JPH08220453A - バンドパスフィルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 フェールセーフ特性のバンドパスフィルタを
提供する。 【構成】 信号源１０５からの交流信号１２０によりガ
ルバノミラー１０２は共振状態に付勢される。コンパレ
ータ１０７により交流信号１２０の正の半波のピーク値
近傍を選択し取り出し発光素子１０１を付勢する。この
構成により、発光素子１０１からの発光がガルバノミラ
ー１０２で反射され、遮蔽体１０３の開口１０３−１を
通って受光素子１０４に受光するようになる。いずれか
の回路，装置が故障すると、発光素子１０１からの発光
が受光素子１０４に達しなくなり、フェールセーフ性が
得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、フォトカプラとガルバ
ノミラーを用いたバンドパスフィルタに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、離れた箇所に配置された２個の電
気回路を接続する場合、あるいは電源系統の異なる２個
の電気回路を接続する場合等に、フォトカプラが用いら
れている。また所要の周波数の交流信号を選択する場合
等にバンドパスフィルタ回路が用いられている。

【０００３】図８は、前述のフォトカプラ８１とバンド
パスフィルタ回路８２を縦続接続した、インタフェース
に好適な系である。バンドパスフィルタ回路８２として
は能動素子を用いたアクティブフィルタの使用が考えら
れる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前記図８の
系では、故障により入力電圧が変動しても出力が発生す
る。また電磁気ノイズの影響を受け易い。またアクティ
ブフィルタについてはフェールセーフ性が検討された例
は知られていない。回路のフェールセーフ性を検証する
場合に、素子の３重故障まで考えるとすると、アクティ
ブフィルタを用いる系でフェールセーフを実現すること
は極めて難しく、実用的とはいえない。

【０００５】本発明は、このような状況に鑑みてなされ
たもので、フェールセーフ特性を有するバンドパスフィ
ルタを提供することを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
本発明は、バンドパスフィルタを次の（１），（２），
（３）のとおりに構成する。

【０００７】（１）入力端と、この入力端に入力する交
流信号により駆動されるガルバノミラーと、前記入力端
に入力する交流信号に同期したパルスを生成するパルス
生成手段と、このパルス生成手段の出力により付勢さ
れ、前記ガルバノミラーに光を入射する発光素子と、こ
の発光素子から入射し前記ガルバノミラーで反射した光
を通す開口を有する前記ガルバノミラーの遮蔽体と、前
記開口を通った前記ガルバノミラーからの反射光を受光
する受光端とを備え、前記入力端に所定の周波数，電圧
の交流信号が入力したとき、前記ガルバノミラーが共振
し、前記発光素子で発光した光が前記ガルバノミラーで
反射され、前記開口を通って前記受光端に受光されるよ
うに構成されているバンドパスフィルタ。

【０００８】（２）受光端に受光素子を設け、電気信号
に変換して出力する前記（１）記載のバンドパスフィル
タ。

【０００９】（３）パルス生成手段は、入力端に入力す
る交流信号の正および／または負の半波の所定レベル以
上を選択し取り出す振幅選択回路である前記（１）また
は（２）記載のバンドパスフィルタ。

【００１０】

【作用】前記（１），（２），（３）の構成により、入
力端に所定の周波数，電圧の交流信号が入力したときだ
け、ガルバノミラーで反射した光が開口を通って受光端
に達し出力される。更に前記（２）の構成では電気信号
に変換されて出力され、前記（３）の構成では振幅選択
回路によりパルスが生成される。

【００１１】

【実施例】以下本発明を実施例により詳しく説明する。

【００１２】（構成）図１は実施例である“バンドパス
フィルタ”の概略的構成を示す図である。図において、
１０１は発光素子で後述のコンパレータの出力によりパ
ルス発光される。１０２は入力交流信号で駆動されるガ
ルバノミラーで、その構成，動作は後で詳しく説明す
る。１０３はガルバノミラー１０２の遮蔽体で開口１０
３−１が設けられている。１０４は発光素子１０１から
入射し、ガルバノミラー１０２で反射し、遮蔽体１０３
の開口１０３−１を通った光を受光し、電気信号に変換
する受光素子である。

