含む応用において用途を見出し得る。容量型加速度計は典型的には微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）として実装され、シリコンなどの半導体材料から製造され得る。容量型加速度計の典型的なＭＥＭＳ検知構造は支持部に移動可能に取り付けられたプルーフマスを備え、プルーフマスから延びる一組の電極フィンガが１つまたは複数の組の固定電極フィンガと噛み合って差動コンデンサを形成する。検知構造の電極は適切な駆動電子回路及びピックオフ電子回路に接続される。開ループ構成では、電子回路は正弦波または方形波信号によって固定電極フィンガを駆動するように構成され、プルーフマスは加速度下で動いて、出力に生じる整流電圧であるピックオフ信号を提供する。ＷＯ２００４／０７６３４０には、開ループ加速度計の一例が与えられている。しかしながら、開ループ加速度計は帯域幅、線型性及びダイナミックレンジの観点で性能が限られている場合がある。

開ループ動作用に設計された加速度計の検知構造は、駆動電子回路を用いることにより可変の静電気力を電極に提供して力平衡を実現することによって、閉ループ構成でも使用することができる。ＷＯ２００５／０８４３５１には、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一例が与えられている。そのような閉ループ構成では、電子回路は、加速による慣性力を無効にする静電気力によってプルーフマスが適切な位置に固定されるよう、同相及び逆相ＰＷＭ信号によって固定電極フィンガの対を駆動するように構成される。ＰＷＭ駆動信号のマークスペース比を調整して、可変の平衡力を生成することができる。

当技術分野では、可動フレームと噛み合い、２つの対として接続される４組の固定電極を備える加速度計を有することが知られている。そのようなデバイスがＷＯ２０１５／１２４９１０に記載されている。そのようなデバイスでは、組１及び組３が接続され、組２及び組４が同様に接続される。整定時間を見込んで典型的には各遷移（１サイクルあたり２回）の２μｓ後にアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）によってプルーフマスからサンプリングされる、ＰＷＭサイクルあたり２つの信号が存在する。次いでこれら２つの連続したサンプルは差がとられ、その結果はヌル位置からのプルーフマスオフセットに比例する。次いでこの結果は制御方式にフィードバックされ、ＰＷＭ駆動信号のマークスペース比を変更することによって、プルーフマスオフセットをゼロにすることが可能になる。しかしながらこの構成は、二重差動対として機能する４つの電極全てから利用可能な潜在的な情報の全てを利用しているわけではない。

ＭＥＭＳ構造に沿った温度勾配または寿命による緩和効果に起因して加速度計バイアスがデバイス内で生じる場合があり、これらは既存の信号処理方式では除去されない。たとえば、ＭＥＭＳ加速度計内の固定電極の組はシリコン基盤に形成され、シリコン基盤は約０．２ｐｐｍ／℃の熱膨張差を有するガラス基板に取り付けられる。この結果、加速度計にわたる熱勾配がもたらされ、運動差が誘導される。そのような勾配の存在は加速度計からの不正確な読取値をもたらす場合があり、古いデバイスに伴う特定の問題であり、その理由は、性能が応力緩和効果によって経時的に劣化するためである。

本開示の一目的は上記に概説された欠点のうちの１つまたは複数を克服することである。

本開示の第１の態様によれば、容量型加速度計の閉ループ動作を制御する方法であって、
容量型加速度計が、
固定基盤と、
印加加速度に応じた検知軸に沿った面内運動のために可撓性支持脚部によって固定基盤に取り付けられたプルーフマスであって、プルーフマスが、検知軸に実質的に垂直に延び検知軸に沿って離間した複数組の可動電極フィンガを備える、プルーフマスと、
少なくとも２対の固定容量型電極であって、第１の対の固定容量型電極が第１の固定電極及び第４の固定電極を含み、第２の対の固定容量型電極が第２の固定電極及び第３の固定電極を含み、各固定容量型電極が、検知軸に実質的に垂直に延び検知軸に沿って離間した固定容量型電極フィンガの組を備える、少なくとも２対の固定容量型電極と、
を備え、
第１及び第３の固定電極のフィンガの組が、隣接する固定フィンガ間の中線から検知軸に沿って一方向に第１のオフセットを有して可動電極フィンガの組と噛み合うように構成され、第２及び第４の固定電極のフィンガの組が、隣接する固定フィンガ間の中線から検知軸に沿って反対方向に第２のオフセットを有して可動電極フィンガの組と噛み合うように構成され、
方法が、
第１の同相及び逆相のＰＷＭ駆動信号を第１の対の固定容量型電極にそれぞれ印加すること、及び、第２の同相及び逆相のＰＷＭ駆動信号を第２の対の固定容量型電極にそれぞれ印加することと、
プルーフマスからのピックオフ信号を測定することによって、固定容量型電極に対するプルーフマスの変位を検知すること、及び、第１及び／または第２のＰＷＭ駆動信号のマークスペース比を調整して、印加加速度を平衡させプルーフマスをヌル位置に維持する復元力をプルーフマスに提供することと、
を含み、
第１及び第２の対の固定容量型電極に印加される第１及び第２のＰＷＭ駆動信号が、オフセット期間だけ互いに時間的にオフセットされる、
方法が提供される。

このように、デバイスにわたる任意の温度勾配及び／または応力勾配に関する追加情報の抽出を可能にする方法が提供される。第１及び第２のＰＷＭ駆動信号を互いに時間的にオフセットすることによって、両対の固定電極に対して同時に動く共通のプルーフマスであっても、２対の固定容量型電極から別々の情報を抽出することが可能になる。たとえば、オフセット期間を使用して、ピックオフ信号を１サイクルあたり少なくとも４回（各ＰＷＭ駆動信号遷移後に１回）サンプリングすることができる。これらの追加のサンプルによって、第１及び第２のＰＷＭ駆動信号の差が測定可能となり、これらを使用して、２対の固定容量型電極間の任意のバイアスシフト／倍率差に関する情報を抽出することができる。

