JP4764347B2

JP4764347B2 - 静電駆動装置における信号クロストークを緩和するための変調方法

Info

Publication number: JP4764347B2
Application number: JP2006539486A
Authority: JP
Inventors: ダニエルエー．タザルテス; ジョンジー．マーク
Original assignee: ノースロップグルーマンコーポレーション
Priority date: 2003-11-14
Filing date: 2004-10-01
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2024-10-01
Also published as: WO2005052512A1; US6940433B2; EP1682854B1; EP1682854A1; CA2543558A1; JP2007511761A; US20050104756A1

Description

本発明は、一般的に言えば、マイクロ電気機械システムにおける電気的クロス結合の影響を軽減する方法に関し、さらに具体的に言えば、静電駆動装置における信号クロストーク緩和（mitigation）のための変調方法に関する。

マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ：Micro-electromechanical System）は、とりわけ共振要素の回転における変化を感知するために用いられ、共振要素として様々な異なる構造（例：ジャイロスコープ）を用いながら製造することができる。図１は、従来技術のＭＥＭＳ１００のブロック図である。これは通常の形として、静電容量ドライブ（励起駆動信号を受信して、主ピックオフ信号（例：振動（oscillatory）信号）によって検知されるような主振動運動を生成するもの）を有した主装置１０５を用いている。主ピックオフ信号の特性（例：振幅および位相）は、主ピックオフ感知装置１１０を用いて感知および制御され、当該装置１１０は励起運動計測（excitation motion measurement）を出力し、これは基本運動振幅（basic motion amplitude）の設定に用いられる。主装置１０５は、外的パラメータ（例：ジャイロの場合の角速度）に応じて二次的振動運動を発生させるために、二次的装置１１５（例：コリオリ(Coriolis)振動速度センサ）に結合される場合もある。こうした運動は、二次的ピックオフ感知装置１２０を用いて感知および制御される。二次的ピックオフ感知装置１２０は、二次的ピックオフ信号の特性の計測に用いられて、例えば２,０００Ｈｚでの開ループ出力を提供する。

ＭＥＭＳ１００には更にヌリングサーボ（nulling servo）１２５を持たせてもよい。当該サーボの入力は二次的ピックオフ感知装置１２０に結合されており、出力は二次的装置１１５に接続されている。ヌリングサーボ１２５は二次的ピックオフ信号を受信して振動フィードバック信号を生成し、当該フィードバック信号は、二次的ピックオフ感知装置１２０によって感知されるような二次的ピックオフ信号をｎｕｌｌ化するのに用いられる。結果として、所望の特性の計測値（例：ジャイロの場合の各速度計測値）となるフィードバック信号がヌリングサーボ１２５の出力において生成され、二次的装置１１５に供給される。ヌリングサーボ１２５はまた、閉ループ出力を生成する。

主装置１０５および二次的装置１１５は、主振動信号および二次的振動信号の一方または両方の機械的増幅を実現するのに用いられるHigh-Ｑ機械システムを有する。High-Ｑ機械的システムの最大反応は、実質的に正弦の振動運動に通じる共振周波数において見られる。従って、開ループ構成、閉ループ構成のいずれにおいても、主ピックオフ信号および二次的ピックオフ信号が復調されて、運動の励起周波数（すなわち、振幅および位相）は抽出または除去され、励起駆動信号によって運ばれる運動の計測値が得られる。

来型のＭＥＭＳに関する問題点の１つは、電気的クロス結合に関連する問題である。電気的クロス結合がしばしば生じるのは、ＭＥＭＳの装置および構造が、非常に小さいものであると共に、主ピックオフ信号および二次的ピックオフ信号に関して用いられる現実の可変容量との比較で見て大きな浮遊容量を発生させるからである。また、主ピックオフ信号および二次的ピックオフ信号は、励起駆動信号よりもはるかに小さい。そのため、主ピックオフ信号および二次的ピックオフ信号への励起駆動信号の電気的クロス結合は非常に生じやすく、通常避けることができない。