【００１３】１０５は発振器その他の信号源（以下信号
源という）、１０６はガルバノミラー１０２の駆動コイ
ル、１０７は入力交流信号の正または負の半波の所定レ
ベル以上を選択し取り出すコンパレータ（パルス生成回
路）で、信号源１０５から駆動コイル１０６およびコン
パレータ１０７に１２０で示す波形の交流信号が供給さ
れ、コンパレータ１０７ではしきい値１２１以上の波形
１２２が選択され取り出される。この波形１２２のパル
ス信号が前記発光素子１０１に印加され、波形１２３の
光が発光され、前記受光素子１０４はこの波形１２３の
光をガルバノミラー１０２，開口１０３−１を介して受
光し、電気信号に変換する。１０８は受光素子１０４の
出力を増幅する増幅器で、波形１２３と同波形の電気信
号１２４を出力する。

【００１４】なお信号源１０５は、所要の論理演算を行
う回路，装置の系を含む意味で用いている。

【００１５】（動作）以下図２，図３により本実施例の
動作を説明する。

【００１６】図２はガルバノミラー１０２の振幅特性を
示す図である。（ａ）は、駆動コイル１０６に、電圧一
定で周波数可変の交流信号を印加したときのミラーの振
幅を示すが、曲線２１に示すように、振幅は、周波数が
上昇するに従い増加し、周波数がミラーの共振点に近ず
くと急増し、共振点で最大となり、共振点を過ぎると急
減する。

【００１７】（ｂ）は駆動コイル１０６に、一定周波数
で電圧可変の交流信号を印加したときのミラーの振幅を
示す。曲線２２に示すように、振幅は入力電圧が上昇す
るに従い増加する。

【００１８】（ｃ）は、駆動コイル１０６に電圧一定で
周波数可変の交流信号を印加したときのミラーの振動位
相を示す。曲線２３に示すように、共振点ではミラーの
振幅は入力交流電圧に同相であるが、その前後で位相が
急変する。

【００１９】図３は入力交流信号の電圧，周波数を変え
たときのガルバノミラーのスキャン範囲等を示す図であ
る。（ａ）は、入力交流信号の周波数がガルバノミラー
１０２の共振周波数に一致していてその電圧が所定値の
ときのスキャン範囲を示す。ただし入力の電圧値は、ガ
ルバノミラー１０２の最大の偏位位置で発光素子１０１
の光がガルバノミラー１０２で反射し遮蔽体１０３の開
口１０３−１を通って受光素子１０４に入射するように
選定されている。またコンパレータ１０７のしきい値１
２１は、開口１０３−１をスキャンする期間だけ発光素
子１０１がパルス発光するように、入力交流の正または
負の半波のピーク値近傍に選ばれる。

【００２０】図３で太い線の矢印はこの発光状態を示
す。よって受光素子１０４は前記パルス発光に応じたパ
ルス信号を出力する。

【００２１】図３の（ａ）の状態から、入力交流信号の
周波数が変化する、すなわち入力周波数がガルバノミラ
ー１０２の共振周波数からずれると、図２の（ａ）に示
すように振幅が減少し、図３の（ｂ）に示すように、ス
キャン範囲が小さくなってガルバノミラー１０２で反射
された光は遮蔽体１０３の開口１３０−１を通ることが
なく、受光素子１０４の出力は零となる。このときガル
バノミラー１０２の振幅の位相が変化し、振幅の小さい
範囲で発光素子１０１が発光する。

【００２２】図３の（ａ）の状態から、入力交流信号の
電圧が変化すると、図２の（ｂ）に示すようにガルバノ
ミラー１０２の振幅が変化する。電圧が低下したとき
は、ガルバノミラー１０２の振幅が減少するので、ガル
バノミラー１０２の反射光が遮蔽体１０３の開口１０３
−１を通ることがなく、受光素子１０４の出力は零とな
る。電圧が上昇したときは、ガルバノミラー１０２の振
幅が増大し、図３の（ｃ）に示すように、開口１０３−
１をスキャンするが、発光素子１０４は入力交流信号の
正または負のピーク値近傍すなわちガルバノミラー１０
２の最大偏位位置で発光するので、受光素子１０４は受
光することがなく受光素子１０４の出力は零である。