この方法で使用される容量型加速度計は、固定容量型電極の２重差動対を備え、固定電極フィンガが共通のプルーフマスの可動電極フィンガと噛み合う。好ましくは、中線からの可動容量型電極フィンガのオフセットは検知軸に沿った２つの方向において等しい。

本開示のさらなる実施例によれば、方法は、オフセット期間をマークスペース比に応じて調整することをさらに含む。印加線形加速度によってマークスペース比が調整されると、２つのＰＷＭ駆動信号は異なる量だけ互いにオフセットされる。たとえば、マークスペース比が増加するほど、オフセット期間は減少する。これは、遷移直後（及び任意選択により整定時間を見込んだ後）であるが次の遷移前の期間中にピックオフ信号が測定されるようにするためのものである。

本開示の他の実施例によれば、ピックオフ信号を測定することが、第１のＰＷＭ駆動信号の遷移後に第１のサンプルを取得し、第１のＰＷＭ駆動信号の他の遷移後に第２のサンプルを取得することを含む。第１のＰＷＭ駆動信号に関する２つのサンプルを取得することによって、第１及び第４の固定電極に関する情報を収集することができる。第１のＰＷＭ駆動信号のマークスペース比が調整されると、プルーフマスはこれらの信号から生じる静電性復元力に従って動く。閉ループ動作の目的はプルーフマスをヌル位置に復元することであるので、これらのサンプルから収集された情報を使用して駆動信号のマークスペース比を調整することによって、印加線形加速度の任意の差、または以前のサンプルからの任意の温度／応力勾配を補償することができる。

本開示のさらなる実施例によれば、ピックオフ信号を測定することが、第２のＰＷＭ駆動信号の遷移後に第３のサンプルを取得することと、第２のＰＷＭ駆動信号の他の遷移後に第４のサンプルを取得することをさらに含む。第２のＰＷＭ駆動信号に関する２つのサンプルを取得することによって、第２及び第３の固定電極に関する情報を収集することができる。第２のＰＷＭ駆動信号のマークスペース比が調整されると、プルーフマスはこれらの信号から生じる静電性復元力に従って動く。閉ループ動作の目的はプルーフマスをヌル位置に復元することであるので、これらのサンプルから収集された情報を使用して駆動信号のマークスペース比を調整することによって、印加線形加速度の任意の差、または以前のサンプルからの任意の温度／応力勾配を補償することができる。

本開示の一実施例によれば、方法は、第１及び第２のサンプルの差を決定して第１の誤差信号を与えることと、第１の誤差信号を使用して第１のＰＷＭ駆動信号のマークスペース比を調整することをさらに含む。この第１の誤差信号は第１及び第２のサンプルの時刻におけるプルーフマスの位置に関する情報を含む。したがって、これを使用して、プルーフマスのヌル位置への復元を支援するように第１のＰＷＭ駆動信号のマークスペース比を調整することができる。

本開示の他の実施例によれば、方法は、第３及び第４のサンプルの差を決定して第２の誤差信号を与えることと、第２の誤差信号を使用して第２のＰＷＭ駆動信号のマークスペース比を調整することをさらに含む。この第１の誤差信号は第３及び第４のサンプルの時刻におけるプルーフマスの位置に関する情報を含む。したがって、これを使用して、プルーフマスのヌル位置への復元を支援するように第２のＰＷＭ駆動信号のマークスペース比を調整することができる。

本開示の一実施例によれば、追加的または代替的に、方法は、第１及び第２のＰＷＭ駆動信号のマークスペース比の値の和をとって、印加加速度を決定することをさらに含む。２つのマークスペース比の値は、プルーフマスのヌル位置からのオフセットに関する情報を含む。たとえば、プルーフマスがヌル位置にあれば、マークスペース比は５０：５０に等しくなる。マークスペース比の値の和（すなわち、プルーフマスのヌル位置からの総オフセット）をとることによって、印加加速度を決定することができる。

本開示の一実施例によれば、追加的または代替的に、方法は、第１及び第２のＰＷＭ駆動信号のマークスペース比の値の差をとって、加速度計にわたる任意の温度勾配及び／または応力勾配に関する補償情報を決定することをさらに含む。ＰＷＭマークスペース比の値の差をとることによって、任意の温度勾配及び／または応力勾配から生じる２対の固定容量型電極間の任意の差を決定することができる。そのような勾配は、熱ヒステリシスによるエラストマー緩和などの長期の経時変化の効果、またはデバイスパッケージ内の温度差の結果であり得る。この補償情報を使用して、デバイスは出力信号における任意のそのような勾配を補償することができる。これにより、特にデバイスの寿命の後期に、これらの効果がより蔓延した場合に、性能が向上する。

本開示の一実施例によれば、追加的または代替的に、方法は、第１のＰＷＭ駆動信号に対応するデータを第２のＰＷＭ駆動信号に対応するデータから分離するために、サンプリング後に時分割多重化を行うことをさらに含む。４つサンプルは全て同一のピックオフ信号からのものであるが、２つの異なるＰＷＭ駆動信号に関するものであるので、時分割多重化によってデータの分離が可能になる。この分離は、簡単化のために、２つのデータセットの信号処理を独立して行うことができることを意味する。

本開示の一実施例によれば、追加的または代替的に、方法は、第１のまたは第２のＰＷＭ駆動信号の遷移から所定の時間以下の整定期間後にプルーフマスからのピックオフ信号を測定することをさらに含む。駆動信号電子回路は完璧ではない（すなわち、特定のランプアップ／ダウンタイムが存在する）ので、ピックオフ信号の任意の過渡成分を減衰させるために最小整定期間が導入される。この期間内にサンプリングしないことによって、より高精度な出力を実現することができる。

