JP6604389B2 - 共振器振幅制御システムおよび共振器振幅制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、微小電気機械（ＭＥＭＳ）デバイスの駆動方法および駆動システムに関する。より具体的には、本発明は、機械共振器と、当該機械共振器の機械振動振幅を安定化する駆動ループ回路とを備える微小電気機械センサデバイスおよび方法に関する。

微小電気機械システム、つまり、ＭＥＭＳは、少なくともいくつかの素子が機械的機能を有する小型機械システムおよび電気機械システムとして定義できる。ＭＥＭＳデバイスは、集積回路を作成するのに使用されるツールと同一または類似のツールで作成されるため、超小型機械および超小型電子機器を同一シリコン上に製造することができる。

ＭＥＭＳ構造体は、物理的特性の非常に小さな変化を迅速かつ正確に検出するのに用いることができる。例えば、超小型電子ジャイロスコープは、非常に小さな角度変位を迅速かつ正確に検出するのに用いることができる。

運動の自由度は、３つの直角方向への並進と３本の直交軸を軸とする回転で定義される６自由度である。後者は、ジャイロスコープとしても知られる角速度センサによって測定できる。

ジャイロスコープは、角速度を検出するデバイスである。ＭＥＭＳジャイロスコープでは、機械振動を一次運動として用いる。振動型ジャイロスコープが、一次運動の方向と直交する角運動にさらされると、角運動の角速度と一次運動の速度とに比例する波状のコリオリ力が、一次運動に対してπ／２位相がずれて発生する。これにより、検知モードまたは検出運動ともいわれる、一次運動および角運動の軸と直交する二次振動が、一次振動と同じ周波数で生じる。この連成振動の振幅は、角速度の大きさの尺度として用いることができる。ここで、角速度の大きさという用語は角速度の絶対値のことを指す。

誘導型磁力計では、懸架コイルを磁場に置き、選択軸を軸にして周期的に振動させる。電磁誘導により、コイルに電圧が発生する。電圧は、角振動によりコイルを介した磁場の変化に比例し、磁場の尺度として用いることができる。
［関連技術］

共振器という用語は、入力変換器を用いて振動運動を発生させる機械的共振器のことを指す。入力変換器は機能素子であり、別個の素子でも、共振器構造体の一部でもよい。従来のＭＥＭＳジャイロスコープの一次共振器、または、誘導型磁力計のコイル共振器は、共振器の共振周波数で振動する力により励振される。簡略化するために、この種の従来の共振周波数共振器駆動も共振駆動と呼んでもよい。また、ジャイロスコープなどのＭＥＭＳデバイスは、デバイスのＭＥＭＳ部分に少なくとも１つの二次共振器を備えてもよい。以下、共振器という用語は、ジャイロスコープの一次共振器、および、共振器を１つしか備えない微小電気機械センサデバイスの単一共振器のことを指す。振幅制御を適用しなければ、共振器の機械振動振幅は大きくなり、Ｑ値とも呼ばれる品質係数によってよく特徴づけられる共振器の機械的消散と励振力とによって決まる定常状態値に近づく。振動共振器の振幅が大きくなるエンベロープの例を図１に示す。振動振幅は、最初ゼロから始まり、ゆっくりと安定振幅の定常状態に近づいていく。この例では、定常状態になるのに１２０００振動サイクル数以上かかる。

実際のジャイロスコープおよび／または実際の誘導型磁力計では、共振器振動振幅は、最大可能値より小さな値に能動的に制限される。こうする重要な理由の１つは、自励振幅がＱ値の変化に反応し過ぎることである。Ｑ値が例えば３０％減少すると、振動振幅も３０％減少する。さらに、入力変換器で生成された機械共振器への最大励振力は、通常、比較的厳密な立ち上がり時間要件に応じて設計されるので、ＭＥＭＳデバイス共振器のスタートアップ段階は不必要に延長されない。このため、通常は、より長い立ち上がり時間をかけて所定振幅に達するように、より大きな励振力が必要になるであろう。

振幅の制限および制御は、共振器の運動を振幅検出器で感知して、制御器部を介して自動ゲイン制御（ＡＧＣ）増幅器に負のフィードバックを行うことにより所望の値に安定化する自動ゲイン制御器を用いて実現できる。ＭＥＭＳ共振器を駆動する従来のＡＧＣ型フィードバック構成の例を図２に示す。発振器９０は、ＡＧＣ増幅器９５に安定電気振動信号を入力する。制御器２７０は、出力変換器１２０によって示される出力振幅値に基づいてＡＧＣ増幅器９５のゲインを制御する。当該出力振幅値は、振幅検出器２８０で検出される。出力変換器は機能素子であり、別個の物理的素子でも、共振器構造体の一部でもよい。図３は、最大振幅を±２任意単位に制限するように振幅制御した場合の、図２の回路における共振器の振動振幅のエンベロープを示している。振幅が所定値に達すると、振幅制御機能は、数１００振動サイクル数が発生した後に振幅制限を開始し、その後、振幅は定常を維持する。

実際のＭＥＭＳセンサにおける課題のひとつは、機械共振器を駆動するのに必要な大振幅入力ＡＣ信号と、コリオリ力または誘導によって生じる小振幅信号の比が同一の周波数を有する可能性があることである。しかしながら、センサデバイスを正しく動作させるためには、これらの信号を厳密に分ける必要がある。図４は、ＭＥＭＳジャイロスコープデバイスにおける、いわゆる容量結合の問題を示している。ＭＥＭＳジャイロスコープにおいて、機械共振器部分は、２つの共振器、一次共振器１００ａと二次共振器１００ｂとを備える。容量結合作用は、入力変換器１１０と二次出力変換器１２０ｂとを結合するコンデンサ２５０を用いて説明される。二次出力変換器１２０ｂから出力される望ましい出力信号の他に、検出結果を誤ったものにする可能性がある望ましくない容量結合信号量がこの出力から受信する信号に含まれる。したがって、好ましくは、一次共振器１００ａの入力変換器１１０から二次共振器１００ｂの出力変換器１２０ｂへの望ましくない容量結合を最小化すべきである。