【００２３】図３の（ａ）の状態から入力交流信号の、
周波数がずれると共に電圧が上昇すると、発光素子１０
１からの発光がガルバノミラー１０２で反射され、遮蔽
体１０３の開口１３０−１を通って受光素子１０４に入
射する可能性である。しかしこのケースでも実際に受光
素子１０４に入射することはない。すなわち、共振周波
数では、駆動コイル１０６の電圧とガルバノミラー１０
２の振幅との間に位相のずれはないが、入力交流信号の
周波数が共振周波数からずれると、図２の（ｃ）に示す
ように位相差が生じ、発光素子１０１の発光が、図３の
（ｄ）に示すように、ガルバノミラー１０２の振幅の小
さい範囲で起るようになり、発光素子１０１からの光が
遮蔽体１０３の開口１０３−１を通ることがなく、受光
素子１０４の出力は零となる。

【００２４】バンドパスの通過域幅は、開口１０３−１
の大きさ，コンパレータ１０７のしきい値１２１により
変更できる。

【００２５】（効果）以上の説明から明らかなように、
本実施例では、信号源１０５のいずれかの回路，装置に
故障が生じ信号の周波数，電圧レベルが変化すると、ガ
ルバノミラーの振幅，その位相、発光素子の発光位相が
ずれ受光素子の出力がなくなり、またガルバノミラーが
故障しても受光素子の出力がなくなる、すなわちフェー
ルセーフ性の高い出力が得られる。このように信号源１
０５の交流信号は、本実施例では、入力信号であると共
に、信号源１０５の各回路，装置の動作状態を検査する
ための信号となっている。また共振部に能動素子が含ま
れていないので、フェールセーフの構成が採用し易い。

【００２６】本実施例では、信号の伝達に光を使ってい
るので、入出力の電気的絶縁ができ、電磁気的ノイズに
対しても強い。また共振が純機械的なので副次的共振
（スプリアス）がなく、ノイズがほとんどカットされ、
所望の交流信号のみが得られ、信頼性が極めて高い。

【００２７】（ガルバノミラーの構成，動作）本実施例
で用いる“ガルバノミラー”の構成，動作を説明する。
このガルバノミラーの詳細は、本出願人の先願にかかる
特願平６−９８２４号の明細書に記載されている。ここ
では本実施例の理解に必要な程度に説明する。

【００２８】簡単にいうと、ガルバノミラー１０２は、
半導体基板に一体形成した、可動板とこの可動板を前記
半導体基板に対し揺動自在に軸支するトーションバー
と、前記可動板の周縁部に設けた駆動コイルと、この駆
動コイルに静磁界を与える磁界発生手段と、前記可動板
上に形成したミラーから構成されている。

【００２９】図４，図５は、ガルバノミラー１０２の構
成を示す図である。この装置は、検流計（ガルバノメー
タ）と同じ原理で動作するものである。なお、図４，図
５では判り易くするため大きさを誇張して示している。
後述の図６についても同様である。

【００３０】図４及び図５において、ガルバノミラー１
０２は、半導体基板であるシリコン基板２の上下面に、
それぞれ例えばホウケイ酸ガラス等からなる上側及び下
側絶縁基板としての平板状の上側及び下側ガラス基板
３，４を接合した３層構造となっている。前記上側ガラ
ス基板３は、後述する可動板５上部分を開放するようシ
リコン基板２の左右端（図４における）に積層されてい
る。

