JP4610576B2 - マイクロマシンデバイスの駆動制御方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、互いに対向する２つの電極を有しかつそれらの間に誘電体層が形成されてなるマイクロマシンデバイスの駆動制御方法および装置に関する。

近年、マイクロマシン加工技術〔ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)またはＭＳＴ(Micro System Technology) ともいう〕により加工して得られる微小構造のマイクロマシンデバイスの無線通信回路への応用が注目されている（特許文献１〜２）。

このように、２つの電極の間に誘電体層を形成したマイクロマシンデバイスは、駆動電圧を制御することによって可変キャパシタとして機能するので、制御電圧に応じて必要な値の静電容量を得ることができる。なお、マイクロマシンデバイスは、「マイクロマシンニングデバイス」「マイクロマシン素子」または「ＭＥＭＳ機構部品」などとも呼称されることがある。

他方、近年における移動体通信システムの発展にともなって、携帯電話機（携帯電話端末）、携帯情報端末などが急速に普及している。例えば、携帯電話機においては、８００ＭＨｚ〜１．０ＧＨｚ帯および１．５ＧＨｚ〜２．０ＧＨｚ帯といった準マイクロ波帯の高周波が使用されている。このような携帯電話機のマルチバンド化に対応するためには、各バンドごとに高周波用の専用の増幅回路などが必要である。その理由は、広帯域にわたって損失の少ない伝送線路や整合回路を構成することが難しいからである。しかしこれに対処するために、可変キャパシタを用いて整合回路の広帯域化を図ることが提案されている。特に上に述べたようなマイクロマシン加工技術により製作される可変キャパシタ（「可変容量デバイス」という）は、Ｑ値が高く、損失および信号歪が少ない良好な特性を得ることができる（非特許文献１）。
特開２００２−８４１４８ 特開２００２−３６１９７ RF MEMS THEORY, DESIGN AND TECHNOLOGY, WILEY INTERSCIENCE, GABRIEL M. REBEIZ, P383

しかし、可変容量デバイスに直流電圧を印加した場合に、誘電体のチャージアップが発生することが原因となって、直流電圧を除去しても元の静電容量には戻らないという問題がある。そのため、制御電圧ＶＣに対する静電容量ＣＰの変化がヒステリシスを示すこととなり、再現性が悪く所望の静電容量ＣＰを正確に得ることができない。

すなわち、図２には、制御電圧ＶＣをゆっくりと変化させた場合の静電容量ＣＰの変化を示す曲線Ｌ１，Ｌ２が示されている。制御電圧ＶＣを、０ボルトから１２ボルトまでゆっくりと上昇させ、その後に０ボルトまで下降させ、さらにマイナス１２ボルトまで下降させ、その後に０ボルトまで上昇させる。この間において、静電容量ＣＰは、曲線Ｌ１，Ｌ２に沿った矢印のように変化し、ヒステリシスが生じる。したがって、制御電圧ＶＣが同じ値の場合でもその上昇時と下降時とでは静電容量ＣＰの値は全く異なっている。

このようなチャージアップを避けるために、本出願人は、制御電圧ＶＣの正負極性を所定の短い周期以内で反転させる反転駆動を行うことを先に提案した（特願２００７−１３２８１）。つまり、反転駆動を行うことにより、可変容量デバイスの２つの電極にプラス電圧とマイナス電圧とが交互に印加され、これによって誘電体層内に空間電荷の移動による分極を生じさせないようにし、チャージアップの発生を防ぐ。

しかし、このように反転駆動を行った場合に次のような問題が生じる。つまり、可変容量デバイスによっては、プラス側とマイナス側とで電圧対容量特性にバラツキがある。そのため、反転駆動を行った場合にそのプラス側とマイナス側とで静電容量ＣＰの値が異なってしまい、一定の容量を得ることができなくなることがある。また、通常、可変容量デバイスには、反転駆動中においても伝送信号が印加されるため、その伝送信号によるチャージアップも発生する可能性がある。

このように、初期バラツキまたは使用中に発生するチャージアップによってプラス側とマイナス側との特性が異なる可変容量デバイスの場合に、反転駆動を行ったときに静電容量ＣＰの値が変動するため、例えば整合回路に用いた場合にそれに必要な特性を維持することができない。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、可変容量デバイスを反転駆動したときのプラス側とマイナス側との静電容量の変動を抑えることを目的とする。

本発明に係る一形態の方法は、互いに対向する２つの電極を有しかつそれらの間に誘電体層が形成されてなるマイクロマシンデバイスの駆動制御方法であって、前記２つの電極の間に正負極性が交互に反転する方形波の制御電圧を印加し、前記制御電圧の印加によって前記マイクロマシンデバイスに流れる電流を正負それぞれについて検出し、検出した電流に基づいて、前記マイクロマシンデバイスの静電容量に関連するパラメータを正負それぞれについて取得し、正負それぞれについて取得したパラメータが互いに一致するように、前記制御電圧を制御する。