容量結合は、例えば、一次変換器の入力から二次変換器の出力までの容量をできるだけ小さく設計することによって、あるレベルまで最小化できる。また、一次入力または二次出力もしくはその両方が差動構造であってもよく、インターフェース回路、配線、および、ＭＥＭＳ部分のレイアウトの完全な対称性によって、容量結合をゼロにすることができる。実際には、サイズおよび／または費用の制約もしくは製作公差のため、完全に最適化される設計はできないかもしれない。このように、各デバイスの個々の調整および／または較正なしに完全に分けることは実際問題としてできない。設計によって取り除くことができない容量結合のその他の部分を、容量結合、または、残存容量結合と呼ぶことができる。主要な課題のひとつに、容量結合は時間および温度と共に変動し、この変動はコリオリ力による誘導信号の変動から容易に分けることができないということがある。従来のＡＧＣ方法において、容量結合信号量は、許容温度範囲にわたって５０％ほどになるかもしれない共振器のＱ値変動に従う。

残存容量結合の影響を少なくするためには、２つの条件が望まれる。第１条件として、Ｑ値の変動に関係なく、容量結合を一定にすべきである。一定容量結合量が多いほど、少量だが大きく変動する容量結合より容易に対処できることが実際に分かった。例えば、検出電子機器において一定の誤差を考慮しやすいと考えられる。第２条件として、容量結合信号は、コリオリ力による誘導電気信号に対して直交位相であるべきである。当該技術分野で周知のとおり、直交位相とは、π／２±ｎ×πの位相のずれ、ただし、ｎは整数、を示す。容量結合、つまり、容量結合信号が、コリオリ力または電磁誘導で発生した信号に対して直交位相である場合、コリオリ信号または電磁誘導信号の位相検波により除去されるかもしれない。

従来のジャイロスコープでは、共振器が−π／２の位相のずれを引き起こし、コリオリ作用が＋π／２の位相のずれを引き起こすので、全体的な位相のずれは０であり、上記条件のうちの後者を満たさない。容量負荷への容量結合は位相のずれを引き起こさない。したがって、容量結合信号は、コリオリ信号と同位相（０±ｎ×π）である。ジャイロスコープの第１共振器および第２共振器の周波数が完全に一致する場合に限り、第２共振器は、−π／２の位相のずれを引き起こす。これは、能動的な周波数制御によってのみ得られる。このような稀な場合、さらなる−π／２の位相のずれが生じ、容量結合信号は、コリオリ信号に対して直交位相になるであろう。本発明の解釈上、周波数の完全一致は用いられないとみなされ、従来のジャイロスコープにおいて、容量結合は同位相信号を引き起こす。

従来のジャイロスコープの例として、欧州特許出願公開第２３６０４４８号明細書は、機械振動を生成して振動振幅を安定化するシステムを開示しており、フィードバック型発振器を用いて、振動を継続させ、かつ、ＭＥＭＳ共振器の共振周波数に近い発振周波数を自動生成する。共振器のＱ値が変動している可能性がある間、機械振動振幅を一定に保つために、可変ゲイン増幅器を用いて、制御器により生成された制御電圧に応じて駆動ＡＣ電圧を調整する。この変動ＡＣ駆動電圧により、Ｑ値変動に応じた可変容量クロス結合が生じるであろう。

米国特許出願公開第２０１５０２７６４０５号明細書では、機械振動を生成して振動振幅を安定化するシステムが開示されており、フィードバック型発振器を用いて、振動を継続させ、かつ、ＭＥＭＳ共振器の共振周波数に近い発振周波数を自動生成する。ＰＩＤ制御器とチャージポンプとによって生成される可変制御電圧から高レベルの可変ＡＣ電圧を生成するために、ＨＶ駆動器が設けられる。この変動ＡＣ駆動電圧により、Ｑ値変動に応じた可変容量クロス結合が生じるであろう。

上記第１条件が達成される場合もあり、ＤＣバイアス電圧を制御するために振幅を安定化する負のフィードバックを適用することによって、静電変換器を有する従来のジャイロスコープで実現されることが多い。図５に示す先行技術解決策の例では、増幅器２６０を用いて、ＤＣバイアス電圧が入力変換器に入力される。増幅器２６０から入力されるＤＣバイアス電圧レベルは、振幅検出器２８０で検出された出力変換器１２０の出力ＡＣ信号の検出振幅に基づいて、制御器２７０によって制御される。ＤＣバイアス電圧は、共振器１００の共振周波数で発振する発振器２９０からの一定振動振幅のＡＣ電圧信号と加算され、統合されたＡＣ電圧とＤＣ電圧とが入力変換器１１０に供給される。

図５の解決策は、容量変換器を有するＭＥＭＳデバイスによく適しているが、ＤＣバイアス電圧は、通常、圧電デバイスに印加されないので、圧電変換器を用いるＭＥＭＳデバイスにおいて実行可能なものではない。圧電材料の内部一定分極のため、圧電変換器において力を生成するには単なるＡＣ電圧で十分であり、既定のＡＣ電圧で圧電デバイスにより生成された力の大きさをさらなるＤＣ電圧で変えることはできない。共振器を励振させる圧電変換器を用いるＭＥＭＳデバイスなど、電気励振型共振器を有するどんなタイプのＭＥＭＳデバイスとでも用いることができる、振幅を安定化する方法およびデバイスが必要である。

本発明の目的は、上述した先行技術の課題を少なくとも解決する方法および装置を提供することである。本発明の目的は、請求項１の特徴部分に係る方法で実現される。さらに、本発明の目的は、請求項１１の特徴部分に係る微小電気機械センサで実現される。