本開示の第２の態様によれば、容量型加速度計の閉ループ動作を制御するための制御装置であって、
容量型加速度計が、
固定基盤と、
印加加速度に応じた検知軸に沿った面内運動のために可撓性支持脚部によって固定基盤に取り付けられたプルーフマスであって、プルーフマスが、検知軸に実質的に垂直に延び検知軸に沿って離間した複数組の可動電極フィンガを備える、プルーフマスと、
少なくとも２対の固定容量型電極であって、第１の対の固定容量型電極が第１の固定電極及び第４の固定電極を含み、第２の対の固定容量型電極が第２の固定電極及び第３の固定電極を含み、各固定容量型電極が、検知軸に実質的に垂直に延び検知軸に沿って離間した固定容量型電極フィンガの組を備える、少なくとも２対の固定容量型電極と、
を備え、
第１及び第３の固定電極のフィンガの組が、隣接する固定フィンガ間の中線から検知軸に沿って一方向に第１のオフセットを有して可動電極フィンガの組と噛み合うように構成され、第２及び第４の固定電極のフィンガの組が、隣接する固定フィンガ間の中線から検知軸に沿って反対方向に第２のオフセットを有して可動電極フィンガの組と噛み合うように構成され、
装置が、
少なくとも２対のＰＷＭ電圧発生器であって、第１の対のＰＷＭ電圧発生器が、第１の同相及び逆相のＰＷＭ駆動信号を第１の対の固定容量型電極に対して生成し印加するように構成され、第２の対のＰＷＭ電圧発生器が、第２の同相及び逆相のＰＷＭ駆動信号を第２の対の固定容量型電極に対して生成し印加するように構成される、少なくとも２対のＰＷＭ電圧発生器と、
第１及び第２のＰＷＭ駆動信号サイクルごとに少なくとも４回、プルーフマスからピックオフ信号をサンプリングするように構成されるピックオフ信号センサと、
第１及び第２のフィードバックループであって、それぞれが２対のＰＷＭ電圧発生器によって生成されるそれぞれの第１及び第２のＰＷＭ駆動信号のマークスペース比をピックオフ信号に応じて調整するように構成される、第１及び第２のフィードバックループと、
を備え、
第１及び第２のＰＷＭ駆動信号がオフセット期間だけ互いに時間的にオフセットされる、
制御装置が提供される。

そのような制御装置は、第１及び第２のＰＷＭ駆動信号の間のオフセット期間の結果として加速度計から追加情報を抽出することを可能にする。少なくともいくつかの実施例では、装置は単一のピックオフ信号測定チャネルを備える。オフセット期間によって、下流の信号処理電子回路が第１及び第２のＰＷＭ駆動信号から情報を取り出すことが可能になる。

本開示の一実施例によれば、装置は、オフセット期間をマークスペース比に応じて調整するようにさらに構成される。

本開示の他の実施例によれば、ピックオフ信号センサが、第１のＰＷＭ駆動信号の遷移後に第１のサンプルを取得し、第１のＰＷＭ駆動信号の他の遷移後に第２のサンプルを取得し、第２のＰＷＭ駆動信号の遷移後に第３のサンプルを取得し、第２のＰＷＭ駆動信号の他の遷移後に第４のサンプルを取得することによって、ピックオフ信号を測定するようにさらに構成され、
装置が、
第１及び第２のサンプルの差を決定して、第１の誤差信号を与えるように構成される第１のＰＷＭ復調器と、
第３及び第４のサンプルの差を決定して、第２の誤差信号を与えるように構成される第２のＰＷＭ復調器と、
第１の誤差信号を使用して、第１のＰＷＭ駆動信号のマークスペース比を調整するように構成される第１のデジタルループフィルタと、
第２の誤差信号を使用して、第２のＰＷＭ駆動信号のマークスペース比を調整するように構成される第２のデジタルループフィルタと、
さらに備える。

本開示の他の実施例によれば、装置が、第１及び第２のＰＷＭ駆動信号のマークスペース比の値の和をとって、印加加速度を決定するように構成されるプロセッサをさらに備える。

本開示の他の実施例によれば、装置が、第１及び第２のＰＷＭ駆動信号のマークスペース比の値の差をとって、加速度計にわたる任意の温度勾配及び／または応力勾配に関する補償情報を決定するように構成されるプロセッサをさらに備える。

以下、１つまたは複数の非限定的な実施例を添付の図面を参照して説明する。

加速度計の従来技術の構造を示す図である。本開示による第１及び第２のＰＷＭ駆動信号を使用する一例示的閉ループ電子サーボ制御方式のブロック図である。システムが定常状態条件にある場合の５０：５０マークスペース比を有する第１及び第２のＰＷＭ駆動信号のタイミング図である。一方の対が５０：５０マークスペース比を有し、他方が４９：５１マークスペース比を有する、第１及び第２のＰＷＭ駆動信号のタイミング図である。６０：４０マークスペース比を有する第１及び第２のＰＷＭ駆動信号のタイミング図である。７０：３０マークスペース比を有する第１及び第２のＰＷＭ駆動信号のタイミング図である。本開示による様々なＰＷＭ駆動信号マークスペース比の下での一例示的サンプリングシーケンスの詳細なタイミング図である。