【００３１】前記シリコン基板２には、平板状の可動板
５と、この可動板５の中心位置でシリコン基板２に対し
て基板上下方向に揺動可能に可動板５を軸支するトーシ
ョンバー６とが半導体製造プロセスにおける異方性エッ
チングによって一体形成されている。従って、可動板５
及びトーションバー６もシリコン基板２と同一材料から
なっている。前記可動板５の上面周縁部には、可動板５
駆動用の駆動電流と、この駆動電流に重畳する変位角検
出用の検出用電流とを流すための銅薄膜からなる平面コ
イル７が、絶縁被膜で覆われて設けられている。前記検
出用電流は、下側ガラス基板４に後述するように設けら
れる検出コイル１２Ａ，１２Ｂとの相互インダクタンス
に基づいて可動板５の変位を検出するためのものである
が、本実施例では変位角を検出していないので、前記検
出電流を流していない。しかし、ガルバノミラー１０２
の調整の際に使用できるので、この検出コイルによる偏
位角検出について後述する。

【００３２】ここで、コイルは抵抗分によってジュール
熱損失があり、抵抗の大きな薄膜コイルを平面コイル７
として高密度に実装すると発熱により駆動力が制限され
ることから、公知の電解メッキによる電鋳コイル法によ
って前記平面コイル７を形成してある。電鋳コイル法
は、基板上にスパッタで薄いニッケル層を形成し、この
ニッケル層の上に銅電解めっきを行って銅層を形成し、
コイルに相当する部分を除いて銅層及びニッケル層を除
去することで、銅層とニッケル層からなる薄膜の平面コ
イルを形成するもので、薄膜コイルを低抵抗で高密度に
実装できる特徴があり、マイクロ磁気デバイスの小型化
・薄型化に有効である。

【００３３】また、可動板５の平面コイル７で囲まれた
上面中央部には、ミラー８が公知の手法で形成されてい
る。更に、シリコン基板２のトーションバー６の側方上
面には、平面コイル７とトーションバー６の部分を介し
て電気的に接続する一対の電極端子９，９が設けられて
おり、この電極端子９，９は、シリコン基板２に電鋳コ
イル法による平面コイル７と同時に形成される。

【００３４】上側及び下側ガラス基板３，４の左右側
（図４における）には、前記トーションバー６の軸方向
と平行な可動板５の対辺の平面コイル７部分に磁界を作
用させる、互いに対をなす円形状の永久磁石１０Ａ，１
０Ｂと１１Ａ，１１Ｂが設けられている。上下の互いに
対をなす各３個づつの永久磁石１０Ａ，１０Ｂは、上下
の極性が同じとなるよう、例えば図５に示すように、下
側がＮ極、上側がＳ極となるよう設けられている。ま
た、他方の各３個づつの永久磁石１１Ａ，１１Ｂも、上
下の極性が同じとなるよう、例えば図５に示すように、
下側がＳ極、上側がＮ極となるよう設けられている。そ
して、上側ガラス基板３側の永久磁石１０Ａと１１Ａ及
び下側ガラス基板４側の永久磁石１０Ｂと１１Ｂは、図
５からも判るように、互いに上下の極性が反対となるよ
うに設けられる。

【００３５】また、前述したように、下側ガラス基板４
の下面には、平面コイル７と電磁結合可能に配置され各
端部がそれぞれ対をなす電極端子１３，１４に電気的に
接続された一対のコイル１２Ａ，１２Ｂがパターニング
されて設けられている（なお、図４では、模式的に１本
の破線で示したが実際は複数巻回してある）。検出コイ
ル１２Ａ，１２Ｂは、トーションバー６に対して対称位
置に配置されて可動板５の変位角を検出するもので、平
面コイル７に駆動電流に重畳して流す検出用電流に基づ
く平面コイル７と検出コイル１２Ａ，１２Ｂとの相互イ
ンダクタンスが、可動板５の角度変位により一方が接近
して増加し他方が離間して減少するよう変化するので、
例えば相互インダクタンスに基づいて出力される電圧信
号の変化を差動で検出することにより可動板５の変位角
をが検出できる。