本発明の好適な実施の形態は、従属請求項で開示される。

本発明は、周波数が機械共振器の共振周波数からずれている基本的に一定振幅の入力ＡＣ電圧で駆動する変換器を用いて、機械共振器を励振させる励振力（別名、駆動力）を生成するという概念に基づくものである。本発明の実施の形態の説明において、入力ＡＣ電圧という用語は、基本的に一定の振動振幅を有するＡＣ電圧のことを指す。基本的に一定とは、例えば、発振器および／または増幅器の駆動段階の特性に影響する二次要因のために若干の振幅変動が起こり得ることを意味する。しかしながら、入力ＡＣ電圧の振幅は、機械振動の振幅を安定化するように能動的には調整されない。共振周波数駆動に比べて、入力ＡＣ電圧振幅の機械共振器のＱ値への依存度が大幅に減るので、入力ＡＣ電圧の振幅は維持されて基本的に一定と見なせる。機械共振器の変動は、機械共振器の共振周波数からずれた周波数を有する交流力で励振される。変動の振幅は、励振力の周波数を調整すること、特に、機械共振器の共振周波数の周波数差から励振力の周波数差を調整することで調整してもよい。振幅調整は、機械共振器の振動振幅を所望の一定値で維持する制御器回路およびフィードバックループ回路で実現されてもよい。機械発振器を励振させる機械力は、入力変換デバイスによって生成されてもよい。当該入力変換デバイスは、基本的に一定振幅の入力ＡＣ電圧を用いて、機械共振器の共振周波数からずれた所望の周波数で駆動する。言い換えると、入力ＡＣ電圧の振動振幅はいつでも基本的に一定のままであり、入力ＡＣ電圧の周波数のずれを制御して機械振動の振幅を安定化する。入力ＡＣ電圧が基本的に一定振幅であれば、入力ＡＣ電圧と検出信号の容量結合量が確実に基本的に一定となるので、容量結合された望ましくない信号を検出信号から比較的容易に補償または取り除くことができる。

フィードバックループにおいて、励振力を引き起こす駆動入力ＡＣ電圧と機械共振器から入力された検出振動波形との位相差を、共振周波数より下または上に励振周波数を制限する中間制御パラメータとして用いてもよい。

第１態様によれば、微小電気機械センサデバイスの機械共振器の機械振動の振幅を安定化する方法が提供される。当該方法は、入力変換器によって、前記機械共振器を振動励振力で前記機械振動に励振させ、基本的に一定振幅の入力ＡＣ電圧で前記入力変換器を駆動し、当該入力ＡＣ電圧での駆動は、前記機械共振器の共振周波数から第１周波数差分ずれた周波数において起こる。前記第１周波数差は、前記機械振動の振幅を安定化するように設定される。

第２態様によれば、前記第１周波数差を調整することによって基本的に所定の一定値で前記機械振動の振幅を維持することにより安定化する。

第３態様によれば、前記出力ＡＣ電圧の検出振幅とプリセット目標振幅値との検出振幅差に基づいて、前記第１周波数差の調整を制御する。

第４態様によれば、前記入力ＡＣ電圧と前記出力ＡＣ電圧との第１位相差を検出する。入力ＡＣ電圧は、機械共振器への振動励振力を誘導するように構成される。前記第１周波数差は、前記第１位相差に基づいて制御される。

第５態様によれば、前記出力ＡＣ電圧を位相シフトさせ、当該位相シフトにより位相シフト済出力ＡＣ電圧を生成する。

第６態様によれば、前記位相シフト済出力ＡＣ電圧と前記入力ＡＣ電圧との第２位相差を検出し、前記第２位相差に基づいて前記第１周波数差を制御する。

第７態様によれば、前記位相シフト済出力ＡＣ電圧を増幅することによって前記入力ＡＣ電圧を生成する。

第８態様によれば、電圧制御発振器によって、前記入力ＡＣ電圧を生成する。

第９態様によれば、前記微小電気機械センサデバイスは、ジャイロスコープまたは誘導型磁力計を備える。

第１０態様によれば、前記第１周波数差は、前記共振周波数の±０．０００１倍〜±０．００１倍である。

第１装置態様によれば、機械共振器と、前記機械共振器の機械振動の振幅を安定化する駆動ループ回路とを備えた微小電気機械センサデバイスが提供される。当該微小電気機械センサデバイスは、前記機械共振器を振動励振力で前記機械振動に励振させる入力変換器とを備える。前記駆動ループ回路は、基本的に一定振幅の入力ＡＣ電圧で前記入力変換器を駆動し、当該入力ＡＣ電圧での駆動は、前記機械共振器の共振周波数から第１周波数差分ずれた周波数において起こる。前記第１周波数差は、前記機械振動の振幅を安定化するように設定される。

第２装置態様によれば、前記駆動ループ回路は、さらに、前記第１周波数差を調整することによって所定の一定値で前記機械共振器の機械振動の振幅を維持することにより安定化するフィードバック回路を備える。

第３装置態様によれば、微小電気機械センサデバイスは、さらに、前記機械振動によって誘導される出力ＡＣ電圧を出力する出力変換器を備え、前記フィードバック回路は、前記出力ＡＣ電圧の検出振幅とプリセット目標振幅値とに基づいて、前記第１周波数差の調整を制御する振幅制御回路を備える。

第４装置態様によれば、前記フィードバック回路は、さらに、前記入力ＡＣ電圧と前記出力ＡＣ電圧との第１位相差を検出する位相検出回路を備える。入力ＡＣ電圧は、機械共振器への振動励振力を誘導するように構成される。前記第１位相差に基づいて前記第１周波数差を制御する制御器回路を備える。

第５装置態様によれば、前記振幅制御回路は、前記出力ＡＣ電圧を位相シフトさせ、当該位相シフトにより位相シフト済出力ＡＣ電圧を生成する。

第６装置態様によれば、前記フィードバック回路は、さらに、前記位相シフト済出力ＡＣ電圧と前記入力ＡＣ電圧との第２位相差を検出する位相検出回路と、前記第２位相差に基づいて前記第１周波数差の調整を制御するＰＬＬ制御器回路とを備える。

第７装置態様によれば、前記駆動ループ回路は、前記位相シフト済出力AC電圧を増幅することによって前記入力AC電圧を生成する増幅器を備える。

第８装置態様によれば、前記駆動ループ回路は、前記入力AC電圧を生成する電圧制御発振器を備える。

第９装置態様によれば、前記微小電気機械センサデバイスは、ジャイロスコープまたは誘導型磁力計である。

第１０装置態様によれば、前記第１周波数差は、前記共振周波数の±０．０００１倍〜±０．００１倍である。

本発明の利点は、機械共振器を安定機械振動に励振させる機械共振器の入力変換器を駆動するのに必要な入力ＡＣ電圧が、機械共振器のＱ値、または、共振器の振動振幅と必要入力ＡＶ電圧との関係を変える他の要因に基本的に左右されないことである。すなわち、安定化システムの必要入力ＡＣ電圧は、ほんのわずかしか機械共振器のＱ値に左右されない。開示した方法を用いることにより、一定振動振幅を維持するのに必要な励振力に影響を与えるＱ値または他のパラメータが、環境の変化、機械的または電気的乱れ、部品の経年劣化など類似の理由によって変化したとしても、機械振動の振幅を基本的に所望の一定値で有益に保つことができる。本発明の実施の形態は、この発明原理を用いた機械共振器の駆動ループを実装する回路を開示している。