図１にＷＯ２０１５／１２４９１０に開示された容量型加速度計１００の従来技術構造を示し、その内容が引用により本明細書に組み込まれている。可動プルーフマス１０２はシリコンウエハからエッチングされ、シリコンウエハは下に位置する支持部（図示せず）に取り付けられる。この例では、プルーフマス１０２は外側フレームの形態を取り、その中に他の構成要素が取り付けられる。中心アンカ１０４が固定基盤内に形成され、固定基盤は可撓性支持脚部１１２によってプルーフマス１０２に接続される。これにより、プルーフマス１０２は（両矢印で示された）検知軸に沿って実質的に同一面内で動くことが可能になり、その動きは支持脚部１１２の可撓性によって決まる。プルーフマス１０２は８組の可動容量型電極フィンガ１１０を備え、これらはフレーム１０２から内側に検知軸に実質的に垂直に延びる。２対の固定容量型電極１０６、１０８がプルーフマス１０２のフレーム内に配置され、支持部に固定基盤の一部として取り付けられる。各個別の固定容量型電極１０６ａ、１０６ｂ、１０８ａ、１０８ｂは、固定電極から外側に検知軸に実質的に垂直に延びる２組の容量型電極フィンガ１１１を備える。８組の固定容量型電極フィンガ１１１は８組の可動容量型電極フィンガ１１０と噛み合う。

もちろん、加速度計１００の配置は反転することができ、代わりにプルーフマスを固定の外側フレーム内に配置することができる。

図１の拡大部に見られるように、各可動容量型電極フィンガ１１０は、隣接する固定容量型電極フィンガ１１１間の中線１１４からオフセットされる。上側の固定容量型電極１０６ａ及び１０８ａに属するフィンガ１１１と噛み合う可動容量型電極フィンガ１１０は一方の方向に、すなわち、固定電極の隣接するフィンガ間の中線１１４の上方にオフセットされる。下側の固定容量型電極１０６ｂ及び１０８ｂに属するフィンガ１１１と噛み合う可動容量型電極フィンガ１１０は他方の方向に、すなわち、固定電極の隣接するフィンガ間の中線１１４の下方にオフセットされる。可動フィンガが中線１１４からオフセットされる量は検知軸に沿った２つの方向において等しい。

固定容量型電極１０６ａ、１０６ｂ、１０８ａ、１０８ｂはパルス幅変調（ＰＷＭ）駆動信号によって駆動される。一対の固定容量型電極、たとえば１０６ａ、１０６ｂのうち、一方の電極は同相のＰＷＭ駆動信号によって駆動され、他方は逆相のＰＷＭ駆動信号によって駆動される。閉ループ動作では、静電性復元力をプルーフマス１０２に与えるために、加速度計１００に印加された慣性加速度に応じてＰＷＭ駆動信号のマークスペース比が動的に変更される。この制御方式によって、プルーフマス１０２が通常の動作条件の下でのヌル位置に維持され、印加加速度の検知が可能になる。

この従来技術の例では、第１及び第３の固定電極１０６ａ、１０８ａは同一の同相ＰＷＭ駆動信号が適用されて共に駆動され、第２及び第４の固定電極１０６ｂ、１０８ｂは同一の逆相ＰＷＭ駆動信号が適用されて共に駆動される。これが意味するのは、温度変化が均一な場合、４組の固定電極フィンガ全てが同一の方法で動き、したがってプルーフマス１０２から測定された微分容量の任意の差を相殺するということである。しかしながら、この構造は温度勾配の影響を受けやすく、その理由は、温度勾配の下では残留バイアスシフトが依然として存在するためである。これが生じ得るのは、たとえば、支持部とシリコン層との結合がデバイス１００の中心に対して対称でない場合である。

以下の例では、５０ｋＨｚの動作駆動周波数、したがって、フルＰＷＭサイクルに対して２０μｓの周期を仮定する。

図２に本開示の一実施例による一例示的閉ループ電子サーボ制御方式のブロック図を示す。図１の容量型加速度計１００は電荷増幅器２０２の形態のピックオフ信号センサに、たとえば、可動プルーフマス１０２上の固定点を介して電気的に接続される。電荷増幅器２０２は第１及び第２のＰＷＭ復調器２０４、２０６にさらに接続される。次いで、これらの復調器はそれぞれのＰＷＭデジタルループフィルタ２０８、２１０に信号を供給する。次いで、ＰＷＭデジタルループフィルタ２０８、２１０は２対のＰＷＭ電圧発生器に接続される。第１の対のＰＷＭ電圧発生器２１２、２１４は第１の同相及び逆相のＰＷＭ駆動信号をそれぞれ生成する。第２の対のＰＷＭ電圧発生器２１６、２１８は第２の同相及び逆相のＰＷＭ駆動信号をそれぞれ生成する。復調器２０４、デジタルループフィルタ２０８、及び第１の対のＰＷＭ電圧発生器２１２、２１４は第１のフィードバックループを形成する。復調器２０６、デジタルループフィルタ２１０、及び第２の対のＰＷＭ電圧発生器２１６、２１８は第２のフィードバックループを形成する。

第１のＰＷＭ電圧発生器２１２は第１の同相のＰＷＭ駆動信号を生成し、第１の固定電極１０６ａに接続される。第２のＰＷＭ電圧発生器２１４は対応する第１の逆相のＰＷＭ駆動信号を生成し、第４の固定電極１０８ｂに接続される。第１及び第４の固定電極１０６ａ及び１０８ｂは第１の差動対を構成する。第３のＰＷＭ電圧発生器２１６は第２の同相のＰＷＭ駆動信号を生成し、第３の固定電極１０８ａに接続される。第４のＰＷＭ電圧発生器２１８は対応する第２の逆相のＰＷＭ駆動信号を生成し、第２の固定電極１０６ｂに接続される。第２及び第３の固定電極１０６ａ及び１０８ｂは第２の差動対を構成する。

