KR101313267B1

KR101313267B1 - 토크 구동 회로

Info

Publication number: KR101313267B1
Application number: KR1020070059971A
Authority: KR
Inventors: 폴 엠. 웨킹
Original assignee: 허니웰 인터내셔널 인코포레이티드
Priority date: 2006-09-19
Filing date: 2007-06-19
Publication date: 2013-09-27
Also published as: US7552637B2; EP1903679B1; JP5576462B2; US20080066561A1; JP2013076706A; JP5156275B2; EP1903679A2; EP1903679A3; JP2008157910A; KR20080026023A

Abstract

0g 불연속 효과와 데드 밴드를 완화하기 위한 정류 회로를 포함하는 토크 구동부가 제공된다. 가속도계는 상기 토크 구동부를 포함할 수 있으며, 토크 구동부는 편향 감지 회로에 연결된 제어 회로로부터 제어 신호를 수신하도록 배치될 수 있다. 가속도계가 가속도를 받으면, 상기 편향 감지 회로는 상기 제어 회로에 전달되는 가속도 신호를 생성한다. 상기 제어 회로는 상기 가속도계 내에서 관성 질량체 빔을 균형 맞추기 위하여 상기 토크 구동부가 사용하는 제어 신호를 반응적으로 생성한다. 상기 토크 신호가 상기 제어 신호를 동시에 추적하는 토크 신호를 생성하는 것을 방지함으로써 상기 정류 회로는 0g 불연속 효과와 데드 밴드를 완화한다. 이를 위하여, 정류 회로는 정류 버퍼 및/또는 모듈레이터를 포함할 수 있다.

토크 구동 회로, 가속도계, 정류 버퍼, 가속도, 토크, MEMS

Description

토크 구동 회로{TORQUE DRIVING CIRCUIT}

소정의 예시들이 서로 다른 도면에서 유사한 도면 부호는 유사한 구성요소를 나타내는 다음의 첨부된 도면과 관련하여 설명된다:

도 1a 및 1b는 일 예시에 따른, 가속도계의 등각 투상도, 및 가속도계 내에서의 관성 질량체를 제어하는데 사용될 수 있는 편향 감지 회로, 제어 회로 및 토크 구동 회로의 블록도이다;

도 2a 내지 2d는 일 예시에 따른, 편향 신호, 제어 신호, 토크 신호, 및 관성 질량체에 인가될 수 있는 합성력을 각각 도시한 그래프이다;

도 3의 (a) 내지 (e)는 일 예시에 따른, "스위치" 기반의 토크 구동부에 대한 개략적인 도면 및 관련된 신호에 대한 도면이다;

도 4a 내지 4c는 일 예시에 따른, "정류 버퍼(rectifying buffer)" 기반의 토크 구동부에 대한 개략적인 도면 및 관련된 신호에 대한 도면이다;

도 5a 내지 5e는 일 예시에 따른, 토크 구동부에 의해 생성되는 다양한 토크 신호를 도시한 그래프이다;

도 6은 일 예시에 따른, AC 전압 신호를 출력하도록 구성된 토크 구동부의 개략도이다; 그리고,

도 7a 내지 7e는 일 예시에 따른, 정류 버퍼 회로의 개략도 및 관련 신호에 대한 도면이며, 정류 버퍼 회로는 관성 질량체 빔의 지주(fulcrum)를 구동하도록 배치된다.

<도면의 주요 부분에 대한 도면 부호의 설명>

10: 가속도계 12: 관성 질량체

14: 지주 16, 18: 감지 패드

20, 22: 토크 패드 24, 26: 캔틸레버

28: 기판 30: 편향 감지 회로

36, 50, 70, 84, 110: 토크 구동부 42: 제어 회로

52, 54: 스위치 59: 증폭기

62: 비교기 72: 모듈레이터

86, 88, 112, 114, 120, 122: 정류 버퍼

90, 98: 차동 입력 증폭기 116, 118: 크로스포인트 스위치

124: 공통 저항

본 발명은 가속도계 기술분야에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, MEMS 기반의 가속도계를 동작시키기 위한 회로에 관한 것이다.

[정부의 권리]

미국 정부는 미 육군에 의해 맡겨진 계약 제DAAE30-01-9-0100호에 따라 본 발명에 대하여 소정의 권리를 가질 수 있다.

