JP3894587B2 - 回転速度を感知するためのマイクロマシン化された速度センサシステム、および寄生駆動電圧を最小にする方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の分野】
この発明は速度センサへの寄生駆動電圧の影響を最小にすること、より特定的には、モータの動きおよび回転速度を的確に感知するための簡単かつ効果的な装置および方法に関する。
【０００２】
【関連技術の説明】
マイクロマシン化されたシリコンの速度センサは、多くの競合する技術を超えて、コストおよびサイズ面での非常に大きい利点を提供すると期待されている。マイクロマシン化された速度センサは典型的には、起伏が多く、本質的に平均がとれ、物理的に小さく、低コストで製造できる単結晶シリコン“共振構造”ジャイロである。今日の半導体産業では典型的であるバッチ処理技術を用いることで、面積が数平方ミリメートルより小さい、何千もの同一のセンサが同時に製造できる。マイクロマシン化処理技術を利用すると、肉眼で見える既存の装置を超える、サイズおよびコスト面での大きな利点が提供される。小さいマイクロマシンのジャイロチップはシリコンウェハ製造技術に関連した固有の低コスト性を利用し、同時に、自動車でのような多くの用途に適する感度および起伏性を提供する。
【０００３】
速度感知ジャイロ（ＲＳＧ）は、非減衰ばね質量機械システムに類似している。動作の原理は広義では共振構造装置を用いるが、これは励起されると質量、たとえば検定質量（proof mass）を感知する構造に速度を誘起する。励起されると、検定質量はばね質量システムの自然共振周波数（ＮＲＦ）で発振するであろう。この発振は外部の増幅回路によって維持でき、これは正確な周波数および位相でエネルギをフィードバックさせ、機械構造に原因があるいかなる損失にも取って代わる。ばねに結合された検定質量からなる共振システムに角速度が加えられると、加えられた角速度の大きさに非常に直線的に比例する対応する力が質量に誘起される。この力によって、較正可能であり、速度インジケータとなる電気信号を生成することができる。
【０００４】
発振信号で質量を駆動するために静電コームが利用されてもよい。装置が感知軸の周りを回転すると、振動する質量の運動に小さい変化が起こる。感知軸は質量が運動する平面に平行であり、質量の速度に垂直である。コリオリ効果により質量はその運動の原平面から、わずかに回転速度に比例する量だけ発振する。コリオリの力は質量の運動に直交して（９０度で）作用する力として説明されてきた。したがって、質量偏向を測定することで回転速度の決定が可能となる。
【０００５】
しかしながら、低コストな速度センサに欠点がないわけではない。感知された速度を示す正確な電圧信号を抽出するのがしばしばマイクロマシン化技術において困難であるということが発見された。このような信号を測定するために、複雑かつ極めて敏感な電子工学が典型的に必要である。しかしながら、処理電子工学装置へ駆動電圧信号が不所望に貫通することで出力感知信号に悪影響が与えられる傾向があり、駆動信号の量だけ信号が歪められる。この寄生駆動電圧が存在するのは、センサ製造ならびに電子工学動作および処理において欠点があり、これによって、静電結合機構が駆動電圧をモータ位置出力信号および感知された速度信号に直接結合するからである。
【０００６】
２つの結合をなす配置は誤差の原因として作用する。駆動電圧はモータ位置に直角であり、駆動電圧とモータ位置との結合はモータ位置信号の位相に回転を起こす。モータ位置の正確な位相の決定は感知された速度の信号処理に重要である。さらに、駆動電圧は感知された速度と同位相であるので、駆動電圧と速度感知ピックオフとの結合は誤った速度“バイアス”を誘起する。この誤ったバイアスは、通常検知されるような角速度と比較して非常に大きい誤差項を加える。駆動電圧に誘起されたバイアスは典型的に、実際に感知される速度の所望の全範囲より１／１００だけ大きい。
【０００７】
たとえば、センサ感知軸は、感知された速度に比例する電荷信号を生成する。典型的には、速度センサ出力の電荷の大きさは感知された速度の１秒当たり１度につき６×１０^-18 クーロンのオーダである。この信号は非常に小さく、電圧に変換されると、感知された速度がわずかであるとノイズから区別がつかなくなる。こうして、駆動電圧が質量のＮＲＦにあると、感知された信号は駆動電圧ピックアップにより悪影響を受ける傾向があるので、ノイズ増幅の原因であると示されてきた寄生容量または電圧を制限することが重要になる。