電荷増幅器２０２とプルーフマス１０２とを接続することによって、印加慣性加速度下でのプルーフマスオフセットを表すピックオフ信号が電荷増幅器２０２に提供される。電荷増幅器２０２は、プルーフマス１０２におけるピックオフ信号をＰＷＭサイクルごとに４回サンプリングするアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）を備える。サンプルの正確なタイミングは複数の要因に依存する。ＡＤＣは以前のサンプルまたはＰＷＭ駆動信号遷移から、たとえば２μｓの整定期間の後の時刻にプルーフマス１０２の信号をサンプリングする。２μｓの整定期間は標準的な加速度計電子回路では典型的である。この値はＡＤＣ及びＰＷＭ電圧発生器の正確な仕様に依存する。ＰＷＭ電圧発生器は最大のスルーレートを有し、したがって、それらの電圧出力の最小のランプアップ時間、たとえば８００ｎｓを有する。このランプアップによって駆動電圧に過渡信号が導入される場合があり、したがって低ノイズかつ高性能の動作を保証するためには、サンプルが取得される前にそれらを減衰させなければならない。

第１及び第２のＰＷＭ駆動信号はオフセット期間だけ互いに時間的にオフセットされる。このオフセット期間はマークスペース比と共に変化して、１サイクル内の４つのサンプルが決して所定の整定期間内にならないようにする。この整定時間によって、サンプルが取得される前に任意の過渡信号を減衰させることが可能になる。次いで電荷増幅器２０２は時分割多重化を行い、それぞれの信号をＰＷＭ復調器２０４、２０６に渡す。

第１のＰＷＭ復調器２０４は第１の対の結合された固定電極１０６ａ、１０８ｂから２つのサンプルを取得し、２つのサンプル値の差に基づいて第１の誤差信号を計算する。第２のＰＷＭ復調器２０６は第２の対の結合された固定電極１０６ｂ、１０８ａから２つのサンプルを取得し、２つのサンプル値の差に基づいて第２の誤差信号を計算する。これらの誤差信号はプルーフマス１０２のヌル位置からのオフセットを表す。第１及び第２の誤差信号は５０：５０マークスペース比ではゼロに等しく、これはプルーフマス１０２がヌル位置にあること対応する。ＰＷＭマークスペース比の変化は印加加速度に対して線形である。次いで第１及び第２の誤差信号はＰＷＭデジタルループフィルタ２０８、２１０に渡される。

ＰＷＭデジタルループフィルタ２０８はＰＷＭ復調器２０４から第１の誤差信号を取得し、プルーフマス１０２にヌル位置に戻すための十分な静電性復元力を（第２のＰＷＭ駆動信号からの復元力と共に）提供する、対応する第１のＰＷＭマークスペース比を計算する。ＰＷＭデジタルループフィルタ２１０はＰＷＭ復調器２０６から第２の誤差信号を取得し、プルーフマス１０２にヌル位置に戻すための十分な静電性復元力を（第１のＰＷＭ駆動信号からの復元力と共に）提供する、対応する第２のＰＷＭマークスペース比を計算する。プルーフマス１０２をヌル位置に戻させるのは、２つの静電性復元力の和である。

次いで、それぞれの計算されたマークスペース比はＰＷＭデジタルループフィルタ２０８、２１０から対応するＰＷＭ電圧発生器２１２、２１４、２１６、２１８に渡される。ＰＷＭデジタルループフィルタ２０８はＰＷＭ電圧発生器２１２、２１４にそれぞれのマークスペース比を提供する。ＰＷＭデジタルループフィルタ２１０はＰＷＭ電圧発生器２１６、２１８にそれぞれのマークスペース比を提供する。

任意選択により、プロセッサ２２０はＰＷＭループフィルタ２０８、２１０から第１及び第２のマークスペース比の値を取得し、その値に関する計算及び／または比較を行う。たとえば、２つの値の和は印加線形加速度を表す加速度出力２２２を提供する。たとえば、２つの値の差は、通常は加速度計バイアスを引き起こす、応力／温度による運動の効果を除去するために後で使用することができる補償情報２２４を提供する。

また、プロセッサ２２０またはそれに接続された他の外部プロセッサは、温度勾配または応力勾配から生じるバイアスまたは倍率差を補償するために、補償情報２２４を使用して加速度計の熱モデルを計算することができる。補償情報２２４は加速度計１００の検知された動作温度、たとえば、外部温度センサにより測定されたものと組み合わせられてもよい。プロセッサ２２０または他の外部のプロセッサは、たとえば熱補償アルゴリズムを使用してこのモデルを較正後の加速度出力２２２に適用することによって、上記で詳述した勾配から生じる任意の誤差を補正することができる。プロセッサが追加の補償情報（たとえば温度）を受け取った場合、このモデルは改善される。このように、任意の誤差をより良く補正することができ、そのような補償後の加速度計出力２２２は印加線形加速度をより良く表す。

図３に５０：５０マークスペース比における第１及び第２のＰＷＭ駆動信号のタイミング図を示す。この状況はゼロの印加慣性加速度（ゼロｇ）の下では標準的である。第１のＰＷＭ駆動信号３０２、３０４は第１及び第２のＰＷＭ電圧発生器２１２、２１４によって生成され、第１の対の固定容量型電極１０６ａ、１０８ｂに提供される。図示のように、２つの信号はそれぞれ同相及び１８０度の位相ずれ、すなわち逆相である。第２のＰＷＭ駆動信号３０６、３０８は第３及び第４のＰＷＭ電圧発生器２１６、２１８によって生成され、第２の対の固定容量型電極１０６ｂ、１０８ａに提供される。前述のように、これら２つの信号はそれぞれ同相及び逆相である。時間軸上に示すように、２対の第１及び第２のＰＷＭ駆動信号は互いに５μｓオフセットされる。具体的には、信号の対が低から高または高から低へ遷移する２つの時間は５μｓのオフセット期間だけ互いにオフセットされる。ＰＷＭ信号の２０μｓの周期では、この５μｓのオフセットは、電荷増幅器２０２内のＡＤＣがプルーフマス１０２のサンプリングを、このサンプルが最小の２μｓの整定期間に入ることなく行うのに十分な時間を与える。