従来型のＭＥＭＳに関する問題点の１つは、電気的クロス結合に関連する問題である。電気的クロス結合がしばしば生じるのは、ＭＥＭＳの装置および構造が、非常に小さいものであると共に、主ピックオフ信号および二次的ピックオフ信号に関して用いられる現実の可変容量との比較で見て大きな浮遊容量を発生させるからである。また、主ピックオフ信号および二次的ピックオフ信号は、励起駆動信号よりもはるかに小さい。そのため、主ピックオフ信号および二次的ピックオフ信号への励起駆動信号の電気的クロス結合は非常に生じやすく、通常避けることができない。

そこで、本発明は、１つの実施の形態において、駆動信号とピックオフ信号との間の電気的クロス結合の影響を減らすことを目的として、駆動信号をピックオフ信号から減結合（decoupling）する方法である。当該方法は、複数のデータ値によって表現される、第１の周波数における駆動信号を提供するステップと、駆動信号の複数のデータ値の少なくとも１つを変更するステップと、そして、第２の周波数におけるピックオフ信号を生成するステップと、を有する。

また、１つの実施の形態において、本発明は、アナログ駆動信号とピックオフ信号との間の電気的クロス結合の影響を減らすことを目的として、アナログ駆動信号をピックオフ信号から区別する方法である。当該方法は、第１の周波数における周期的なデジタル信号をデジタルデータ値のストリームの形で受信するステップと、前記デジタルデータ値の少なくとも１つをランダムな形で変換するステップと、アナログ駆動信号を形成するために、前記デジタルデータ値のストリームをアナログデータ値のストリームにコンバートするステップとを有する。そして、当該方法はまた、第２の周波数で振動するように構成された共振部材に物理的に結合されたセンサを、前記アナログ駆動信号を用いて駆動するステップと、そして、ピックオフ信号の生成のために、センサが検知した共振部材の運動における変化を感知するステップと、を有する。

また、１つの実施の形態において、本発明は、駆動信号とピックオフ信号との間の電気的クロス結合の影響を減らすことを目的として、駆動信号をピックオフ信号から区別する方法である。当該方法は、第１の周波数における入力信号を複数のデータ値の形で受信するステップと、センサ駆動信号を形成するために、前記入力信号の複数のデータ値の少なくとも１つの極性をランダムな形で変化させるステップと、そして、共振部材を第２の周波数において振動するように構成するステップとを有する。そして、当該発明はまた、共振部材に物理的に結合されたセンサを、前記センサ駆動信号を用いて駆動するステップと、そして、ピックオフ信号の生成のために、センサによって共振部材の運動を検知するステップと、を有する。

本発明の実施の形態に関する、上記および他の特徴および効果については、本発明の原理を一例として示す添付図面を併せて考慮しながら以下の詳細な説明を読むことで明らかになるであろう。
本発明の様々な特徴を有する実施の形態を実装した装置について、これ以降、図面を参照しながら説明していく。本発明の実施の形態の説明のために図面とその説明文とを提示しているが、それらは本発明の範囲を限定するものではない。明細書における「１つの実施の形態」または「実施の形態」という言い方での言及は、実施の形態と関連して説明された特定の特徴、構造、あるいは特性が、本発明の少なくとも１つの実施の形態に含まれる、という意味を示すことを意図している。「１つの実施の形態における」という言い回しが本明細書のさまざまな場所に見られるが、これは必ずしも同一の実施の形態を指すものではない。全図面を通じて、参照番号は、参照される部材の間の対応を示すために繰り返し使用される。加えて、各参照番号の最初の桁は、部材が最初に現れる図面を示している。

主装置１０５および二次的装置１１５は、バイアスのある励起信号または電圧（例えば、Ｖ＝Ｖ_０＋Ｖ_ｅｃｏｓωｔ）が装置の入力に加えられることで励起される。角周波数ωまたはそれに近い共振でHigh-Ｑにおいて動作する装置の場合、ｃｏｓωという項（term）が、角周波数ωまたはそれに近い所での励起運動を生じさせる機械的な励起の大半を提供する。よって、励起電圧と励起運動とは実質的に同じ周波数にある。この状況では、主ピックオフ感知装置１１０は、角周波数ωにおける小さな運動信号を感知する。さらに、主ピックオフ感知装置１１０は、電気的クロス結合によって主ピックオフ信号の中に導入された大きな励起信号を感知する。励起電圧は実質的に励起運動と同じ周波数にあるため、励起電圧は誤って励起運動として解釈される。