２つの電極の間に正負極性が交互に反転する方形波の制御電圧を印加することにより、チャージアップの発生が防止される。静電容量に関連するパラメータが正負について互いに一致するように制御電圧を制御することにより、プラス側とマイナス側との静電容量の変動が抑えられる。

本発明に係る他の一形態の方法は、方形波の立ち上がり時の電流のピーク値が所定の割合に減少するまでの時間が、正極性の方形波と負極性の方形波とで互いに等しくなるように、前記制御電圧の大きさを制御する。

本発明によると、可変容量デバイスを反転駆動したときのプラス側とマイナス側との静電容量の変動を抑えることができる。

図１は本発明の実施形態に係るマイクロマシンシステム３の例を示す図、図２は可変容量デバイス１１の制御電圧ＶＣと静電容量ＣＰとの関係を示す図、図３は反転駆動における制御電圧ＶＣの電圧波形の例を示す図、図４は駆動回路１２の例を示す図、図５は可変制御電圧ＶＣと可変容量デバイス１１に流れる電流ｉとの波形の関係を示す図、図６は電流ｉと時定数τとの関係を説明するための図、図７は静電容量ＣＰの値に応じて電流ｉの波形が変化する様子を示す図、図８は電流ｉと平均値Ｉｍとの関係を説明するための図、図９は換算テーブルの例を示す図である。

図１において、マイクロマシンシステム３は、マイクロマシンデバイスである可変容量デバイス１１、および駆動回路１２からなっている。

可変容量デバイス（可変キャパシタ）１１は、シリコンやガラスなどからなる基板２１上に、下部電極２４、および下部電極２４を覆う誘電体膜２６が形成されてなる。基板２１上には、さらに、支持膜２２，２３、および支持膜２２，２３で支持された上部電極２５が形成されている。誘電体膜２６と上部電極２５との間には空隙ＫＧが設けられている。下部電極２４と上部電極２５との間に静電容量ＣＰが存在するが、その静電容量ＣＰの大きさが、上部電極２５の変位によって可変される。

すなわち、駆動回路１２によって、下部電極２４と上部電極２５との間に制御電圧ＶＣを印可する。制御電圧ＶＣの絶対値に応じて、下部電極２４と上部電極２５との間に静電力（静電引力）が作用し、その結果、上部電極２５が引き寄せられて下方に変位する。これによって空隙ＫＧが狭まり、静電容量ＣＰの値が増大する。

制御電圧ＶＣの正負極性（プラス・マイナス）の変化は、可変容量デバイス１１の構造、寸法、および材質などにもよるが、５Ｈｚよりも速い周期、つまり２００ｍｓ以下の時間で切り換えることが好ましい。１０Ｈｚ以上（１００ｍｓ以下）とするとより一層好ましい。さらには、極性変化の周期を例えば５０〜２００Ｈｚ程度としてもよい。

いずれにしても、制御電圧ＶＣは、図３（Ａ）に示すように、正負極性がほぼ周期的に反転する矩形状の電圧である。制御電圧ＶＣの振幅である電圧Ｖｃの値は、「０」から最大値までの任意の値に設定可能である。また、制御電圧ＶＣ２として、図３（Ｂ）に示すように、正負極性の反転時に電圧が「０」である期間Ｔ２，Ｔ４を設けた波形とすることも可能である。

制御電圧ＶＣの正負極性がほぼ周期的に反転することにより、誘電体膜２６の内部に空間電荷の移動による分極が生じなくなり、また生じたとしても極僅かとなり、制御電圧ＶＣによる静電容量ＣＰの制御にヒステリシスが生じないか、またはヒステリシスが大幅に低減される。

つまり、制御電圧ＶＣの振幅の極性を短い周期で反転させることにより、図２の曲線Ｌ０で示すように、静電容量ＣＰのヒステリシスはほとんど発生しない。

次に、本実施形態における駆動方法の動作原理を説明する。

図４に示すように、可変容量デバイス１１に対し、駆動回路１２により、抵抗Ｒｄを介して制御電圧ＶＣを印加する。制御電圧ＶＣは、図５および図３（Ａ）に示すように矩形状の電圧である。この場合に、電流ｉは、図５に示すように、制御電圧ＶＣの各立ち上がり時にピーク値Ｉｓを持つ充電電流波形となる。制御電圧ＶＣの各立ち上がり時から時間ｔを経過したときの電流ｉの値は次の式によって示される。

ｉ＝Ｉｓ・ｅ（- ｔ／τ）
ここで、τは、抵抗Ｒｄと可変容量デバイス１１の静電容量ＣＰとの積で示される時定数である。

制御電圧ＶＣの振幅の大きさがプラス側およびマイナス側でともに同じＶｃであったとし、可変容量デバイス１１の特性も電圧の極性にかかわらず一定であったとすると、電流ｉのピーク値は、プラス側およびマイナス側でともに同じＩｓとなる。しかし、ここでは、通常、制御電圧ＶＣの振幅の大きさがプラス側およびマイナス側で互いに異なるように制御するので、電流ｉのピーク値を、プラス側ではＩｓｐとし、マイナス側ではＩｓｎとスる。