本発明は、安定振幅の機械振動を誘導する必要はあるが、振動周波数の高度な安定性が必要ないＭＥＭＳセンサデバイスにおいて特に役立つ。上述したように、このようなＭＥＭＳセンサの例は、ジャイロスコープおよび誘導型磁力計であるが、本発明は、安定振幅の機械振動が必要な他のタイプのＭＥＭＳデバイスにも等しく適用できる。明確化のため、周知のローレンツ力磁力計は、当該新方法および装置の適用候補から除外されなければならない。ローレンツ力磁力計では、機械振動振幅を検出するが、その値は出力量として用いられ、振幅の安定化は用いられない。したがって、振動を安定化すると、実際問題として当該デバイスは劣化するであろう。

以下、添付の図面を参照して、好適な実施の形態と関連付けて本発明をより詳細に説明する。
図１は、振動共振器の振幅が大きくなるエンベロープを示す図である。 図２は、ＡＧＣフィードバックループを有するＭＥＭＳデバイスを示す図である。 図３は、ＡＧＣを有する振動共振器の振幅が大きくなるエンベロープを示す図である。 図４は、ＭＥＭＳジャイロスコープにおける容量結合を示す図である。 図５は、ＤＣバイアスを用いたＭＥＭＳデバイスを示す図である。 図６は、Ｑ値が異なる共振器の周波数応答を示す図である。 図７は、相対的な周波数のずれの関数として位相差を示す図である。 図８ａは、共振ゲインの関数として入力ＡＣ電圧の同位相成分を示す図である。 図８ｂは、共振ゲインの関数として入力ＡＣ電圧の位相がずれた成分を示す図である。 図９は、過渡応答エンベロープを示す第１図である。 図１０は、過渡応答エンベロープを示す第２図である。 図１１は、図１０のエンベロープの一部の拡大図である。 図１２は、過渡応答エンベロープを示す第３図である。 図１３は、図１２のエンベロープの一部の拡大図である。 図１４は、位相差の関数として共振ゲインを示す図である。 図１５は、駆動ループ回路を有するＭＥＭＳセンサデバイスの実施の形態１を示す図である。 図１６は、駆動ループ回路を有するＭＥＭＳセンサデバイスの実施の形態２を示す図である。 図１７は、駆動ループ回路を有するＭＥＭＳセンサデバイスの実施の形態３を示す図である。 図１８は、駆動ループ回路を有するＭＥＭＳセンサデバイスの実施の形態４を示す図である。

以下の実施の形態は一例である。本明細書では、「単数」、「１つ」、または、「いくつか」の実施の形態を参照するが、これは必ずしも、このような各引用が同じ実施の形態であることを意味するわけでも、特徴が実施の形態１つのみに当てはまることを意味するわけでもない。異なる実施の形態の特徴をそれぞれ組み合わせて、さらに別の実施の形態としてもよい。

本願で用いられているとおり、「回路」という用語は、（ａ）ハードウェアのみの回路実装、例えば、個別部品および／または集積部品を備えるアナログおよび／またはデジタル回路のみの実装、（ｂ）回路とソフトウェア（および／またはファームウェア）の組み合わせ、例えば（該当する場合）、（ｉ）プロセッサの組み合わせ、または、（ｉｉ）共働して装置に様々な機能を実行させるデジタル信号プロセッサとソフトウェアとメモリとを含むプロセッサ／ソフトウェアの一部、および、（ｃ）複数の回路、例えば、ソフトウェアまたはファームウェアが物理的に存在していないとしてもソフトウェアまたはファームウェアが動作に必要となるマイクロプロセッサまたはマイクロプロセッサの一部、の全てを指している。

この「回路」の定義は、個別電子回路、集積電子回路、および、それらの組み合わせを用いた場合など、本願においてこの用語を用いた場合全てに当てはまる。さらなる例として、本願で用いられているとおり、「回路」という用語は、複数のプロセッサ向けの単一プロセッサ、または、プロセッサの一部、および、それに（または、それらに）付随するソフトウェアまたはファームウェアにも該当する。「回路」という用語は、１以上の、超小型電子センサデバイスもしくはシステム向けの応用プロセッサ集積回路または特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）に当てはまる。「制御器」、「検出器」、および、「シフト器」という用語は、特定のタスク用に構成された回路のことを指す。

安定共振振幅は共振器のＱ値に左右されないという第１条件は、機械共振器の共振周波数ｆ_０からの周波数差Δｆを駆動入力ＡＣ電圧に導入することによって達成される。図６は、共振周波数ｆ_０に近い周波数における機械共振器の力対振幅周波数応答の例を示す。Ｑ値がそれぞれ異なる３つのデバイスの応答を示している。機械共振器の共振周波数ｆ_０において、振幅はＱ値によって大きく異なる。したがって、このようにＱ値が異なる機械共振器を振幅が等しい振動に励振させるには、振幅が大きく異なる入力ＡＣ電圧を用いなければならないであろう。しかしながら、共振周波数から周波数差Δｆ分ずれた周波数においては、機械共振器の振幅応答は、実際、Ｑ値に左右されなくなる。すなわち、共振周波数ｆ_０からΔｆ分ずれた周波数を有する基本的に一定振幅の入力ＡＣ電圧によって機械共振器の入力変換器を駆動する場合、Ｑ値が異なる機械共振器の共振定常状態は、周波数差Δｆに基本的に左右されるが、機械共振器のＱ値には基本的に左右されない。周波数差Δｆは、共振周波数ｆ_０から入力ＡＣ電圧の周波数を増減することによって得てもよい。