【００３６】次に、ガルバノミラー１０２の動作につい
て説明する。

【００３７】例えば、一方の電極端子９を＋極、他方の
電極端子９を一極として平面コイル７に電流を流す。可
動板５の両側では、永久磁石１０Ａと１０Ｂ、永久磁石
１１Ａと１１Ｂによって、図６の矢印Ｂで示すような可
動板５の平面に沿って平面コイル７を横切るような方向
に磁界が形成されており、この磁界中の平面コイル７に
電流が流れると、平面コイル７の電流密度と磁束密度に
応じて平面コイル７、言い換えれば可動板５の両端に、
電流・磁束密度・力のフレミングの左手の法則に従った
方向（図６の矢印Ｆで示す）に力Ｆが作用し、この力は
ローレンツ力から求められる。

【００３８】この力Ｆは、平面コイル７に流れる電流密
度をｉ、上下永久磁石による磁束密度をＢとすると、下
記の（１）の式で求められる。

【００３９】Ｆ＝ｉ×Ｂ……（ｉ） 実際には、平面コイル７の巻数ｎと、力Ｆが働くコイル
長ｗ（図５中に示す）により異なり、下記の（２）の式
のようになる。

【００４０】Ｆ＝ｎｗ（ｉ×Ｂ）……（２） 一方、可動板５が回動することによりトーションバー６
が捩じられ、これによって発生するトーションバー６の
ばね反力Ｆ′と可動板５の変位角φの関係は、下記の
（３）式のようになる。

【００４１】 θ＝（Ｍｘ／ＧＩｐ）＝Ｆ′Ｌ／８．５×１０⁹ ｒ⁴ ）×ｌ₁ ……（３） ここで、Ｍｘは捩りモーメント、Ｇは横弾性係数、Ｉｐ
は極断面二次モーメントである。また、Ｌ、ｌ₁ 、ｒは
それぞれ、トーションバーの中心軸から力点までの距
離、トーションバーの長さ、トーションバーの半径であ
り、図６に示してある。

【００４２】そして、前記力Ｆとばね反力Ｆ′が釣り合
う位置まで可動板５が回動する。従って、（３）式の
Ｆ′に（２）式のＦを代入することにより、可動板５の
変位角φは平面コイル７に流れる電流ｉに比例すること
が判る。

【００４３】従って、平面コイル７に流す電流を制御す
ることにより、可動板５すなわちミラー８の変位角φを
制御するとができる。

【００４４】このミラー８の光軸の変位角φを制御する
際に、平面コイル７に、駆動電流に重畳して駆動電流周
波数に比べて少なくとも１００倍以上の周波数で変位角
検出用の検出用電流を流す。すると、この検出用電流に
基づいて、平面コイル７と下側ガラス基板５に設けた検
出コイル１２Ａ，１２Ｂとの間の相互インダクタンスに
よる誘導電圧がそれぞれの検出コイル１２Ａ，１２Ｂに
発生する。検出コイル１２Ａ，１２Ｂに発生する各誘導
電圧は、可動板５、いい換えれば、ミラー８が水平位置
にある時には、検出コイル１２Ａ，１２Ｂと対応する平
面コイル７との距離が等しいことから等しくなりその差
は零である。可動板５が前述の駆動力でトーションバー
６を支軸として回動すると、一方の検出コイル１２Ａ
（または１２Ｂ）では接近して相互インダクタンスの増
加により誘導電圧は増大し、他方の検出コイル１２Ｂ
（又は１２Ａ）では離間して相互インダクタンスの減少
により誘導電圧は低下する。従って、検出コイル１２
Ａ，１２Ｂに発生する誘導電圧はミラー８の変位に応じ
て変化し、この誘導電圧を検出することで、ミラー８の
光軸変位角φを検出することができる。

【００４５】そして、例えば、図７に示すように、検出
コイル１２Ａ，１２Ｂの他に２つの抵抗を設けて構成し
たブリッジ回路に電源を接続し、検出コイル１２Ａと検
出コイル１２Ｂとの中点と２つの抵抗の中点との電圧を
入力とする差動増幅器を設けて構成した回路を用い、前
記両中点の電圧差に応じた差動増幅器の出力を、可動板
５の駆動系にフィートバックし、駆動電流を制御するよ
うにすれば、ミラー８の光軸変位角φを精度良く制御す
るとが可能である。なお、本実施例では、検出コイル１
２Ａ，１２Ｂは利用していない。