また、ピーク値Ｉｓの理論値は、制御電圧ＶＣの振幅、抵抗Ｒｄの値などから演算によって求めることも可能である。したがって、本明細書において「ピーク値Ｉｓを検出する」と記載した場合に、ピーク値Ｉｓを演算で求めることをも含む。

さて、抵抗Ｒｄの値を一定とすると、時定数τは静電容量ＣＰの大きさに応じて決定され、電流ｉの変化を示す曲線の軌跡も、静電容量ＣＰの大きさに応じて決定されることとなる。

図６に示すように、プラス側における電流ｉのピークが発生してから、プラス側の時定数τｐに等しい時間Ｔｓｐが経過すると、そのときの電流ｉの大きさはピーク時の電流Ｉｓｐの３６．８％となる。プラス側についても、電流ｉのピークが発生してから、マイナス側の時定数τｎに等しい時間Ｔｓｎが経過すると、そのときの電流ｉの大きさはピーク時の電流Ｉｓｎの３６．８％に低下する。

図７に示すように、静電容量ＣＰの値に応じて充電時の電流ｉの変化を示す曲線の軌跡が変化し、それに応じて、電流ｉが３６．８％に低下するまでに要する時間がＴｓ１、Ｔｓ２、Ｔｓ３と変化する。

このように、電流ｉが３６．８％に低下するまでの時間を計時することによって、時定数τが検出され、これから静電容量ＣＰの値を算出することができる。したがって、プラス側およびマイナス側の時定数τｐ、τｎを検出し、それらが予め設定された基準値に一致するように、制御電圧ＶＣのプラス側の電圧Ｖｃｐおよび／またはマイナス側の電圧Ｖｃｎを制御すれば、可変容量デバイス１１の静電容量ＣＰは目標とする値と一致しまたはほぼ一致し、かつ、プラス側とマイナス側とでバラツキがなくなって一定となる。

また、検出した時定数τｐ、τｎが互いに等しくなるように制御電圧ＶＣを制御すれば、可変容量デバイス１１の静電容量ＣＰはプラス側とマイナス側とでバラツキがなく一定となる。

また、時定数τを検出するために、電流ｉが３６．８％に低下するまでの時間を計時することなく、これ以外の任意の割合に低下するまでの時間Ｔｓを計時し、演算によって時定数τを求めるようにしてもよい。

また、時定数τが互いに等しくなるように制御する場合であれば、時定数τそれ自体を求める必要がないので、プラス側とマイナス側との任意の割合に低下するまでの時間Ｔｓを計時して、それらが互いに等しくなるように制御すればよい。

具体的には、例えば、プラス側の時間Ｔｓｐがマイナス側の時間Ｔｓｎよりも短い場合には、プラス側の電圧Ｖｃ１を微小電圧ΔＶだけ増大させる。電圧Ｖｃ１が増大することによって、可変容量デバイス１１の上部電極２５が下部電極２４の方に引き寄せられて空隙ＫＧが狭まり、静電容量ＣＰの値が増大する。これによってプラス側の時間Ｔｓｐが長くなるので、マイナス側の時間Ｔｓｎと同じになるように、自動制御を行う。

また、プラス側の時間Ｔｓｐがマイナス側の時間Ｔｓｎよりも長い場合には、プラス側の電圧Ｖｃ１を微小電圧ΔＶだけ減少させる。電圧Ｖｃ１が減少することによって、空隙ＫＧが拡がって静電容量ＣＰの値が減少する。これによってプラス側の時間Ｔｓｐが短くなるので、マイナス側の時間Ｔｓｎと同じになるように、自動制御を行う。

また、プラス側の電圧Ｖｃ１を微小電圧ΔＶだけ増減する代わりに、マイナス側の電圧Ｖｃ２を微小電圧ΔＶだけ増減してもよい。自動制御の方法それ自体については、種々の公知の方法を採用すればよい。

また、時定数τを求めるためには、時間Ｔｓを計時するのでなく、図８に示すように、電流ｉのピーク値Ｉｓと１周期Ｔ１，Ｔ２における平均値Ｉｍとを検出し、これらから演算によって時定数τを求めることもできる。この場合に、１周期Ｔ１，Ｔ２の長さ（時間）のデータも取得しておけばよい。

また、電流ｉのピーク値と１周期における平均値Ｉｍとを検出し、予め作成しておいた換算テーブルを用いて、時定数τを求めることも可能である。そのような換算テーブルは、例えば図９に示すように、電流ｉの種々のピーク値Ｉｓ１，２，３…に対して、電流ｉの平均値Ｉｍと時定数τとの関係を示すテーブルとして作成し、適当なメモリ領域に格納しておけばよい。