図４に、定常状態条件にあるが温度勾配または応力勾配下での第１及び第２のＰＷＭ駆動信号のタイミング図を示す。図３のように、第１のＰＷＭ駆動信号３０２、３０４は５０：５０マークスペース比を有する。しかしながら、一例として、第２のＰＷＭ駆動信号４０６、４０８は４９：５１マークスペース比を有し、これは温度勾配または応力勾配によって第１のＰＷＭ駆動信号とわずかに異なる。把握している（ｉｎｃｏｎｔｒｏｌ）この差の潜在的な原因はデバイス１００にわたる温度勾配である。２対の駆動信号は２つの別々のＰＷＭデジタルループフィルタ２０８、２１０によって生成されるので、それぞれわずかに異なる結果を生成する場合があり、その理由は、個々の電極対が外部から印加された慣性力と、デバイス１００内の任意の内部の差との両方に応答するためである。これらの差は倍率差、またはバイアス（オフセット）差であり得る。

概して、２対のＰＷＭ駆動信号のマークスペース比の平均は印加慣性加速度に関する情報を与え、２対のマークスペース比の差は補償情報を与える。次いでこの補償情報を使用して、取り付け応力による熱ヒステリシス、長期の熱サイクル効果、またはデバイス１００パッッケージ内の応力緩和による長期の経時変化などの効果を除去することができる。

図５に６０：４０マークスペース比における第１及び第２のＰＷＭ駆動信号のタイミング図を示す。この状況は低い印加慣性加速度（低ｇ）、たとえば５〜１５ｇの下では標準的である。第１のＰＷＭ駆動信号５０２、５０４はＰＷＭ電圧発生器２１２、２１４によって生成され、第１の対の固定容量型電極１０６ａ、１０８ｂに提供される。図示のように、２つの信号はそれぞれ同相及び逆相である。第２のＰＷＭ駆動信号５０６、５０８はＰＷＭ電圧発生器２１６、２１８によって生成され、第２の対の固定容量型電極１０６ｂ、１０８ａに提供される。前述のように、これらの２つの信号はそれぞれ同相及び逆相である。時間軸上に示すように、２対の信号は互いに４μｓオフセットされる。具体的には、信号の対が低から高または高から低へ遷移する２つの時間は４μｓのオフセット期間だけ互いにオフセットされる。これは５０ｋＨｚにおいてそのようなマークスペース比によって達成可能な最大のオフセットであり、電荷増幅器２０２内のＡＤＣがプルーフマス１０２のサンプリングを、サンプルが最小の２μｓの整定期間に入ることなく行うのに十分な時間を提供する。

図６に７０：３０マークスペース比における第１及び第２のＰＷＭ駆動信号のタイミング図を示す。この状況は高い印加慣性加速度（高ｇ）、たとえば１５〜３０ｇの下では標準的である。第１のＰＷＭ駆動信号６０２、６０４はＰＷＭ電圧発生器２１２、２１４によって生成され、第１の対の固定容量型電極１０６ａ、１０８ｂに提供される。図示のように、２つの信号はそれぞれ同相及び逆相である。第２のＰＷＭ駆動信号６０６、６０８はＰＷＭ電圧発生器２１６、２１８によって生成され、第２の対の固定容量型電極１０６ｂ、１０８ａに提供される。前述のように、これらの２つの信号はそれぞれ同相及び逆相である。時間軸上に示すように、２対の信号は互いに３μｓオフセットされる。具体的には、信号の対が低から高または高から低へ遷移する２つの時間は３μｓのオフセット期間だけ互いにオフセットされる。これは５０ｋＨｚにおいてそのようなマークスペース比によって達成可能な最大のオフセットであり、電荷増幅器２０２内のＡＤＣがプルーフマス１０２のサンプリングを、サンプルが最小の２μｓのオフセット期間に入ることなく行うのに十分な時間を提供する。

マークスペース比が５０：５０から離れるにつれて、最小の整定期間値を保存しながら最大のオフセットを維持するために、２対のＰＷＭ駆動信号は短縮されたオフセット期間を有することは理解されよう。

電荷増幅器２０２内のＡＤＣはプルーフマス１０２をサンプリングするのに１μｓウィンドウを必要とするので、５０ｋＨｚで動作しながら実現可能な最大のマークスペース比は３０：７０であることがわかる。このサンプリングウィンドウの持続時間は使用されるＡＤＣの仕様に完全に依存し、より短いまたはより長い場合がある。

加速度計の標準動作ｇ範囲を超えても、デバイスは上述のように機能し続けるが、電荷増幅器２０２が最小整定期間を短縮し、その代わりに適切な時刻にプルーフマス１０２をサンプリングする。したがって、最大マークスペース比はたとえば７５：２５まで拡張することができるが、性能は低下する。これは整定期間の短縮により生じる加速度計への誤差の導入によるものである。加速度計が３０ｇ付近の印加加速度に対応する７０：３０のマークスペース比まで最適に作動することは理解されよう。この値を超えても加速度計は加速度出力を依然として提供するが、３０ｇほど高精度ではない。もちろん、たとえば２μｓ未満のより短い整定期間によって、より高いｇレベルに対応するより高いマークスペース比を実現することが可能になる。