以下の解析において、入力ＡＣ電圧は、共振器の機械共振周波数に対して周波数差を有するものとする。機械振動振幅を一定の所望レベルに合わせるため、入力ＡＣ電圧の振幅は可変である。図６に示したように、機械共振器の振幅を例えば２０００任意振幅単位の値に安定化するために、周波数差Δｆは、共振周波数ｆ_０より上または下に選択されもよい。実施の形態の一例では、周波数差Δｆが共振周波数ｆ_０の±０．０００２４５倍に設定されてもよい。共振周波数ｆ_０が例えば２０ｋＨｚに等しければ、約４．９Ｈｚの周波数差Δｆによって、共振器は、振幅が約２０００任意単位の共振振動に励振される。Ｑ値が１４０００の共振器とＱ値が７０００の共振器との振幅の差異は、約８０任意単位であり、これは、共振振幅のちょうど４％に相当する。この周波数差で必要な入力電圧の絶対値は、共振周波数で駆動する場合の５倍である。この周波数差Δｆを有する周波数における共振ゲインは２０００であり、これは、共振周波数ｆ_０における共振ゲイン１００００の５分の１である。このように、共振周波数ｆ_０からこの周波数差Δｆ分ずれている周波数で一定振幅の振動を駆動する所要可変入力ＡＣ電圧の最大振幅変動の絶対値は、共振周波数駆動によって一定振幅の振動を駆動するのに必要な所要可変入力ＡＣ電圧の対応振幅変動の４％の５倍＝２０％の大きさである。実施の形態の別の例では、周波数差Δｆを共振周波数ｆ_０の±０．０００４９８倍に設定してもよい。共振周波数ｆ_０が例えば同じ２０ｋＨｚに等しければ、周波数差Δｆは約１０Ｈｚであり、Ｑ値が１４０００の共振器とＱ値が７０００の共振器との機械振動振幅差は、ちょうど８任意単位であり、これは、共振振動振幅のちょうど０．８％に相当する。この周波数差で必要な入力電圧の絶対値は、共振周波数ｆ_０で駆動する場合の１０倍である。この周波数差Δｆを有する周波数における共振ゲインは１０００である一方、共振周波数における共振ゲインは１００００である。共振周波数ｆ_０からこの周波数差Δｆ分ずれている周波数で一定振幅の機械振動を駆動する所要可変入力ＡＣ電圧の最大振幅変動の絶対値は、共振周波数駆動で必要な対応振幅変動の０．８％の１０倍＝８％の大きさである。このように、周波数差Δｆが大きいほど、所要入力ＡＣ電圧振幅への、または、入力ＡＣ電圧振幅が一定の場合は機械振動振幅へのＱ値の影響は小さいことが分かる。周波数差Δｆは、共振周波数ｆ_０の±０．０００１倍〜±０．００１倍であることが好ましい。

第２条件は、二次共振器の出力変換器において、容量結合電圧の位相が、好ましくはコリオリ力誘導電圧に対して直交位相であるいうことである。この条件も、周波数差Δｆ安定化方法で満たされる。図７は、共振器の機械振動に対する入力ＡＣ電圧の位相を示している。周波数差Δｆが大きい、または、緩やかな場合、入力ＡＣ電圧は、機械共振振動の位相に対してほぼ０、または、ほぼπ（１８０°）の位相関係である。これは、コリオリ力が機械振動に対して直交位相であるため、入力ＡＣ電圧はコリオリ力誘導出力電圧とほぼ直交関係であることを意味する。

また、図８ａおよび図８ｂに示すように、同位相成分もいくらか存在する。図８ａは、安定化振幅における共振ゲインの関数として入力ＡＣ電圧の同位相成分を示す図である。異なるＱ値に対する３つのプロット例で示されるように、同位相成分は、Ｑ値によってわずかに異なる。例えば、図８ａは、Ｑ値が１００００の装置例では、共振ゲインが１００のときに、同位相成分はちょうど０．０１、つまり、入力ＡＣ電圧の１％であり、共振ゲインが１０００まで大きくなると、同位相成分の占有率が徐々に１０％まで大きくなることを示している。図８ｂは、入力ＡＣ電圧の直交位相成分の占有率を示している。非常に大きな共振ゲイン値では、異なるＱ値の間に依存関係が見られるが、１０００より下の共振ゲイン値では、入力ＡＣ電圧の直交位相成分の占有率は基本的に１００％（１）で基本的に安定したままであり、Ｑ値に左右されない。このように、望ましくない同位相成分は、望ましい直交位相成分より桁レベルで小さい。同位相成分は、周波数差Δｆに左右され、かつ、Ｑ値にも左右される。

共振ゲイン１０００およびＱ値１００００において２つの所望条件の効果を組み合わせると、Ｑ値の違いによる容量結合信号の同位相成分の全変化は、従来の共振駆動の場合における変動のたった０．８％（８％×１０％）であることが分かった。共振ゲイン２０００では、結合同位相信号は、従来の結合信号の４％であり、ゲイン５００では、０．２％である。この解析により、共振周波数に対する周波数差で入力変換器を駆動することによって、共振周波数駆動と比べて、入力ＡＣ電圧振幅の共振器のＱ値変動への依存度が大幅に減るので、入力ＡＣ電圧振幅は基本的に一定であると証明される。

次に、時間＝０で入力ＡＣ電圧がスイッチオンになり、振動振幅が基本的に安定になる定常状態に向けて振幅が大きくなるシミュレーションを行う場合の機械振動振幅の過渡応答について考えてみる。実際のＭＥＭＳセンサへの適用では、スイッチオン中に有害な副作用がないこと、または、ＭＥＭＳデバイス動作の定常状態動作中に起こり得る他の過渡電流による副作用がないことを確認することが重要である。