【０００８】
感知された速度に駆動電圧が貫通する問題は、感知された速度と、ＮＲＦに加えられた運動とを周波数多重することによって対処されてきた。周波数多重化は別個の周波数トーンを検定質量感知プレートに加えることで達成されてきた。加えられた角速度はこのトーンを乗算し、ＮＲＦに加えられたトーンと加えられた速度との積である感知された速度トーンを生成する。さらに、信号処理は感知された信号が感知されたトーンおよびＮＲＦで復調されることを必要とする。この方法は感知ピックオフへの駆動電圧の貫通を効果的に除去する。しかしながら、感知されたモータ位置へ駆動電圧が不所望に結合されるという問題は除去されない。
【０００９】
より特定的には、図１に示されるようにマイクロマシンコーム駆動回路１００は従来の発振器として動作する。初めに電力をオンにしたときには発振はなされない。しかしながら、ある量のノイズが回路で発生し、増幅器１１２、１１６および１２４からなるループで増幅される。このノイズ成分は、フラットホワイトノイズに帰すべきものであり、これはセンサのＮＲＦと同位相である成分を有し、これは信号のこの成分を束縛なしに成長し続けさせる。信号は最後に乗算器１１８、低域フィルタ１２０、および自動利得制御エレメント１２２によって束縛される。
【００１０】
増幅器１１６によって増幅された信号は、乗算器１１８および低域フィルタ１２０を含むＲＭＳコンバータによって検出され、低域フィルタは信号をＤＣ電圧に変換する。ＤＣ値は自動利得制御装置１２２の１つの端子に加えられる。したがって、増幅器１１６から出る信号は補償器１１０および別の増幅器１２４に供給され、自動利得制御１２２の第２の端子に入力される。自動利得制御エレメント１２２は発振の振幅を調整し、運動の振幅を正確に制御する。補償器は位置から速度へ変換する機能を行ない、ループの位相を０に維持して発振を持続させる。
【００１１】
さらに、貫通を除去しようとする別の試みは、駆動電圧からモータ力への変換の“二乗法”の性質を利用することでモータに多重周波数を組入れることを含む。モータの外部コームに加えられた駆動電圧は、モータで力をで生成し、これは加えられた電圧の二乗（Ｖ² ）である。加えられた力がＮＲＦと予め負荷を与えられたＤＣ電圧成分とである場合、力は（ＤＣ＋ＮＲＦ）² になる。これは展開するとＤＣ² ＋２＊ＤＣ＊ＮＲＦ＋ＮＲＦ² になる。中間項“２＊ＤＣ＊ＮＲＦ”がモータで力を生成することが認識される。ＮＲＦでの貫通を防ぐためのある方法は、どちらもＮＲＦでない２つの付加的な周波数トーンでモータを駆動することを必要とする。しかしながら、トーンがモータによる強制転送機能で二乗されると、ＮＲＦにある力成分が生成される。こうして、ＮＲＦにあるいずれの駆動電圧周波数トーンも除去される。
【００１２】
図２に例示されるように、多重周波数発振器の動作は、基準周波数２３２を加えた基本発振器に類似していることが理解できる。第２の周波数は任意の値であってもよく、これは（２２４で）センサのＮＲＦと乗算され、加算増幅器２２８で積と加算される。したがって、信号は増幅され、結果として生じる信号は、任意に選択された基準信号とモータＮＲＦとの積に基準周波数を加算したものである。結果として生じる信号は増幅器に加えられ、したがってモータに加えられる。増幅器２３０の出力は次に増幅され、自動利得制御回路２２２で調整され、増幅器２１２で増幅され、次にセンサ２１４へ加えられる。センサ２１４は電圧を力に変換し、これは加えられた力と二乗され、その結果生じる周波数はモータのＮＲＦにある。
【００１３】
図１の装置と対比すると、２周波数発振器は、増幅器２２４、加算増幅器２２８、および基準周波数２３２を加えた増幅および調整ループにおいて異なる。しかしながら、このシステムの効率は基本モータ周波数発振器の効率の４分の１にすぎないことがわかった。２周波数発振器は、信号処理から取除くのが困難である不所望な相互変調トーンを発生する傾向がある。このスプリアストーンは２周波数駆動の不所望の副産物である。トーンはセンサの“感知平面外の”モードと一致する場合劣化する。このセンサモードは避けられず、スプリアストーンと一致するモードのためにセンサを拒絶するためのスクリーニングには典型的にコストがかかり、歩留りを制限する傾向にある。