１／２周波数正弦信号は、計算式（Ｖ＝Ｖ_ｅｃｏｓ1/2ωｔ）を有した、バイアスのない励起電圧とする。容量性フォーサ（forcer）の電圧励起の性質により、有効な物理的励起は、加えられる電圧の平方に比例するであろう。その結果、物理的励起は実質的に、駆動周波数の第二高調波において生じる。主装置１０５および二次的装置１１５は通常、角周波数ωまたはその近くにおける共振を伴い、High-Ｑで動作する。よって、励起電圧は、励起運動とは異なる周波数にある。つまり、励起電圧は角周波数１／２ωにあり、その一方で、励起運動は角周波数ωにある。よって、励起駆動信号から生じる電気的クロス結合は、両周波数が２対１で異なるため、主ピックオフ感知装置１１０への励起運動として現れることはない。しかしながら、励起駆動信号になんらかの歪みが存在する場合、主ピックオフ信号内に結合された励起駆動信号の第二高調波は、誤って、励起運動として再び現れる。これは特に、実質的に高調波の内容を有するデジタル駆動波形の場合には問題となるだろう。

図２はＭＥＭＳ２００のブロック図であり、当該ＭＥＭＳ２００は、主ランダム極性変換器２０５と、二次的ランダム極性変換器２１０と、そして、図３に示すような１／２周波数正弦信号（Ｖ_ｅｃｏｓ1/2ωｔ）を生成する信号生成器２１５とを有する（信号は主ランダム極性変換器２０５に供給される）。主ランダム極性変換器２０５の機能および構造は、二次的ランダム極性変換器２１０の機能および構造と同じでよい。そこで、説明を簡単にするために、主ランダム極性変換器２０５についてのみ、機能および構造を説明する。主ランダム極性変換器２０５は、１／２周波数正弦信号を信号生成器２１５から受信し、その１／２周波数正弦信号に−１または＋１を乗じて、励起駆動信号を生成する。１／２周波数正弦信号は、複数のデジタルデータ値またはアナログ（連続）データ値で表現される。励起駆動信号は、Ｖ＝ｓ（ｔ）＊Ｖ_ｅｃｏｓ1/2ωｔという式で表すことができる（式においては、ｓ（ｔ）＝±１であり、平均値ｓ（ｔ）＝０（注：ｓ（ｔ）は平均を表わすバー付き）という制限の元でランダムに決められる）。式：Ｆ∝1/2Ｖ^２ _ｅ（１＋ｃｏｓωｔ）で表現される力（force）は、二乗された電圧（voltage squared）によって極性依存が排除されているため、ｓ（ｔ）に依存しない。ランダム化プロセスは、効果的な点として、励起駆動信号を角周波数ωでの励起運動から非干渉としており、そのため、励起駆動信号が誤って励起運動として解釈される可能性が低減される。つまり、励起駆動信号からの電気的クロス結合が励起運動として解釈されることがない。励起運動は、角周波数ωやそれに近いところで生じるからである。

主ランダム極性変換器２０５には、ランダムな形または擬似ランダムな形で励起駆動信号を変換する選択的変換器２２０を持たせてもよい。それはつまり、選択的変換器２２０が、励起駆動信号を表現する１つ以上のデジタル値またはアナログデジタル値をランダムな形または擬似ランダムな形で変換する、ということである。１つの実施の形態では、選択的変換器２２０は、ランダムな形または擬似ランダムな形で「＋１」状態から「−１」状態への切り替えを行うスイッチとすることができる。また、１つの実施の形態では、選択的変換器２２０はデジタルコントローラおよびＤ／Ａコンバータを有する。前記コントローラは、定期的に１／２周波数正弦信号をサンプリングしてデジタル値を得ること、および、ランダムな形または擬似ランダムな形でデジタル値に対して符号変換を生じさせることを目的としており、前記コンバータはデジタル値を受信し、デジタル値を用いて主装置１０５を駆動するための励起駆動信号を生成することを目的としている。図３の１／２周波数正弦信号における点は、Ｄ／Ａコンバータからの出力である点を表現している。デジタルコントローラは、ランダムな形または擬似ランダムな形で１／２周波数正弦信号の特定の点を変換するかどうかを決定する。擬似ランダム生成の１つの効果は、予め規定された期間にわたって等しい数の「＋１」状態と「−１」状態とを作り出すことが可能な点である。１／２周波数正弦信号の変換に用いられる他の装置としては、線形フィードバックシフトレジスタや、その他の公知の極性選択用擬似ランダムビット生成器がある。