このような換算テーブルとして、電流ｉのピーク値Ｉｓ、平均値Ｉｍ、および時定数τの相互関係を示したデータまたはデータベースであってもよい。また、換算テーブルは、ピーク値Ｉｓおよび平均値Ｉｍなどから時定数τを求めるためのコンピュータプログラムであってもよい。また、それらの組み合わせであってもよい。

図９に示すように、平均値Ｉｍと時定数τとは一次の関係にあり、ｘｙ座標上の直線によって表すことが可能である。したがって、例えば、電流ｉの種々のピーク値Ｉｓ１，２，３…に対して、平均値Ｉｍと時定数τとの比、つまり直線の傾きａ１，２，３…を求めておき、検出されたピーク値Ｉｓに対応した傾きａと検出された平均値Ｉｍとを掛け合わせることによって、時定数τを求めてもよい。

また、平均値Ｉｍを検出する場合においても、時定数τが互いに等しくなるように制御するのであれば、時定数τそれ自体を求める必要はないので、換算テーブルなどを用いることなく、プラス側およびマイナス側におけるピーク値Ｉｓと平均値Ｉｍとを検出し、これらが所定の関係になるように制御電圧ＶＣを制御することでもよい。

なお、電流ｉのピーク値は、ピークホールド回路などによって検出すればよい。電流ｉがピーク値の３６．８％に低下するまでに要する時間は、電流ｉの変化状態をピーク値に対応して比較し、ピーク値の発生から３６．８％になった時点までを適当なタイマーで計時すればよい。平均値Ｉｍを検出するには、例えば積分回路を用いて電流ｉを一周期分蓄え、その電圧の大きさに基づいて求めればよい。これらの回路は、アナログ回路によって、またはＣＰＵなどを用いたデジタル回路によって、またはそれらの組み合わせによって、実現することが可能である。

次に、マイクロマシンシステム３のいくつかの回路の実施例について説明する。

図１０は第１実施例のマイクロマシンシステム３Ｂの回路を示す図である。

図１０において、可変容量デバイス１１は、高周波ラインＬＮ１と接地ラインＬＧとの間に、コンデンサＣ１を介して接続されている。コンデンサＣ１は、インダクタＬ１とともにバイアスティＢＴを構成し、可変容量デバイス１１の駆動のための制御電圧ＶＣが高周波ラインＬＮ１に加わるのを阻止し、かつ高周波ラインＬＮ１の搬送波周波数帯域の信号が電流検出回路３３に入り込むのを阻止する。

電流検出回路３３は、可変容量デバイス１１に流れる電流ｉを検出し、電流ｉのプラス側およびマイナス側の両方について、電流ｉに関連したパラメータＰＭを取得しまたは生成する。パラメータＰＭは、例えば上に述べた時間Ｔｓまたは平均値Ｉｍなどである。そして、そのパラメータＰＭの値が設定された基準値と一致するように、フィードバック制御が行われる。

つまり、比較器３１は、設定された基準値ＳＴと電流検出回路３３で検出されたパラメータＰＭとを比較し、その差δを増幅器３２に送る。増幅器３２は、差δを、設定された所定の倍率で増幅し、電流検出回路３３に送る。電流検出回路３３は、増幅器３２の出力に基づいて、プラス側およびマイナス側がそれぞれ所定の電圧Ｖｃ１，２となった制御電圧ＶＣを生成して出力する。基準値ＳＴとして、時定数τ、時間Ｔｓ、平均値Ｉｍ、静電容量ＣＰの値などについての目標値が設定される。

図１１は第２実施例のマイクロマシンシステム３Ｃの回路を示す図、図１２はマイクロマシンシステム３Ｃの電圧／τ値変換回路４１，４２の構成を示す図、図１３はフィードバック回路４３の構成を示す図、図１４は電圧／τ値変換回路４１，４２の具体例を示す回路図、図１５はフィードバック回路４３の具体例を示す回路図である。

図１１において、第１実施例の場合と同様に、可変容量デバイス１１に対し、バイアスティＢＴを用いて制御電圧ＶＣを印加する。制御電圧ＶＣによって可変容量デバイス１１に流れる電流ｉを、抵抗Ｒｄにより電圧Ｖｉに変換して検出する。電圧Ｖｉは、差動増幅器４０によって差動増幅され、プラス側とマイナス側とがそれぞれダイオードＤ１ｐ，Ｄｎを介して電圧／τ値変換回路４１，４２に入力される。電圧／τ値変換回路４１と４２とは同じものでるので、一方についてのみ説明する。

図１２に示す電圧／τ値変換回路４１において、差動増幅器４０から入力された信号に基づいて、ピーク値検出部４１１でピーク値Ｉｓが検出され、平均値検出部４１３で平均値Ｉｍが検出される。ピーク値Ｉｓは、変換回路４１２において、平均値校正用電圧Ｖｈに変換される。平均値Ｉｍは、ゲイン制御アンプ４１４において増幅される。その際に、ゲイン制御アンプ４１４に、平均値校正用電圧Ｖｈが制御電圧として入力され、制御電圧に応じたゲインで増幅が行われる。これによって、ゲイン制御アンプ４１４からは時定数に対応したτ値が出力される。