図９は、１００００のＱ値と相対周波数差Δｆ＝０．００２５の基本的に一定振幅の入力ＡＣ電圧とを用いて、機械共振器の多振動サイクル数にわたって入力変換器を駆動する場合の共振器の過渡応答を示している。図１０は、１００００のＱ値と相対周波数差Δｆ＝０．００７５の入力ＡＣ電圧とを用いて、入力変換器を駆動する場合の共振器の過渡応答を示している。図９および図１０は、周波数差Δｆ駆動での振幅の立ち上がり時間が、図１および図３で示した共振励振の場合と同じくらい早く、定常状態では、振幅が、図６で予測されたものに近くなることを示している。しかしながら、図１０および図１１は、時間の経過と共に定常状態周辺で振幅の揺らぎが生じることを示している。図１１は、図１０の振幅エンベロープの後半部分の拡大図を示しており、この揺らぎが、１０００サイクルという小規模で継続するであろうことを示している。Ｑ値が３０００まで減少すれば、図１２に示すように、この揺らぎを減らすことができ、さらに図１３において、図１２の振幅エンベロープの後半部分の拡大図を示す。しかしながら、Ｑ値の減少による揺らぎの減少は、容量結合変動の増加という代償を払ってなされる。

過渡状態における変動振幅の安定化を向上させるために、安定化フィードバックシステムが設けられなければ生じる図９〜図１３に示された揺らぎを削減するフィードバックシステムを導入してもよい。図２に係るシステムを、機械共振器の共振周波数に対する周波数差を有するＡＣ電圧を用いた入力変換器駆動と組み合わせて用いてもよい。この場合、入力ＡＣ電圧の振幅はＱ値変動に全く左右されないということはないが、それでもその依存性は先の解析により大幅に削減される。

共振器のＱ値変動に左右されない基本的に一定振幅のＡＣ電圧で入力変換器を駆動すれば、向上した安定化を実現することができる。この改良型システムでは、安定化フィードバック回路が周波数差Δｆを能動的に変更して、変動振幅の変動を抑制する。どの所望機械振動振幅レベルにおいても、周波数差Δｆは２値とり得るため、例えば、電圧制御発振器へ直接フィードバックすることはできない。フィードバックは、共振周波数ｆ_０の一方側では正、他方側では負であることが必要と考えられるため、正または負のフィードバックシステムが混同される。このように、共振周波数ｆ_０のどちら側で共振器が振動しているのか区別し、好ましくは、共振器振幅を制御する共振周波数ｆ_０側の周波数差Δｆ値のみを用いることができることが必要である。

フィードバックシステムで混乱を引き起こすことなく、図６の共振曲線における共振周波数ｆ_０の片側だけ、ひいては、理論上可能な周波数差Δｆの２値のうち１つに使用周波数差Δｆ値を制限する方法の一例は、入力ＡＣ電圧と機械共振振動との位相差をさらなる制御変数として用いることである。図７に示された周波数差Δｆと極性とによる入力ＡＣ電圧と出力ＡＣ電圧の位相関係は、位相から周波数への変換に利用することができる。検出出力ＡＣ電圧に対する入力ＡＣ電圧の位相のずれは、共振周波数ｆ_０より下の動作の場合は０〜π／２の値の範囲に、共振周波数ｆ_０より上の動作の場合はπ／２〜πの値の範囲に収められてもよい。

図１４に示すように、位相のずれと共振ゲインとの関係は、０〜π／４の位相差の範囲、または、最大ゲインの７０％より下の共振ゲインの範囲において完全に線形である。この位相差と共振ゲインの関係は、共振器のＱ値に強く左右されるが、これは大きな問題を引き起こさない。なぜなら、位相のずれの正確な値は、負のフィードバックを用いる場合に必ずしも知っておく必要はないからである。

図１５は、上記開示された発明原理を実装する駆動ループ回路とＭＥＭＳ部分とを有する微小電気機械センサデバイスの実施の形態１のブロック図の例を示す。ＭＥＭＳ部分は、機械共振器と、入力変換器および出力変換器の機能とを備える。ブロック図は、ＭＥＭＳ部分の機能を示しているが、ＭＥＭＳ部分の特定構造ではない。入力変換器および／または出力変換器は、例えば、容量変換器において、共振器と一部物理的に別個のものでもよいし、または、例えば、圧電変換器において、共振器構造体の一部であってもよい。ＭＥＭＳ部分の機能は、駆動ループ回路と同じチップ上に配置されてもよいし、または、駆動ループ回路に電気結合された別個のチップでもよい。電圧制御発振器ＶＣＯ５０５からの基本的に一定振幅の入力ＡＣ電圧は、機械共振器１００を励振させる入力変換器１１０に供給される。機械共振器１００の振動は、共振器の動きに対応する出力ＡＣ電圧を出力する出力変換器１２０で検出される。ＶＣＯ５０５の周波数および位相は、制御器５００によって調整されて、入力ＡＣ電圧は、機械共振器の固有共振周波数ｆ_０からの設定周波数差Δｆを有する。位相検出器５１５は、入力ＡＣ電圧の位相と出力ＡＣ電圧の位相とを比較し、位相差情報Δφを出力する。制御器５００には、入力ＡＣ電圧と出力ＡＣ電圧との位相差情報Δφが、複数入力のうちの１つとして入力される。また、制御器５００には、２つ目の入力として、出力電圧の振幅に関する情報も振幅検出器５１０から入力される。振幅情報は、ＤＣ電圧の形で供給されてもよい。振幅情報および位相差情報Δφをそれぞれ示すために、振幅検出器５１０および位相検出器５１５から様々なタイプの信号を出力してもよいことは当業者にとって周知である。例えば、信号はアナログでもデジタルでもよく、信号は電圧または電流で構成されてもよい。定常状態の振動における機械共振器１００運動の振幅の所望値に対応する振幅プリセット値は、制御入力端子を介して制御器５００に入力される。制御器５００は、振幅プリセット値の機械共振器１００の振幅安定化振動を生成するために、位相検出器５１５から出力される位相差情報Δφと振幅検出器５１０から出力される検出振幅情報とに基づいてＶＣＯ５０５の周波数および位相を制御する。