図４は、主ランダム極性変換器２０５によって実施される極性ランダム化を伴った、１／２周波数正弦信号を示すグラフである。図４に見られるように、極性変換は点線によって表現してある。すなわち、各点線は極性変換を表わしている。例えば、グラフ上の第３の点の極性は変換されており、従って、第２の点から第３の点の間に見られる点線は「負」から「正」への変換を示しており、第３の点から第４の点の間に見られる点線は「正」から「負」への変換を示している。別の例として、グラフ上の第８、第９、そして第１０の点の極性が変換されており、従って、第７の点から第８の点の間に見られる点線は「正」から「負」への変換を示しており、第１０の点から第１１の点の間に見られる点線は「負」から「正」への変換を示している。図に示すように、各々の点の極性はランダムな形または擬似ランダムな形で変換される。

図５は、ゼロ交差またはその近くで主ランダム極性変換器２０５によって実施される極性ランダム化を伴う形での１／２周波数正弦信号を示すグラフである。１つの実施の形態では、主ランダム極性変換器２０５が、ランダムな形または擬似ランダムな形で、１／２周波数正弦信号のゼロ交差またはその近くにおいて、ハーフサイクルごとに信号を変換する。主ランダム極性変換器２０５は、ハーフサイクルごとに、極性を切り替える場合もあれば切り替えない場合もある。図５に示すように、極性変換は、第２、第５、そして第７のハーフサイクルにおいて実施されている。

ゼロ交差またはその近くにおいて極性変換を行うのは、大きな正の値と負の値との間で切り替えが生じる事態を防止するためである。正の値から負の値への幅の大きい変移は、ノイズスパイク（noisespike）が引き起こされる原因となりうる。大きい変移を防止するに、主ランダム極性変換器２０５は、１／２周波数正弦信号の少なくとも約１ハーフサイクルの間、極性を一定に保つ。ハーフサイクルの間、極性を一定にするために、主ランダム極性変換器２０５は、１／２周波数正弦信号の現在の値（currentvalue）がゼロ交差またはその近くにあるかどうか判定し、そうであれば、ランダムな形または擬似ランダムな形で、次のゼロ交差点が検知されるまでの残りの値について極性を切り替える。そして、この次のゼロ交差点でも、主ランダム極性変換器２０５が極性を切り替える場合がある。極性はランダムな形または擬似ランダムな形で切り替えられるため、複数の連続したサイクルにわたって同じになったり、各ハーフサイクルで「−１」から「＋１」に切り替わったり、ランダムな形または擬似ランダムな形で交代したりする。１つの実施の形態では、主ランダム極性変換器２０５が、１／２周波数正弦信号のフルサイクルのゼロ交差またはその近くで極性を切り替える。

ヌリング信号、ヌリングサーボ１２５からの出力は、二次的ランダム極性変換器２１０に入力される１／２周波数正弦信号であり、この入力によって作られる二次的駆動信号は二次的装置１１５への入力となる。二次的ランダム極性変換器２１０によって用いられるランダム極性は、主ランダム極性変換器２０５によって用いられるランダム極性と異なったものとすべきであり、そうすることで、励起駆動信号が二次的駆動信号と相関しないことが保証される。これにより、励起駆動信号からの電気的クロス結合が二次的駆動信号として解釈される事態は防止される。

以上、本発明の例示的な実施の形態を示し、説明したが、当業者であれば、本発明の思想および範囲から不必要に逸脱しない形で、上のパラグラフで示したものに加えて、他にも数多くの変更、組み合わせ、省略、変形、そして代替を行うことができるであろう。つまり、本発明は、好適な実施の形態によって限定されることを意図しておらず、添付の特許請求の範囲によって規定される。