図１３に示すフィードバック回路４３において、プラス側の電圧／τ値変換回路４１から出力されたτ値、およびマイナス側の電圧／τ値変換回路４２から出力されたτ値が、差動増幅器４３１によって、プラス側のτ値の基準値ＳＴまたはマイナス側のτ値の基準値ＳＴと、それぞれ比較され、それぞれの差が出力される。出力されたそれぞれの差に対して、ＰＩＤ制御回路４３２において、ＰＩＤ制御のための種々の演算が行われる。例えば、プラス側とマイナス側との差が和演算される。なお、ＰＩＤ制御回路４３２には積分回路が設けられ、この積分回路によって、フィードバックの積分時間が設定される。フィードバック回路４３の出力は、制御電圧ＶＣとともに可変容量デバイス１１に印加されることとなる。

図１４において、ピーク値検出部４１１でピーク値Ｉｓがホールドされ、検出される。平均値検出部４１３で平滑され、平均値Ｉｍが検出される。変換回路４１２において、図９に示す「傾きａ」に相当する電圧が発生される。ゲイン制御アンプ４１４では、変換回路４１２からの出力に基づいて、そのゲインがａ倍に設定されており、このゲイン制御アンプ４１４によって、平均値検出部４１３から出力された平均値Ｉｍが増幅される。これによって、ゲイン制御アンプ４１４からは時定数に対応したτ値が出力される。

図１５において、プラス側のτ値と基準値ＳＴ、およびマイナス側のτ値と基準値ＳＴが、それぞれ、差動増幅器４３１によって差演算される。それぞれの出力は、ＰＩＤ制御回路４３２において、それぞれ積分回路によって積分され、それぞれの出力が加算される。

図１６は第３実施例のマイクロマシンシステム３Ｄの回路を示す図、図１７はマイクロマシンシステム３Ｄにおける処理動作を示すフローチャートである。

図１６において、第２実施例の場合と同様に、可変容量デバイス１１に対し、バイアスティＢＴを用いて制御電圧ＶＣを印加する。制御電圧ＶＣによって可変容量デバイス１１に流れる電流ｉを、抵抗Ｒｄにより電圧Ｖｉに変換して検出する。電圧Ｖｉは、差動増幅器５１によって差動増幅され、プラス側とマイナス側とにおいてそれぞれＡ／Ｄ変換器５２によって量子化されてデジタルデータとなる。このデジタルデータは、プラス側およびマイナス側のそれぞれの電流ｉについての時系列の波形データを含んでいる。

デジタルデータは、ＣＰＵ５４に入力され、これに対して種々の演算が行われる。ＣＰＵ５４での演算によって、ピーク値Ｉｓ、時間Ｔｓ、および平均値Ｉｍなどを必要に応じて検出することができる。ＣＰＵ５４またはその周辺回路に、上に述べた換算テーブルを格納しておいてもよく、そうすることによって、電流ｉのピーク値と平均値Ｉｍとから時定数τを求めることができる。また、図には示していないが、ＣＰＵ５４には、時定数τ、時間Ｔｓ、平均値Ｉｍ、静電容量ＣＰの値などについての基準値ＳＴを設定することが可能である。基準値ＳＴの設定のために、キ−ボード、タッチパネル、その他の図示しない種々の入力手段が設けられる。設定された基準値ＳＴは、適当なメモリ領域に記憶される。ＣＰＵ５４からの出力は、Ｄ／Ａ変換器５３によって電圧に変換され、制御電圧ＶＣとして可変容量デバイス１１に印加される。

図１７において、反転駆動を行っている状態で、電流ｉについてのデータを、時系列の電流波形として読み込む（＃１１）。次に待機する（＃１２）。この待機時間の長さによって、フィードバック制御における積分時間が決定される。

次に、電流ｉのピーク値Ｉｓを算出する（＃１３）。電流ｉがピーク値Ｉｓの３６．８％に低下するまでの時間Ｔｓを算出する（＃１４）。時間Ｔｓおよび抵抗Ｒｄの値に基づいて、ＣＰ＝Ｔｓ／Ｒｄによって静電容量ＣＰの値を算出する（＃１５）。

算出した静電容量ＣＰの値が、基準値ＳＴとして設定された静電容量の目標値よりも大きい場合は（＃１６でイエス）、制御電圧ＶＣの電圧Ｖｃから微小電圧ΔＶを差し引く（＃１７）。微小電圧ΔＶは、例えば、Ａ／Ｄ変換器５２およびＤ／Ａ変換器５３のビット数によって決定される分解能の最小単位に合わせておいてもよい。また、算出した静電容量ＣＰの値が、基準値ＳＴよりも小さい場合は（＃１８でイエス）、制御電圧ＶＣの電圧Ｖｃに微小電圧ΔＶを加える（＃１９）。