가속도계는 많은 과학 및 공학 시스템에서 뿐만 아니라 관성 안내 시스템에서부터 최신 자동차에서의 에어백 배치 시스템까지를 망라하는 다양한 애플리케이션에서 사용된다. 일반적으로, 가속도계는 마이크로 전자 기기 시스템(Micro Electro-Mechanical system, MEMS) 기반일 수 있으며, 수천 g까지의 넓은 가속도 감지 범위에서 사용가능하다. 또한, 단일 축, 2축 및 3축 구성이 사용가능하다. MEMS 기반의 가속도계의 관성 질량체 빔은 단순한 캔틸레버(cantilever) 빔 또는 질량 중심으로부터 벗어난 지주(fulcrum) 갖는 이중 복합 캔틸레버(시소) 중 하나를 포함할 수 있다. MEMS 빔의 어떠한 종류도 개방 루프 또는 폐쇄 루프 가속도계에서 사용될 수 있다. 개방 루프 또는 패쇄 루프 시스템 모두에서, MEMS 메커니즘은 관성 질량체 빔의 하나 이상의 편향(deflection)을 검출하기 위하여 하나 이상의 평판으로 이루어진 세트를 포함한다. 폐쇄 루프 시스템에서, 관성 질량체의 위치를 제어하기 위하여 MEMS 메카니즘은 하나 이상의 평판으로 이루어진 추가 세트를 포함한다. 이 "구동" 또는 "토크" 평판은 정전기적인 인력을 통해 상대적으로 고정된 위치에서 관성 질량체를 붙잡기 위하여 사용된다. 이러한 "재균 형(rebalancing)" 가속도계 시스템은 넓어진 동작 범위를 가지며, 감지된 가속도에서의 왜곡을 최소화한다.

가속도계가 가속도를 받으면, 편향 감지 회로는 변위 또는 편향에서의 작은 변화를 측정한다(예를 들어, 캔틸레버 빔에서). 그 다음, 제어 회로는 관성 질량체를 재균형시키고 그 왜곡을 최소화하기 위하여 제어 전압 또는 "토크" 전압을 생성한다. 일반적으로, 토크 구동부 회로는 필요한 힘을 가하기 위하여 이 전압을 교정 플레이트(좌측 또는 우측)에 대하여 스위칭한다. 또한, 토크 구동부 회로는 낮은 전압에서 제어 회로가 동작하도록 토크 전압을 증폭할 수 있다. 편향 감지 회로를 통해 피드백을 계속 받는 이 힘은 가속도계를 교정적으로 균형맞춘다. 따라서, 교정력을 제공하는데 사용되는 전압 신호의 크기는 가속도계가 받고 있는 가속도의 크기와 방향에 대한 척도이다.

대부분, 이러한 감지 및 균형에 대한 구성은 수 mg보다 더 큰 양 또는 음의 가속도에 효율적이다. 그러나, 가속도가 0 g에 가까워지면, 제어 및 구동 회로에서의 작은 옵셋 및 노이즈 때문에 측정된 가속도에서 데드 밴드 또는 급격한 불연속을 발생할 수 있다. 작다 하더라도(가끔 1 내지 100 mg의 범위를 갖는), 이 오차는 스위칭에 따른 결과물이다. 예를 들어, 양으로부터 음으로의 가속도 전환(또는 그 반대)은 무한대의 루프 이득이나 0의 루프 이득을 생성할 수 있으며, 이 모두는 제어 루프의 불안정을 포함하는 문제점이 많은 다양한 결과를 초래할 수 있 다.

따라서, 본 발명의 일 예시의 목적은 가속도계 내에서 균형 회로로서 사용될 수 있으며, 0g의 불연속 효과를 방지하고 데드 밴드를 상당히 줄일 수 있는 토크 구동부를 제공하는 것이다.

예로써, 예시적인 토크 구동부는 정류 버퍼를 포함할 수 있다. 상기 정류 버퍼의 출력 노드는 가속도계를 물리적으로 구동하는데 사용될 수 있는 토크 신호를 생성한다. 차동 입력부에서, 상기 정류 버퍼는, 예를 들어, 제어 회로로부터 전달될 수 있는 제어 신호와 상기 토크 신호를 수신한다. 동작시, 상기 토크 구동부는 상기 제어 신호가 기설정된 임계값 이하로 하강할 때 상기 토크 신호가 상기 제어 신호를 추종하는 것을 방지하기 위하여 버퍼를 사용함으로써 0g 불연속 효과 및/또는 데드 밴드의 발생을 완화한다.

추가의 또는 대체되는 예시에서, 상기 제어 신호가 전압 신호이면, 상기 기설정된 임계값은 0V일 수 있다. 상기 구성에 따라 상기 제어 신호가 양 또는 음일 때 상기 버퍼는 상기 토크 신호가 상기 제어 신호를 추종하는 것을 방지할 수 있다.