図１６は、上記開示された発明原理を実装する駆動ループ回路とＭＥＭＳ部分とを有する微小電気機械センサデバイスの実施の形態２のブロック図の例を示し、この実施の形態は、図１５の包括的な実施の形態をより詳細に実装した例を示す。ＶＣＯ５０５の制御極性は正とする。つまり、制御電圧が増加すると周波数差Δｆも増加するとみなす。この極性選択の場合で、共振周波数ｆ_０より下の周波数差Δｆでの動作の場合、ＸＯＲ回路６１１の出力は、第１増幅器Ａ１、６０１の反転入力端子に供給されてもよい。電圧制御発振器ＶＣＯ５０５から入力される基本的に一定振幅のＡＣ電圧は、機械共振器１００を励振させる入力変換器１１０に供給される。ＶＣＯ５０５の周波数および位相は、制御電圧をＶＣＯ５０５に供給する第１増幅器Ａ１、６０１によって調整される。ＶＣＯ５０５は、基本的に一定振幅の入力ＡＣ電圧を生成して入力変換器１１０に出力する。このように、ＶＣＯ５０５は、入力ＡＣ電圧を生成するように構成された駆動回路の実施の形態の一例である。図１５の参照符号５１５で示された位相検出器の機能は、正弦波矩形波変換回路６１０の後の、入力された両ＡＣ電圧を変換する排他的論理和回路ＸＯＲ６１１で実装される。位相検出器回路（６１０、６１１）は、位相差Δφが０の場合に電圧出力がゼロ、位相差Δφがπの場合に最大電圧出力となり、その間の位相差線形則に従う。最大電圧の２分の１は、位相差がπ／２のときに得られる。出力ＡＣ電圧の振幅に関する情報は、実施の形態１と同様に、振幅検出器回路５１０から入力される。振幅情報は、ＤＣ電圧の形で供給されてもよい。定常状態の振動における機械共振器１００運動の振幅の所望値に対応する振幅プリセット値は、非反転入力端子を介して第２増幅器Ａ２、６０２の非反転入力端子に供給され、検出振幅値は、第２増幅器Ａ２、６０２の反転入力端子に入力される。第２増幅器Ａ２、６０２の出力は、０〜π／２の位相差に対応する電圧、または、好ましくは、０〜π／４の位相差に対応するさらに狭い範囲の電圧に制限される。なぜなら、この位相差範囲において、容量結合の望ましい安定化が高精度で実現されるかもしれないからである。第２増幅器Ａ２、６０２の出力は、第１増幅器Ａ１、６０１の非反転入力端子に供給される。第１増幅器（Ａ１、６０１）および第２増幅器（Ａ１、６０２）の振幅および周波数応答は、制御システム、つまり、負のフィードバックループが安定で、機械振動の振幅変動を打ち消すことができるほど十分に早く応答するよう選択される。第１増幅器Ａ１、６０１および第２増幅器Ａ２、６０２は、図１５の制御器回路５００の個別回路実装例と見なしてもよい。

共振周波数ｆ_０より上の周波数差Δｆでの動作の場合、振幅検出器の出力が非反転入力端子に供給されて、振幅プリセット値が反転入力端子に供給されるように、増幅器Ａ２、６０２の極性を変更してもよい。さらに、第２増幅器Ａ２、６０２の出力は、振幅および容量結合の良好な安定化結果を得るために、π／２〜πの範囲の位相のずれに対応する値、または、好ましくは３π／４〜πの狭い範囲に制限されてもよい。

図１７は、上記開示された発明原理を実装する駆動ループ回路とＭＥＭＳ部分とを有する微小電気機械センサデバイスの実施の形態３のブロック図の例を示す。電圧制御発振器ＶＣＯ５０５からの入力ＡＣ電圧は、機械共振器１００の入力変換器１１０に供給される。機械共振器１００の振動は、共振器の動きに対応する出力ＡＣ電圧を出力する出力変換器１２０で検出される。ＶＣＯ５０５の周波数は、ＰＬＬ制御器７００によって調整される。ＰＬＬ制御器７００には、入力ＡＣ電圧と、出力変換器からの位相シフト済出力ＡＣ電圧との位相差情報Δφが入力される。位相シフト済出力ＡＣ電圧の位相は、位相シフト器回路７１０で調整される。共振周波数ｆ_０より下の動作周波数を選択する場合、つまり、周波数差Δｆが負の値の場合、位相シフトは、０〜−π／２の範囲にわたって、または、好ましくは０〜−π／４の範囲にわたって調整可能に行われる。共振周波数ｆ_０より上の動作周波数が選択される場合、つまり、周波数差Δｆが正の値の場合、位相シフトは、−π／２〜−πの範囲にわたって、または、好ましくは−３π／４〜−πの範囲にわたって調整可能に行われる。共振器１００運動の振幅は、出力ＡＣ電圧の検出振幅と振幅の目標プリセット値との検出差分に基づいて位相シフト器７１０の位相シフト量を調整する振幅制御器７０１によって制御される。定常状態の振動における機械共振器１００運動の振幅の所望値に対応する振幅プリセット値は、制御入力端子を介して振幅制御器７０１に供給される。

図１８は、上記開示された発明原理を実装する駆動ループ回路とＭＥＭＳ部分とを有する微小電気機械センサデバイスの実施の形態４のブロック図の例を示す。自律閉ループ発振器には、駆動ループ回路のフィードバック部分に位相シフト器５１５による調整可能な位相シフトと増幅器Ａ、８００とが設けられている。増幅器Ａ、８００は、入力ＡＣ電圧を生成して入力変換器１１０に出力する。ここで、入力ＡＣ電圧の振幅は、定常状態条件の下、増幅器の供給電圧によって、または、ＡＣ電圧を最大値に制限する周知の他の手段によって制限される最大値に近づく。このように、増幅器Ａ、８００は、基本的に一定振幅の入力ＡＣ電圧を生成するように構成された駆動回路の実施の形態の一例である。振幅は、位相のずれを調整する振幅制御器７０１によって制御される。所望の振幅プリセット値は、制御入力端子を介して振幅制御器７０１に供給される。振幅制御器７０１は、振幅検出器５０１から出力された検出振幅値と、所望の振幅プリセット値とを比較し、それに応じて位相シフト器５１５を制御する。このタイプの発振器は、出力増幅器８００のノイズ、または、人工的に発生させた広帯域ノイズから始める。このノイズは、出力ＡＣ電圧が正弦波成分を含むように機械共振器１００でフィルタリングされる。この成分は、振動振幅が大きくなり始めたときの最初の共振周波数ｆ_０でのものであるが、制御ループは、位相シフト器５１５によって生じる位相のずれ、ひいては、周波数を、定常状態で振動が共振周波数から周波数差ずれるように調整する。本実施の形態において、機械共振器１００の定常状態周波数は、入力ＡＣ電圧と出力ＡＣ電圧の位相差と、位相シフト器５１５による位相のずれとの和がｎ×２π（ｎは整数）である周波数に等しい。