このような処理をプラス側およびマイナス側について繰り返して実行し、算出される静電容量ＣＰの値が基準値ＳＴとして設定された静電容量の目標値に一致するように自動制御する。

次に、フローチャートの他の例について説明する。

図１８はマイクロマシンシステム３Ｄにおける処理動作の他の例を示すフローチャートである。

図１８において、反転駆動を行っている状態で、電流ｉについてのデータを読み込む（＃２１）。電流ｉのピーク値Ｉｓを算出する（＃２２）。傾きａを算出する（＃２３）。電流ｉの平均値Ｉｍを算出する（＃２４）。換算テーブルから時定数τを求める（＃２５）。求めた時定数τが基準値ＳＴとして設定された時定数よりも大きい場合は（＃２６でイエス）、制御電圧ＶＣの電圧Ｖｃから微小電圧ΔＶを差し引く（＃２７）。求めた時定数τが基準値ＳＴよりも小さい場合は（＃２８でイエス）、制御電圧ＶＣの電圧Ｖｃに微小電圧ΔＶを加える（＃２９）。そして、一定時間待機する（＃３０）。この待機時間が制御応答時間となる。

図１７の場合と同様に、このような処理をプラス側およびマイナス側について繰り返し、算出される時定数τの値が基準値ＳＴとして設定された時定数の目標値に一致するように自動制御する。

図１９はマイクロマシンシステム３Ｄにおける処理動作のさらに他の例を示すフローチャートである。

図１９において、制御電圧ＶＣを印加して反転駆動を行っている状態で（＃３１）、可変容量デバイス１１に流れる電流ｉを正負それぞれについて検出する（＃３２）。検出した電流ｉに基づいて、可変容量デバイス１１の静電容量ＣＰに関連するパラメータＰＭを、正負それぞれについて取得する（＃３３）。そのようなパラメータＰＭとして、上に述べたような時間Ｔｓ、平均値Ｉｍなどを用いることが可能である。

正負それぞれについて取得したパラメータＰＭが互いに一致するように、制御電圧ＶＣを制御する（＃３４）。

図２０はマイクロマシンシステム３Ｄにおける処理動作の他の例を示すフローチャートである。

図２０において、ステップ＃４１〜４３は、上のステップ＃３１〜３３と同じである。ステップ＃４４において、正負それぞれについて取得したパラメータＰＭが、正負それぞれについて設定された基準値ＳＴにそれぞれ一致するように、制御電圧ＶＣを制御する。

上に述べた実施形態によると、反転駆動を行うことにより、可変容量デバイス１１の２つの電極２４，２５にプラス電圧とマイナス電圧とが交互に印加され、これによって誘電体膜２６内に空間電荷の移動による分極を生じさせないようにし、チャージアップの発生を防ぐことができる。しかも、可変容量デバイス１１のプラス側とマイナス側との静電容量ＣＰの変動を抑えることができる。その結果、可変容量デバイス１１による静電容量ＣＰの値を制御電圧ＶＣによって正確に制御することができる。

このように、可変容量デバイス１１の静電容量ＣＰの再現性が良好となり、回路に必要な特性を維持することができるので、可変容量デバイス１１を種々の回路に適用することができる。

上に述べた実施形態において、可変容量デバイス１１の構造、形状、材料、個数などは、種々変更することができる。その他、マイクロマシンシステム３，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄの全体または各部、各回路の構成、構造、形状、個数、回路定数、制御電圧ＶＣの波形、極性の切り替えのタイミング、周期または周波数、フローチャートにおける処理の内容または順序などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。

マイクロマシンデバイスとして可変容量デバイスを例に用いて説明したが、これ以外に、制御電圧ＶＣによりチャージアップが発生する可能性のあるその他のマイクロマシンデバイスについても適用することが可能である。例えば、可変容量デバイスとしては用いないマイクロマシンデバイスについても、本実施形態のように駆動制御することにより、静電容量が一定に維持されることにともなう種々の効果を期待することができる。