【００１４】
さらに、スプリアストーンは処理通過帯内にある場合には必ず、感知された速度出力に生じ得る。これは直接注入によって生じることも、または、センサ速度処理の結果として通過帯に折返される（aliased ）ので生じることもある。しかしながら、不必要なトーンのためにフィルタすることで検出処理回路に負担が加えられる。こうして、駆動回路は基本モータ駆動発振器よりも複雑かつ高価になる傾向がある。しかしながら、２周波数発振器が基本モータ周波数発振器よりも望ましくない場合もあるが、適用を制限する貫通の問題を克服するために２周波数発振器を用いることが有利な場合もある。
【００１５】
このように、前述された方法は寄生駆動電圧ピックアップのいくつかの問題を解決するが、これらの方法は寄生駆動電圧ピックアップを、複雑な変調および復調回路を加えることと引換えに達成し、または、所望の信号を抽出するために加算増幅器または乗算器を必要とするスプリアストーン生成加算方法によって達成する。これらの方法はいずれも、低コストな集積回路処理において効率的に達成するのが困難である、かなりの量の回路を必要とする。
【００１６】
【発明の概要】
したがって、この発明の目的は、速度感知システムで寄生駆動電圧貫通の制限する効果を実質的に最小にする装置および方法を提供することである。好ましい実施例では、この発明は駆動モータＮＲＦで寄生駆動電圧結合を最小にすることによってセンサコーム駆動の問題に対処する。
【００１７】
この発明の実施例によると、これらの目的および他の目的は、多重静電コームに結合された複数の感知検定質量またはプレートを含むマイクロマシン化されたセンサコーム駆動装置および方法によって達成される。感知された回転速度が平面外の力を感知プレートに作用させるように、コーム駆動増幅器はプレートの平面に沿って感知プレートの運動を誘起する。モータコームは半ＮＲＦで駆動され、駆動周波数の２倍である、駆動の運動の成分を生成する。コーム駆動増幅器は、デジタルの“２による分割”フリップフロップ（ＦＦ）、波形整形フィルタ、増幅器、および複数の信号増幅器を含む半周波数モータ発振器に結合される。半周波数発振器はセンサのフィードバック経路に設けられ、半ＮＲＦで駆動電圧を提供する。したがって、この発明の実施例はモータ周波数で寄生駆動貫通を除去し、高まった効率を提供する。
【００１８】
【詳細な説明】
以下の説明はこの発明を実行する、目下考案されている最良の方法である。添付の図面では、同じ数字は同じ部分を示す。この説明はこの発明の実施例の一般的な原則を例示するためになされるものであり、限定を加えるという意味合いで理解されるべきではない。この発明の範囲は前掲の請求項に関連して決定されるべきである。
【００１９】
この発明の実施例は、センサの性能を劣化し得る、ＮＲＦでの寄生駆動電圧に関連した欠点を補い、防ぐ。２による分割フリップフロップと組合せられた基本駆動回路の簡潔さを利用し、コーム３４０、３４４、３４６、および３４２はモータのＮＲＦの半分で駆動されて駆動周波数の２倍で力を生成することができる。結果として、モータＮＲＦで駆動電圧は生じず、全入力エネルギの半分が使用可能な駆動エネルギに移される。より特定的には、力は駆動電圧の二乗に等しいことが知られている。したがって、ＮＲＦ周波数の半分で、力波形は入力電圧波形の周波数の２倍であり、加えられた力の半分がＮＲＦで力に変換される。加えられた力の別の半分はＤＣ力であり、いかなる有益な機能も行なわない。
【００２０】
マイクロマシン化された速度センサの実施例が図３に例示される。速度センサには複数のコーム３４０、３４２、３４４、３４６が備えられ、これらは感知プレートまたは検定質量３１０および３１２に静電気的に結合される。コームおよび検定質量には重なる歯が設けられる。一般的に、感知プレートまたは検定質量３１０および３１２が、駆動コームおよび検定質量の組合せを含むモータのＮＲＦで振動するとセンサは動作する。ノイズの振幅がモータの自然共振周波数の周囲で増大するように、十分な利得および位相を検定質量と直列に加えることで、検定質量の運動は一定の振幅で持続することができる。