【００４６】詳細は省略するが、可動板５の固有振動数
ω₀ は、次式で表される。

【００４７】ω₀ ＝（Ｇ・Ｉ_P ／Ｊ・ｌ₁ ）^1/2 ここでＪは慣性モーメント、Ｉ_P は極断面２次モーメン
トで次式で表される。

【００４８】Ｊ＝〔Ｍ（ｔ² ＋Ｌ₁ ²〕／１２ Ｉ_P ＝πｒ⁴ ／３２ Ｍは可動板の質量、ｔは可動板の厚さ、Ｌ₁ は可動板の
長さ、ｒはトーションバーの半径である。

【００４９】（変形）以上の実施例では、発光素子１０
４で受光し電気信号に変換して出力しているが、本発明
はこれに限らず、例えば開口１０３−１の位置に光ファ
イバーを配置し、光信号のまま出力する形で実施するこ
とができ、この形式によりたとえば光駆動のマイクロマ
シンを付勢することができる。

【００５０】また、実施例では、コンパレータ１０７に
より振幅を選択しパルスを生成しているが、本発明はこ
れに限らず、入力に同期した適宜のパルス生成回路を用
いる形で実施することができる。パルスは正，負両半波
において生成しても一方の半波のパルスは遮蔽板１０３
によりカットされるので動作に支障がない。

【００５１】また、実施例では、ガルバノミラー１０２
の振幅の位相と、発光素子の発光の位相とを調整する回
路を特に用いていないが、ガルバノミラーの駆動コイル
の前段、あるいは発光素子の前段に位相調整回路を挿入
して、ミラーの振幅位相と発光位相を調整する形で実施
することができる。

【００５２】また実施例では、電圧信号を用いている
が、本発明はこれに限らず、電流信号を用いる形で実施
することができる。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によりフェ
ールセーフ特性のバンドパスフィルタを提供することが
できる。また信号の伝達に光を用いているので、入出力
の電気的絶縁ができ、電磁気ノイズに強い。また共振部
はスプリアスがないので、ノイズがほとんどカットされ
所望の交流信号のみが得られる。またバンドパス特性の
他に入力レベル選別特性を有しているので、フェールセ
ーフの系を構成し易い。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例の概略的構成を示す図

【図２】 ガルバノミラーの振幅特性を示す図

【図３】 実施例の動作説明図

【図４】 ガルバノミラーの構成を示す図

【図５】 図４のＡ−Ａ断面図

【図６】 ガルバノミラーの動作説明図

【図７】 ガルバノミラーの変位角検出の説明図

【図８】 従来例のブロック図

【符号の説明】

１０１ 発光素子 １０２ ガルバノミラー １０３ 遮蔽体 １０３−１ 開口 １０４ 受光素子 １０５ 発振器その他の信号線 １０７ コンパレータ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力端と、この入力端に入力する交流信
   号により駆動されるガルバノミラーと、前記入力端に入
   力する交流信号に同期したパルスを生成するパルス生成
   手段と、このパルス生成手段の出力により付勢され、前
   記ガルミバネミラーに光を入射する発光素子と、この発
   光素子から入射し前記ガルバノミラーで反射した光を通
   す開口を有する前記ガルバノミラーの遮蔽体と、前記開
   口を通った前記ガルバノミラーからの反射光を受光する
   受光端とを備え、前記入力端に所定の周波数，レベルの
   交流信号が入力したとき、前記ガルバノミラーが共振
   し、前記発光素子で発光した光が前記ガルバノミラーで
   反射され、前記開口を通って前記受光端に受光されるよ
   うに構成されていることを特徴とするバンドパスフィル
   タ。
2. 【請求項２】 受光端に受光素子を設け、電気信号に変
   換して出力することを特徴とする請求項１記載のバンド
   パスフィルタ。
3. 【請求項３】 パルス生成手段は、入力端に入力する交
   流信号の正および／または負の半波の所定レベル以上を
   選択し取り出す振幅選択回路であることを特徴とする請
   求項１または請求項２記載のバンドパスフィルタ。