以上、本発明の実施形態をいくつかの実施例とともに説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、次に付記として示すような種々の形態で実施することが可能である。
（付記１）
互いに対向する２つの電極を有しかつそれらの間に誘電体層が形成されてなるマイクロマシンデバイスの駆動制御方法であって、
前記２つの電極の間に正負極性が交互に反転する方形波の制御電圧を印加し、
前記制御電圧の印加によって前記マイクロマシンデバイスに流れる電流を正負それぞれについて検出し、
検出した電流に基づいて、前記マイクロマシンデバイスの静電容量に関連するパラメータを正負それぞれについて取得し、
正負それぞれについて取得したパラメータが互いに一致するように、前記制御電圧を制御する、
ことを特徴とするマイクロマシンデバイスの駆動制御方法。
（付記２）
互いに対向する２つの電極を有しかつそれらの間に誘電体層が形成されてなるマイクロマシンデバイスの駆動制御方法であって、
前記２つの電極の間に正負極性が交互に反転する方形波の制御電圧を印加し、
前記制御電圧の印加によって前記マイクロマシンデバイスに流れる電流を正負それぞれについて検出し、
検出した電流に基づいて、前記マイクロマシンデバイスの静電容量に関連するパラメータを正負それぞれについて取得し、
正負それぞれについて取得したパラメータが、それぞれ設定された基準値に一致するように、前記制御電圧を制御する、
ことを特徴とするマイクロマシンデバイスの駆動制御方法。
（付記３）
互いに対向する２つの電極を有しかつそれらの間に誘電体層が形成されてなるマイクロマシンデバイスの駆動制御方法であって、
前記２つの電極の間に正負極性が交互に反転する方形波の制御電圧を印加するとともに、
前記方形波の立ち上がり時の電流のピーク値が所定の割合に減少するまでの時間が、正極性の方形波と負極性の方形波圧とで互いに等しくなるように前記制御電圧の大きさを制御する、
ことを特徴とするマイクロマシンデバイスの駆動制御方法。
（付記４）
互いに対向する２つの電極を有しかつそれらの間に誘電体層が形成されてなるマイクロマシンデバイスの駆動制御方法であって、
前記２つの電極の間に正負極性が交互に反転する方形波の制御電圧を印加するとともに、
前記方形波の立ち上がり時の電流のピーク値が所定の割合に減少するまでの時間が所定の設定値となるように、前記制御電圧の大きさを制御する、
ことを特徴とするマイクロマシンデバイスの駆動制御方法。
（付記５）
前記所定の割合は３６．８パーセントであり、
前記所定の設定値は、前記２つの電極の間の静電容量に対し前記制御電圧によって充電を行う際の時定数τに等しい、
付記４記載のマイクロマシンデバイスの駆動制御方法。
（付記６）
互いに対向する２つの電極を有しかつそれらの間に誘電体層が形成されてなるマイクロマシンデバイスの駆動制御方法であって、
前記２つの電極の間に正負極性が交互に反転する方形波の制御電圧を印加するステップと、
前記方形波の立ち上がり時の電流のピーク値を検出するステップと、
前記方形波による電流の平均値を検出するステップと、
検出された前記ピーク値および前記平均値から時定数τを求めるステップと、
求めた時定数τが設定値よりも大きい場合に、当該極性の制御電圧の絶対値を小さくするステップと、
求めた時定数τが設定値よりも小さい場合に、当該極性の制御電圧の絶対値を大きくするステップと、
を有することを特徴とするマイクロマシンデバイスの駆動制御方法。
（付記７）
前記時定数τを求めるステップにおいて、
前記方形波によって静電容量を充電する場合の、電流のピーク値、電流の平均値、および時定数τの関係を予め求めて得た時定数データを格納しておき、当該時定数データを用いて、当該時定数τを求める、
付記６記載のマイクロマシンデバイスの駆動制御方法。
（付記８）
互いに対向する２つの電極を有しかつそれらの間に誘電体層が形成されてなるマイクロマシンデバイスの駆動制御装置であって、
前記２つの電極の間に正負極性が交互に反転する方形波の制御電圧を印加する制御電圧印加手段と、
前記制御電圧の印加によって前記マイクロマシンデバイスに流れる電流を正負それぞれについて検出する電流検出手段と、
検出した電流に基づいて、前記マイクロマシンデバイスの静電容量に関連するパラメータを正負それぞれについて取得する手段と、
正負それぞれについて取得したパラメータが互いに一致するように、前記制御電圧を制御する手段と、
を有することを特徴とするマイクロマシンデバイスの駆動制御装置。
（付記９）
互いに対向する２つの電極を有しかつそれらの間に誘電体層が形成されてなるマイクロマシンデバイスの駆動制御装置であって、
前記２つの電極の間に正負極性が交互に反転する方形波の制御電圧を印加する制御電圧印加手段と、
前記方形波の立ち上がり時の電流のピーク値が所定の割合に減少するまでの時間を計測する手段と、
計測された前記時間が正極性の方形波と負極性の方形波とで互いに等しくなるように前記制御電圧の大きさを制御する制御手段と、
を有することを特徴とするマイクロマシンデバイスの駆動制御装置。
（付記１０）
互いに対向する２つの電極を有しかつそれらの間に誘電体層が形成されてなるマイクロマシンデバイスの駆動制御装置であって、
前記２つの電極の間に正負極性が交互に反転する方形波の制御電圧を印加する制御電圧印加手段と、
前記方形波の立ち上がり時の電流のピーク値が所定の割合に減少するまでの時間を計測する手段と、
計測された前記時間が所定の設定値となるように前記制御電圧の大きさを制御する制御手段と、
を有することを特徴とするマイクロマシンデバイスの駆動制御装置。