【００２１】
検定質量は本質的にコンデンサであり、コームおよび検定質量の間の結合はＲＬＣ誘導コンデンサおよび抵抗器回路網に類似している。感知された回転速度は平面からの力を検定質量または感知プレートに作用させ、プレート容量、および、これに均等な感知プレート電荷が駆動周波数で変調される。感知プレート電荷変調は加えられた速度に直線的に比例するので、回転感知増幅器３２８を感知プレートに結合して電荷を電圧に変換することができる。こうして、回転感知増幅器３２８は感知プレート３１０および３１２で変化する容量を感知する。本質的に、回転感知増幅器３２８は、モータの運動と直角をなして作用するコリオリ運動をモータで感知する。
【００２２】
図３に示されるように、モータの端部にある２つのコーム３４０および３４２はコーム駆動増幅器３２２によって駆動される。増幅器３２２はコーム３４０および３４２を駆動し、共振振動を生成する。モータでの動きは次に、モータ位置感知増幅器３２０と呼ばれる高利得増幅器によってピックオフエレメント３５０で感知される。これもまた中央モータとして知られるピックオフエレメント３５０は２つの中央コーム３４４および３４６からなる。ピックオフエレメント３５０からの信号はコンデンサ３１６を介してモータ位置感知増幅器３２０に入力される。
【００２３】
コンデンサ３１６はプレートからの電位によってＤＣ電圧を防ぐ。コンデンサ３１６および３１９は、バイアス電圧が入り、感知増幅器３２０および３２８を飽和することを防ぐ。バイアス抵抗器３１４はコンデンサ３１６および接地の間に結合され、コンデンサ３１６に電荷を確立し、ＤＣバイアスを加える。電荷増幅器信号は次に半周波数発振器内で処理され、コーム駆動３２２に与えられる。感知プレートの運動、たとえば、法線方向の運動と直角をなす、検定質量の運動は電荷を電荷増幅器３２８に入力する。励起した方向への感知プレートの運動の周波数であるシステムＮＲＦで、電荷は対応する電圧に増幅される。
【００２４】
こうして、電圧はＮＲＦ駆動電圧結合から逃れる。上述されたように、ＮＲＦ駆動電圧結合を除去することは重要であり、これは、この段階で駆動電圧に誘起された信号が別の方法では感知された速度から区別がつかないかもしれないからである。同様に、感知された速度として解釈され得る、非調波に関連したスプリアストーンと信号が混同されない。
【００２５】
図４を参照すると、増幅器４１６はモータ位置、すなわちプレート容量を感知し、容量を電圧に変換する。この電圧は増幅され、補償器４１０で位相補償される。モータの運動の周波数はフリップフロップ回路４２４によって半分に分割され、フィルタ４２６を介して整形される。フィルタ信号は次に増幅器４２８で増幅されて自動利得エレメント４２２に加えられる。自動利得エレメントのための基準は増幅器４１６での信号の振幅を乗算器４１８および低域フィルタ４２０において感知することで確立される。低域フィルタ４２０および乗算器４１８は振幅をＤＣ電圧に変換し、自動利得制御回路４２２で利得を制御する。自動利得制御回路４２２の出力は調整された駆動信号であり、これは、増幅器４１２によって（図３ではセンサ３４８と特定される）センサ４１４に別に駆動され、ここではセンサ入力に悪影響を及ぼす貫通電圧は最小となっている。
【００２６】
こうして、半周波数信号は電圧がセンサに入力されることを可能にし、これは感知された速度信号を汚染する寄生駆動電圧の問題を防ぐ。この発明のセンサの実施例は、低価格な部品を用いてあまり複雑でない、的確な速度検出および測定をもたらす。フリップフロップ４２４を単に加えるだけで基本発振器は半周波数発振器に変換される。このような簡潔さによって、半周波数発振器そのものがＣＭＯＳアプリケーションのためのスタンドアローン集積回路として魅力的になる。
【００２７】
半周波数駆動は、ＮＲＦで速度および貫通を決定するための復調基準として用いられるモータ位置感知増幅器で貫通を除去する。半周波数駆動は速度ピックオフ感知増幅器においても貫通を除去し、これによって、所望のフルスケール速度感知性能より本質的に大きくなり得るいかなる間違った速度バイアスをも最小にする。さらに、上述された多重周波数発振器と異なり、スプリアストーンが除去される。半周波数駆動は、基本周波数の半分の奇数波長にあるトーンのみを含む。