図７に様々なＰＷＭ駆動信号マークスペース比の下での一例示的サンプリングシーケンスの詳細なタイミング図を示す。簡単のため、各マークスペース比は共に同相の２つのＰＷＭ駆動信号についてのみ示している。このタイミング図の単一のブロックは１μｓの期間を表す。より暗い色の区間はＰＷＭサイクルにおける電圧「高」を表し、より明るい影付きの区間はサイクルにおける電圧「低」を表す。第１及び第２のＰＷＭ駆動信号７０２、７０４は５０：５０マークスペース比で示されており、これはゼロの印加慣性加速度に対応する。図示のように、２つのＰＷＭ駆動信号７０２、７０４は５μｓのオフセット期間だけ互いにオフセットされる。また、サンプリングタイミング１、２、３、４を図示しており、これらは電荷増幅器２０２内のＡＤＣがプルーフマス１０２から信号をサンプリングするそれぞれの１μｓウィンドウを表す。サンプリングタイミング１、２、３、４がＰＷＭ駆動信号の遷移から最小整定期間だけ、この場合は２μｓだけオフセットされることがわかる。

ＰＷＭ駆動信号７０６、７０８は６０：４０のマークスペース比を示し、これは低ｇの印加慣性加速度に対応する。前述のように、サンプリングタイミングは任意のＰＷＭ駆動信号遷移から最小整定期間だけ、この場合は２μｓだけ遅延している。この例では２つのＰＷＭ駆動信号７０６、７０８は４μｓだけ互いにオフセットされる。

ＰＷＭ駆動信号７１０、７１２は低ｇの印加慣性加速度に対応する４０：６０のマークスペース比を示すが、６０：４０マークスペース比の場合とは反対方向である。前述のように、サンプリングタイミングは任意のＰＷＭ駆動信号遷移から最小整定期間だけ、この場合は２μｓだけ遅延している。この例では２つのＰＷＭ駆動信号７０６、７０８は４μｓだけ互いにオフセットされる。

ＰＷＭ駆動信号７１４、７１６は高ｇの印加慣性加速度に対応する３０：７０のマークスペース比を示す。前述のように、サンプリングタイミングは任意のＰＷＭ駆動信号遷移から最小整定期間だけ、この場合は２μｓだけ遅延している。この例では、この３０：７０のマークスペース比は、この制御方式がサンプリングタイミングに対する２μｓの最小整定期間と、ＡＤＣサンプリングのための１μｓのウィンドウとを維持しながらサポートする最大値であることがわかる。この例では２つのＰＷＭ駆動信号７０６、７０８は３μｓだけ互いにオフセットされる。

ＰＷＭ駆動信号７１８、７２０は高ｇの印加慣性加速度に対応する７０：３０のマークスペース比を示すが、３０：７０マークスペース比の場合とは反対方向である。前述のように、サンプリングタイミングは任意のＰＷＭ駆動信号遷移から最小整定期間だけ、この場合は２μｓだけ遅延している。同様にこの例では、この７０：３０のマークスペース比は、この制御方式がサンプリングタイミングに対する２μｓの最小整定期間と、ＡＤＣサンプリングのための１μｓのウィンドウとを維持しながらサポートする最大値であることがわかる。この例では２つのＰＷＭ駆動信号７０６、７０８は３μｓだけ互いにオフセットされる。