図１５〜図１８のＭＥＭＳデバイスがＭＥＭＳジャイロスコープの場合、共振器は一次共振器を表しており、入力変換器１１０は、ジャイロスコープの一次共振器に励振力を出力するように構成された一次励振変換器を備えてもよく、出力変換器１２０は、ジャイロスコープの一次機械共振器の機械振動に対応する電気情報を出力するように構成された一次出力変換器を備えてもよい。図１５〜図１８のＭＥＭＳデバイスが誘導型磁力計の場合は、共振器はコイルを表しており、入力変換器１１０は、磁力計のコイルを共振させる励振力を出力するように構成された励振変換器を備えてもよく、出力変換器１２０は、磁力計のコイルの機械振動に対応する電気情報を出力するように構成されてもよい。図１５〜図１８では、本発明を説明するのに必要なデバイスのブロックのみが示されている。示されたブロックの他に、ＭＥＭＳデバイスはさらなるブロックおよび機能を備えてもよい。例えば、ジャイロスコープは、例えば、図４に示したような、二次共振器と、二次出力変換器とを備えてもよい。

技術が進歩するにつれて、本発明の基礎概念を様々な方法で実現できることは当業者にとって自明である。したがって、本発明およびその実施の形態は、上述した例に限定されず、請求項の範囲内で変形を施してもよい。

Claims (18)

1. 微小電気機械センサデバイスの機械共振器の機械振動の振幅を安定化する方法であって、
   入力変換器によって、前記機械共振器を振動励振力で前記機械振動に励振させ、
   基本的に一定振幅の入力ＡＣ電圧で前記入力変換器を駆動し、当該入力ＡＣ電圧での駆動は、前記機械共振器の共振周波数から第１周波数差分ずれた周波数において起こり、前記第１周波数差は、前記機械振動の振幅を安定化するように設定され、
   さらに、前記第１周波数差を調整することによって基本的に所定の一定値で前記機械振動の振幅を維持することにより安定化する
   方法。
2. さらに、前記機械振動によって誘導される出力ＡＣ電圧を出力し、
   前記出力ＡＣ電圧の検出振幅とプリセット目標振幅値との検出振幅差に基づいて、前記第１周波数差の調整を制御する
   請求項１に記載の方法。
3. さらに、前記入力ＡＣ電圧と前記出力ＡＣ電圧との第１位相差を検出し、
   前記第１位相差に基づいて前記第１周波数差を制御する
   請求項２に記載の方法。
4. さらに、前記出力ＡＣ電圧を位相シフトさせ、当該位相シフトにより位相シフト済出力ＡＣ電圧を生成する
   請求項２に記載の方法。
5. さらに、前記位相シフト済出力ＡＣ電圧と前記入力ＡＣ電圧との第２位相差を検出し、
   前記第２位相差に基づいて前記第１周波数差を制御する
   請求項４に記載の方法。
6. 前記位相シフト済出力ＡＣ電圧を増幅することによって前記入力ＡＣ電圧を生成する
   請求項４に記載の方法。
7. 電圧制御発振器によって、前記入力ＡＣ電圧を生成する
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記微小電気機械センサデバイスは、ジャイロスコープまたは誘導型磁力計を備える
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記第１周波数差は、前記共振周波数の±０．０００１倍〜±０．００１倍である
   請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 機械共振器と、
    前記機械共振器の機械振動の振幅を安定化する駆動ループ回路と、
    前記機械共振器を振動励振力で前記機械振動に励振させる入力変換器とを備え、
    前記駆動ループ回路は、基本的に一定振幅の入力ＡＣ電圧で前記入力変換器を駆動し、当該入力ＡＣ電圧での駆動は、前記機械共振器の共振周波数から第１周波数差分ずれた周波数において起こり、前記第１周波数差は、前記機械振動の振幅を安定化するように設定され、
    前記駆動ループ回路は、さらに、
    前記第１周波数差を調整することによって所定の一定値で前記機械共振器の機械振動の振幅を維持することにより安定化するフィードバック回路を備える
    微小電気機械センサデバイス。
11. さらに、前記機械振動によって誘導される出力ＡＣ電圧を出力する出力変換器を備え、前記フィードバック回路は、
    前記出力ＡＣ電圧の検出振幅とプリセット目標振幅値とに基づいて、前記第１周波数差の調整を制御する振幅制御回路を備える
    請求項１０に記載の微小電気機械センサデバイス。
12. 前記フィードバック回路は、さらに、
    前記入力ＡＣ電圧と前記出力ＡＣ電圧との第１位相差を検出する位相検出回路と、
    前記第１位相差に基づいて前記第１周波数差を制御する制御器回路とを備える
    請求項１１に記載の微小電気機械センサデバイス。
13. 前記振幅制御回路は、前記出力ＡＣ電圧を位相シフトさせ、当該位相シフトにより位相シフト済出力ＡＣ電圧を生成する
    請求項１１に記載の微小電気機械センサデバイス。
14. 前記フィードバック回路は、さらに、
    前記位相シフト済出力ＡＣ電圧と前記入力ＡＣ電圧との第２位相差を検出する位相検出回路と、
    前記第２位相差に基づいて前記第１周波数差の調整を制御するＰＬＬ制御器回路とを備える
    請求項１３に記載の微小電気機械センサデバイス。
15. 前記駆動ループ回路は、前記位相シフト済出力ＡＣ電圧を増幅することによって前記入力ＡＣ電圧を生成する増幅器を備える
    請求項１３に記載の微小電気機械センサデバイス。
16. 前記駆動ループ回路は、前記入力ＡＣ電圧を生成する電圧制御発振器を備える
    請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の微小電気機械センサデバイス。
17. 前記微小電気機械センサデバイスは、ジャイロスコープまたは誘導型磁力計である
    請求項１０〜１６のいずれか１項に記載の微小電気機械センサデバイス。
18. 前記第１周波数差は、前記共振周波数の±０．０００１倍〜±０．００１倍である
    請求項１０〜１７のいずれか１項に記載の微小電気機械センサデバイス。