【００２８】
半周波数発振器は、本質的に駆動効率が高まるために有利でもある。たとえば、駆動効率は２周波数方法に対して２倍大きい。これは、低電力、低電圧の自動車のアプリケーションのような、ある低電圧アプリケーションにとって重要である。この型の器具では、通過帯に折返し（alias ）、感知された出力速度でジャンプを引起こし得る不必要なトーンの発生が特に懸念される。半周波数発振器はスプリアストーンを発生しないので、不必要な周波数も生成されない。
【００２９】
駆動またはモータ周波数を半分に分割するために別の電気部分が用いられてもよいことが理解される。たとえば、位相同期ループまたは再生発振器／分割器は２による分割機能を達成できる。このような方法は満足な結果を生むが、この明細書で説明されたとおりのフリップフロップよりも複雑になり得る。さらに、この発明の実施例は、当業者に明白になるように別のアプリケーションに適用されてもよいことが理解される。
【００３０】
ここで開示された実施例はあらゆる点において例示的であり、制限的でないことが考慮されるべきである。この発明の範囲は上述の説明よりむしろ前掲の請求項によってのみ制限されるべきであり、したがって、請求項の均等物の目的および範囲内で生じるあらゆる変化はこの明細書に含まれると意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】先行技術である基本周波数発振器のブロック図である。
【図２】先行技術である２周波数発振器のブロック図である。
【図３】この発明の好ましい実施例によるマイクロマシンセンサの成分図である。
【図４】図３のセンサに従った半周波数モータ発振器のブロック図である。
【符号の説明】
３１０ 検定質量
３１２ 検定質量
３４０ コーム
３４２ コーム
３４４ コーム
３４６ コーム
４００ 半周波数モータ発振器

Claims (15)

1. 回転速度を感知するためのシステムであって、
   少なくとも１つの検定質量と、
   検定質量に結合された少なくとも１つのばねとを含み、ばねと検定質量とのアセンブリは関連した自然共振周波数（ＮＲＦ）を有し、このシステムは、
   各検定質量に静電気的に結合された複数のコームと、
   複数のコームに結合され、少なくとも１つの検定質量により規定された平面で各検定質量にＮＲＦの機械的な運動を誘起するための駆動手段とを含み、駆動手段は駆動周波数を有し、検定質量およびコームの配置は、検定質量が運動する平面に平行である感知軸を規定し、さらに、コームは前記アセンブリの関連したＮＲＦの半分である前記駆動周波数の駆動電圧により駆動され、このシステムは、
   速度センサシステムが感知軸の周りを回転するときの検定質量の運動を感知するための感知手段を含み、検定質量の運動は検定質量の偏向によって規定され、このシステムはさらに、
   検定質量の偏向を測定し、回転速度を決定するための測定手段を含む、システム。
2. 駆動手段は、
   複数のコームを駆動するためのコーム駆動増幅器と、
   前記アセンブリの関連したＮＲＦの半分で複数のコームを駆動するための半周波数モータ発振器とを含む、請求項１に記載のシステム。
3. 半周波数モータ発振器はフリップフロップとそれに直列に結合されたフィルタとを含み、自然共振周波数の半分で駆動電圧を提供する、請求項２に記載のシステム。
4. 回転速度を感知するためのマイクロマシン化された速度センサシステムであって、
   少なくとも１つの検定質量と、
   各検定質量に静電気的に結合された複数のコームと、
   複数のコームに結合され、少なくとも１つの検定質量により規定された平面で各検定質量に速度および測定可能な検定質量とコームとの自然共振周波数（ＮＲＦ）の機械的な運動を誘起するための励起手段とを含み、検定質量およびコームの配置は、検定質量が運動する平面に平行であり、検定質量の速度と垂直である感知軸を規定し、励起手段は、検定
   質量およびコームが自己発振するＮＲＦの半分の駆動電圧により複数のコームを駆動するための半周波数モータ発振器を含み、このシステムは、
   検定質量と関連したコームとのアセンブリが感知軸の周りを回転するときの、検定質量の運動および速度を感知するための感知手段を含み、検定質量の速度および運動は検定質量の偏向によって規定され、このシステムはさらに、