Claims

容量型加速度計の閉ループ動作を制御する方法であって、
前記容量型加速度計が、
固定基盤と、
印加加速度に応じた検知軸に沿った面内運動のために可撓性支持脚部によって前記固定基盤に取り付けられたプルーフマスであって、前記プルーフマスが、前記検知軸に実質的に垂直に延び前記検知軸に沿って離間した複数組の可動電極フィンガを備える、前記プルーフマスと、
少なくとも２対の固定容量型電極であって、第１の対の固定容量型電極が第１の固定電極及び第４の固定電極を含み、第２の対の固定容量型電極が第２の固定電極及び第３の固定電極を含み、各固定容量型電極が、前記検知軸に実質的に垂直に延び前記検知軸に沿って離間した固定容量型電極フィンガの組を備える、前記少なくとも２対の固定容量型電極と、
を備え、
前記第１及び前記第３の固定電極の前記フィンガの組が、隣接する固定フィンガ間の中線から前記検知軸に沿って一方向に第１のオフセットを有して前記可動電極フィンガの組と噛み合うように構成され、前記第２及び前記第４の固定電極の前記フィンガの組が、隣接する固定フィンガ間の中線から前記検知軸に沿って反対方向に第２のオフセットを有して前記可動電極フィンガの組と噛み合うように構成され、
前記方法が、
第１の同相及び逆相のＰＷＭ駆動信号を前記第１の対の固定容量型電極にそれぞれ印加すること、及び、第２の同相及び逆相のＰＷＭ駆動信号を前記第２の対の固定容量型電極にそれぞれ印加することと、
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によって、前記固定容量型電極に対する前記プルーフマスの変位を検知すること、及び、前記第１及び／または前記第２のＰＷＭ駆動信号のマークスペース比を調整して、印加加速度を平衡させ前記プルーフマスをヌル位置に維持する復元力を前記プルーフマスに提供することと、
を含み、
前記第１及び前記第２の対の固定容量型電極に印加される前記第１及び前記第２のＰＷＭ駆動信号が、オフセット期間だけ互いに時間的にオフセットされる、
前記方法。
前記オフセット期間が前記マークスペース比に応じて調整される、請求項１に記載の方法。
前記ピックオフ信号を測定することが、前記第１のＰＷＭ駆動信号の遷移後に第１のサンプルを取得すること、及び、前記第１のＰＷＭ駆動信号の他の遷移後に第２のサンプルを取得することを含む、請求項１または２に記載の方法。
前記ピックオフ信号を測定することが、前記第２のＰＷＭ駆動信号の遷移後に第３のサンプルを取得すること、及び、前記第２のＰＷＭ駆動信号の他の遷移後に第４のサンプルを取得することをさらに含む、請求項３に記載の方法。
前記第１及び前記第２のサンプルの差を決定して第１の誤差信号を与えること、及び、前記第１の誤差信号を使用して前記第１のＰＷＭ駆動信号の前記マークスペース比を調整することをさらに含む、請求項３または４に記載の方法。
前記第３及び前記第４のサンプルの差を決定して第２の誤差信号を与えること、及び、前記第２の誤差信号を使用して前記第２のＰＷＭ駆動信号の前記マークスペース比を調整することをさらに含む、請求項４または５に記載の方法。
前記第１のＰＷＭ駆動信号に対応するデータを前記第２のＰＷＭ駆動信号に対応するデータから分離するために、サンプリング後に時分割多重化を行うことをさらに含む、請求項３〜６のいずれかに記載の方法。
前記第１のまたは前記第２のＰＷＭ駆動信号の遷移から所定の時間以下の整定期間後に前記プルーフマスからの前記ピックオフ信号を測定することをさらに含む、先行請求項のいずれかに記載の方法。
前記第１及び前記第２のＰＷＭ駆動信号の前記マークスペース比の値の和をとって、前記印加加速度を決定することをさらに含む、先行請求項のいずれかに記載の方法。
前記第１及び前記第２のＰＷＭ駆動信号の前記マークスペース比の値の差をとって、前記加速度計にわたる任意の温度勾配及び／または応力勾配に関する補償情報を決定することをさらに含む、先行請求項のいずれかに記載の方法。
容量型加速度計の閉ループ動作を制御するための制御装置であって、
前記容量型加速度計が、
固定基盤と、
印加加速度に応じた検知軸に沿った面内運動のために可撓性支持脚部によって前記固定基盤に取り付けられたプルーフマスであって、前記プルーフマスが、前記検知軸に実質的に垂直に延び前記検知軸に沿って離間した複数組の可動電極フィンガを備える、前記プルーフマスと、
少なくとも２対の固定容量型電極であって、第１の対の固定容量型電極が第１の固定電極及び第４の固定電極を含み、第２の対の固定容量型電極が第２の固定電極及び第３の固定電極を含み、各固定容量型電極が、前記検知軸に実質的に垂直に延び前記検知軸に沿って離間した固定容量型電極フィンガの組を備える、前記少なくとも２対の固定容量型電極と、
を備え、
前記第１及び前記第３の固定電極の前記フィンガの組が、隣接する固定フィンガ間の中線から前記検知軸に沿って一方向に第１のオフセットを有して前記可動電極フィンガの組と噛み合うように構成され、前記第２及び前記第４の固定電極の前記フィンガの組が、隣接する固定フィンガ間の中線から前記検知軸に沿って反対方向に第２のオフセットを有して前記可動電極フィンガの組と噛み合うように構成され、
前記装置が、
少なくとも２対のＰＷＭ電圧発生器であって、第１の対のＰＷＭ電圧発生器が、第１の同相及び逆相のＰＷＭ駆動信号を前記第１の対の固定容量型電極に対して生成し印加するように構成され、第２の対のＰＷＭ電圧発生器が、第２の同相及び逆相のＰＷＭ駆動信号を前記第２の対の固定容量型電極に対して生成し印加するように構成される、前記少なくとも２対のＰＷＭ電圧発生器と、
第１及び第２のＰＷＭ駆動信号サイクルごとに少なくとも４回、前記プルーフマスからピックオフ信号をサンプリングするように構成されるピックオフ信号センサと、
第１及び第２のフィードバックループであって、それぞれが前記２対のＰＷＭ電圧発生器によって生成される前記それぞれの第１及び第２のＰＷＭ駆動信号のマークスペース比を前記ピックオフ信号に応じて調整するように構成される、前記第１及び第２のフィードバックループと、
を備え、
前記第１及び前記第２のＰＷＭ駆動信号がオフセット期間だけ互いに時間的にオフセットされる、
前記制御装置。
前記オフセット期間が前記マークスペース比に応じて調整される、請求項１１に記載の装置。
前記ピックオフ信号センサが、
前記第１のＰＷＭ駆動信号の遷移後に第１のサンプルを取得し、前記第１のＰＷＭ駆動信号の他の遷移後に第２のサンプルを取得し、前記第２のＰＷＭ駆動信号の遷移後に第３のサンプルを取得し、前記第２のＰＷＭ駆動信号の他の遷移後に第４のサンプルを取得することによって、前記ピックオフ信号を測定するようにさらに構成され、
前記装置が、
前記第１及び前記第２のサンプルの差を決定して、第１の誤差信号を与えるように構成される第１のＰＷＭ復調器と、
前記第３及び前記第４のサンプルの差を決定して、第２の誤差信号を与えるように構成される第２のＰＷＭ復調器と、
前記第１の誤差信号を使用して、前記第１のＰＷＭ駆動信号の前記マークスペース比を調整するように構成される第１のデジタルループフィルタと、
前記第２の誤差信号を使用して、前記第２のＰＷＭ駆動信号の前記マークスペース比を調整するように構成される第２のデジタルループフィルタと、
をさらに備える、請求項１１または１２に記載の装置。
前記第１及び前記第２のＰＷＭ駆動信号の前記マークスペース比の値の和をとって、前記印加加速度を決定するように構成されるプロセッサをさらに備える、請求項１１〜１３のいずれかに記載の装置。
前記第１及び前記第２のＰＷＭ駆動信号の前記マークスペース比の値の差をとって、前記加速度計にわたる任意の温度勾配及び／または応力勾配に関する補償情報を決定するように構成されるプロセッサをさらに備える、請求項１１〜１４のいずれかに記載の装置。