従来技術のマイクロ電気機械システムを示すブロック図であって、通常、励起駆動信号を受信して主ピックオフ信号を生成する静電容量ドライブを有した主装置を用いる、というシステムの図である。本発明の実施の形態によるＭＥＭＳのブロック図であり、主ランダム極性変換器と、二次的ランダム極性変換器と、そして、主ランダム極性変換器に供給される１／２周波数正弦信号を生成する信号生成器とを有するＭＥＭＳを示す図である。本発明の実施の形態による１／２周波数（half-frequency）正弦信号を示すグラフである。本発明の実施の形態による、極性のランダム化（randomization）を伴う１／２周波数正弦信号を示すグラフである。本発明の実施の形態による、ゼロ交差（zero crossings）やその近くにおける極性ランダム化を伴う１／２周波数正弦信号を示すグラフである。

Claims

駆動信号とピックオフ信号との間の電気的クロス結合の影響を減らすことを目的として、駆動信号をピックオフ信号から減結合（decoupling）する方法であって、
複数のデータ値によって表現される、１／２ωの周波数の駆動信号を提供するステップと、
前記駆動信号の複数のデータ値の少なくとも１つを、ランダムな形または擬似ランダムな形で正の状態から負の状態へ、または、負の状態から正の状態へ切り替えるステップと、そして、
クロス結合された駆動信号として解釈されることのないように、前記周波数とは異なるωの周波数のピックオフ信号を生成するステップと、
を含むこと、
を特徴とする方法。
二次的駆動信号を供給するステップと、
前記駆動信号に第１の極性ランダム化を施すステップと、そして、
前記二次的駆動信号に第２の極性ランダム化を施すステップと、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記第１の極性ランダム化と前記第２の極性ランダム化とは無相関であること、
を特徴とする請求項２に記載の方法。
前記駆動信号は１／２周波数正弦信号であって、前記複数のデータ値はアナログデータ値またはデジタルデータ値であること、
を特徴とする請求項１に記載の方法。
前記駆動信号の複数のデータ値の少なくとも１つを切り替えるステップは、駆動信号のゼロ交差の近くで行われること、
を特徴とする請求項１に記載の方法。
前記複数のデータ値のうち少なくとも１つを切り替えるステップは、少なくとも、駆動信号のおよそハーフサイクル毎に行われること、
を特徴とする請求項１に記載の方法。
前記複数のデータ値のうち少なくとも１つを切り替えるステップは、およそハーフサイクルの整数倍で生じること、
を特徴とする請求項１に記載の方法。
アナログ駆動信号とピックオフ信号との間の電気的クロス結合の影響を減らすことを目的として、アナログ駆動信号をピックオフ信号から区別する方法であって、
１／２ωの周波数の周期的なデジタル信号をデジタルデータ値のストリームの形で受信するステップと、
前記デジタルデータ値の少なくとも１つをランダムな形または擬似ランダムな形で正から負へ、あるいは負から正へ切り替えるステップと、
アナログ駆動信号を形成するために、前記デジタルデータ値のストリームをアナログデータ値のストリームにコンバートするステップと、
前記受信されたデジタル信号の周波数とは異なるωの周波数で振動するように構成された共振部材に物理的に結合されたセンサを、前記アナログ駆動信号を用いて駆動するステップと、そして、
ピックオフ信号の生成のために、前記センサが検知した共振部材の運動における変化を感知するステップと、
を含むこと特徴とする方法。
前記切り替えるステップは、周期的なデジタル信号のゼロ交差の近くで行われること、
を特徴とする請求項８に記載の方法。
前記切り替えるステップは、少なくとも、周期的なデジタル信号のおよそハーフサイクル毎に行われること、
を特徴とする請求項８に記載の方法。
前記切り替えるステップは、少なくとも周期的なデジタル信号のおよそハーフサイクルの整数倍で生じること、
を特徴とする請求項８に記載の方法。
駆動信号とピックオフ信号との間の電気的クロス結合の影響を減らすことを目的として、駆動信号をピックオフ信号から区別する方法であって、
１／２ωの周波数の入力信号を複数のデータ値の形で受信するステップと、
前記入力信号の複数のデータ値の少なくとも１つの極性をランダムな形で正から負へ、あるいは負から正へ切り替えるステップと、
前記入力信号の周波数とは異なるωの周波数のセンサ駆動信号を形成するステップと、
共振部材に物理的に結合されたセンサを、前記センサ駆動信号を用いて駆動するステップと、そして、
ピックオフ信号の生成のために前記共振部材の運動を検知するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
前記共振部材はマイクロ電気機械システムとジャイロスコープとで成るグループから選択されること、
を特徴とする請求項１２に記載の方法。