   検定質量の偏向を測定し、回転速度を決定するための測定手段を含む、システム。
5. 複数のコームに関連した検定質量の速度は、検定質量およびコームが自己発振する自然共振周波数（ＮＲＦ）と関連付けられる、請求項４に記載のシステム。
6. 励起手段は、
   駆動電圧で複数のコームを駆動するためのコーム駆動増幅器を含み、駆動電圧はＮＲＦと関連付けられる、請求項４に記載のシステム。
7. 半周波数モータ発振器はフリップフロップとそれに直列に結合された第１のフィルタとを含み、半ＮＲＦで駆動電圧を提供する、請求項６に記載のシステム。
8. 請求項７に記載のシステムであって、さらに、
   複数のコームに関した検定質量の運動を検知し、増幅器の出力を含む電圧に運動を変換するための増幅器と、
   増幅器に結合され、増幅器の出力に移相を提供するための補償器と、
   補償器に結合された乗算器とを含み、乗算器は出力を有し、このシステムは、さらに、
   乗算器に結合され、乗算器の出力をフィルタするための低域フィルタと、
   第２の低域フィルタに結合され、調整された駆動信号を含む出力を有する利得制御回路と、
   複数のコームを駆動する駆動増幅器とを含み、共振器補償器の出力はセンサシステムに入力され、回転速度を決定する、請求項７に記載のシステム。
9. フリップフロップおよび第１のフィルタは出力を有し、出力は利得制御回路に入力される、請求項８に記載のシステム。
10. 関連したコームに静電気的に結合された複数の感知プレートを有するマイクロマシン化されたジャイロ速度センサを駆動する方法であって、感知プレートおよびコームは固有の自然共振周波数（ＮＲＦ）で互いに関連して機械的に振動運動し、この方法は、
    検定質量およびコームが自己発振するＮＲＦの半分の駆動電圧によりコームを駆動するステップを含む、方法。
11. 自己発振するステップは、
    電圧をコームに供給するステップと、
    増幅器および位相補正回路網を介してＡＣ駆動電圧を重ね合わせるステップとを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 回転速度および位置を感知するための方法であって、
    複数のコームに静電気的に結合された複数の検定質量を電気的に励起するステップを含み、静電気的に励起するステップは、検定質量およびコームが互いに関連して機械的に振動する自然共振周波数（ＮＲＦ）の半分となる周波数の駆動電圧により複数のコームを駆動するステップを含み、この方法は、
    関連したコームに関した各検定質量に運動および速度を誘起するステップを含み、検定質量およびコームの配置は、検定質量が運動する平面に平行であり、検定質量の速度と垂直である感知軸を規定し、この方法は、
    検定質量が感知軸の周りを回転するときの、検定質量の運動における偏向を感知するステップと、
    検定質量の偏向を測定し、回転速度を決定するステップとを含む、方法。
13. 関連したコームに関した各検定質量に速度を誘起するステップは検定質量および関連したコームがそれらのＮＲＦで自己発振するステップを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 請求項１２の記載の方法であって、さらに、
    感知増幅器を検定質量に結合し、検定質量の偏向量を決定するステップを含み、感知増幅器は出力を有し、この方法は、
    感知増幅器の出力が補償器に入力されるように、補償器を感知増幅器に結合するステップと、
    フリップフロップを補償器に結合し、半ＮＲＦで検定質量およびコームに駆動電圧が提供されるようにするステップを含む、請求項１２に記載の方法。
15. 請求項１４に記載の方法であって、
    検定質量の偏向を電圧に変換するステップと、
    感知増幅器の出力を乗算するステップと、
    乗算された出力をフィルタするステップと、
    フィルタされた出力を利得制御回路を介して調整し、調整された駆動信号を生成するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。

Images