本発明の実施形態に係るマイクロマシンシステムの例を示す図である。 可変容量デバイスの制御電圧と静電容量との関係を示す図である。 反転駆動における制御電圧の電圧波形の例を示す図である。 駆動回路の例を示す図である。 可変制御電圧と可変容量デバイスの電流との波形の関係を示す図である。 電流と時定数との関係を説明するための図である。 静電容量の値に応じて電流の波形が変化する様子を示す図である。 電流と平均値との関係を説明するための図である。 換算テーブルの例を示す図である。 第１実施例のマイクロマシンシステムの回路を示す図である。 第２実施例のマイクロマシンシステムの回路を示す図である。 マイクロマシンシステムの電圧／τ値変換回路の構成を示す図である。 フィードバック回路の構成を示す図である。 電圧／τ値変換回路の具体例を示す回路図である。 フィードバック回路の具体例を示す回路図である。 第３実施例のマイクロマシンシステムの回路を示す図である。 マイクロマシンシステムにおける処理動作を示すフローチャートである。 処理動作の他の例を示すフローチャートである。 処理動作の他の例を示すフローチャートである。 処理動作の他の例を示すフローチャートである。

符号の説明

３，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ マイクロマシンシステム
１１ 可変容量デバイス
１２ 駆動回路
２４ 下部電極（電極）
２５ 上部電極（電極）
２６ 誘電体膜（誘電体層）
３１ 比較器
３２ 増幅器
３３ 電流検出回路
４０ 差動増幅器
４１，４２ 電圧／τ値変換回路
４３ フィードバック回路
ＣＰ 静電容量
ＶＣ 制御電圧
Ｔｓ，Ｔｓｐ，Ｔｓｎ 時間
Ｉｓ，Ｉｓｐ，Ｉｓｎ ピーク値
ＳＴ 基準値（設定値）
Ｉｍ 平均値
τ 時定数

Claims (5)

1. 互いに対向する２つの電極を有しかつそれらの間に誘電体層が形成されてなるマイクロマシンデバイスの駆動制御方法であって、
   前記２つの電極の間に正負極性が交互に反転する方形波の制御電圧を印加し、
   前記制御電圧の印加によって前記マイクロマシンデバイスに流れる電流を正負それぞれについて検出し、
   検出した電流に基づいて、前記マイクロマシンデバイスの静電容量に関連するパラメータを正負それぞれについて取得し、
   正負それぞれについて取得したパラメータが互いに一致するように、前記制御電圧を制御する、
   ことを特徴とするマイクロマシンデバイスの駆動制御方法。
2. 互いに対向する２つの電極を有しかつそれらの間に誘電体層が形成されてなるマイクロマシンデバイスの駆動制御方法であって、
   前記２つの電極の間に正負極性が交互に反転する方形波の制御電圧を印加するとともに、
   前記方形波の立ち上がり時の電流のピーク値が所定の割合に減少するまでの時間が、正極性の方形波と負極性の方形波とで互いに等しくなるように、前記制御電圧の大きさを制御する、
   ことを特徴とするマイクロマシンデバイスの駆動制御方法。
3. 互いに対向する２つの電極を有しかつそれらの間に誘電体層が形成されてなるマイクロマシンデバイスの駆動制御方法であって、
   前記２つの電極の間に正負極性が交互に反転する方形波の制御電圧を印加するステップと、
   前記方形波の立ち上がり時の電流のピーク値を検出するステップと、
   前記方形波による電流の平均値を検出するステップと、
   検出された前記ピーク値および前記平均値から時定数τを求めるステップと、
   求めた時定数τが設定値よりも大きい場合に、当該極性の制御電圧の絶対値を小さくするステップと、
   求めた時定数τが設定値よりも小さい場合に、当該極性の制御電圧の絶対値を大きくするステップと、
   を有することを特徴とするマイクロマシンデバイスの駆動制御方法。
4. 前記時定数τを求めるステップにおいて、
   前記方形波によって静電容量を充電する場合の、電流のピーク値、電流の平均値、および時定数τの関係を予め求めて得た時定数データを格納しておき、当該時定数データを用いて、当該時定数τを求める、
   請求項３記載のマイクロマシンデバイスの駆動制御方法。
5. 互いに対向する２つの電極を有しかつそれらの間に誘電体層が形成されてなるマイクロマシンデバイスの駆動制御装置であって、
   前記２つの電極の間に正負極性が交互に反転する方形波の制御電圧を印加する制御電圧印加手段と、
   前記制御電圧の印加によって前記マイクロマシンデバイスに流れる電流を正負それぞれについて検出する電流検出手段と、
   検出した電流に基づいて、前記マイクロマシンデバイスの静電容量に関連するパラメータを正負それぞれについて取得する手段と、
   正負それぞれについて取得したパラメータが互いに一致するように、前記制御電圧を制御する手段と、
   を有することを特徴とするマイクロマシンデバイスの駆動制御装置。

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