또 다른 예시에서, 버퍼는 트랜지스터에 연결된 증폭기를 포함할 수 있다. 상기 증폭기와 상기 트랜지스터는 상기 버퍼의 차동 입력부에서 전압 편차가 발생할 때 상기 토크 신호가 상기 전압 편차와 크기에서 비례하도록 배치될 수 있다. 그러나, 상기 제어 신호가 상기 기설정된 임계값 이하이면, 상기 토크 신호는 접지 전위와 같이 고정되거나 일정하게 유지될 수 있다. 또한, 상기 증폭기는 상기 증폭기에 본래부터 있을 수 있는 옵셋을 감소시키기 위하여 옵셋 신호를 수신하도록 구성될 수 있다.

다른 예시적인 구동 회로는 2 이상의 정류 버퍼를 포함할 수 있으며, 이는 다른 명칭이 가능하지만(예를 들어, 상부 및 하부, 제1 및 제2 등) 좌축 및 우측 버퍼로 불릴 수 있다. 이 예시에서, 상기 좌측 및 우측 버퍼는 각각 제어 신호를 수신한다. 상기 좌측 및 우측 버퍼는 주어진 시점에서 상기 버퍼 중 하나만이 상기 제어 신호를 추종하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 제어 신호가 양이면, 상기 우측 버퍼가 상기 제어 신호를 추적할 수 있으며, 상기 제어 신호가 음이면, 상기 좌측 버퍼가 상기 제어 신호를 추적할 수 있다.

다른 예시적인 토크 구동부는 정류 회로를 포함할 수 있다. 상기 정류 회로는 2개의 토크 신호가 상기 제어 신호를 동시에 추종하는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 일 예시에서, 상기 정류 회로는 제1 및 제2 토크 신호 중 어느 것이 상 기 제어 신호를 추종하여야 하는지를 결정하기 위한 스위치 또는 모듈레이터를 포함한다. 상기 모듈레이터는 다른 토크 신호가 고정된 입력 임피던스를 갖는 바이어스 신호를 추종하도록 선택되는 동안 상기 제어 신호를 추종할 토크 신호를 선택하도록 선택 신호를 더 수신하도록 연결될 수 있다.

첨부된 도면을 적절히 참조하여 다음의 발명의 상세한 설명을 해석함으로써 다른 양태 및 이점과 함께 이것들은 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다. 또한, 상술한 내용은 단순히 예시적인 것이며, 청구된 바와 같은 본 발명의 범위를 한정하도록 의도된 것은 아니다.

a) 가속도계

도면을 참조하면, 도 1a는 관성 질량체(12), 지주(14), 감지 패드(16, 18) 및 토크 패드(20, 22)를 포함하는 가속도계(10)의 등각 투사도이다(빔(12)과 지주(14)는 감지 및 토크 패드와 함께 하나의 메카니즘으로 칭해질 수 있다는 것에 유의하라). 빔(12)은 지주(14)로부터 연장하는 캔틸레버(24, 26)를 포함한다. 지주(14)는 캔틸레버(24)가 감지 패드(16) 및 토크 패드(20) 위로 연장하고 캔틸레버(26)가 감지 패드(18) 및 토크 패드(22) 위로 연장할 수 있도록 기판(28) 상에 배치된다. 캔틸레버(24)는 캔틸레버(26) 길이의 대략 2배이며, 감지 패드(16, 20)와 토크 패드(18, 22) 모두는 지주(14)로부터 등거리로 이격되어 있다. 캔틸레버(24)의 여분의 길이는 가속도를 감지하는데 이용되는 "관성 질량체(proof mass)" 역할을 한다.

일반적으로, 빔(12)은 알루미늄 또는 구리와 같은 금속을 포함하나, 다른 재료도 가능하다. 지주(14)는 금속 또는 전도성 재료(즉, 결정질 실리콘 또는 폴리실리콘)를 유사하게 포함할 수 있다. 기판(28)은 절연성일 수 있으며, 글라스(즉, 파이렉스(Pyrex)) 또는 이산화규소와 같은 유전체를 포함할 수 있다. 감지 패드(16, 18)는 금속 또는 규산화 물질을 포함할 수 있으며, 바이어스되거나 접지될 수 있는 빔(12)과 그 각각 사이의 정전용량을 측정하기 위한 편향 감지 회로에 의해 사용된다. 또한, 토크 패드(20, 22)는 금속이거나 규산화 물질일 수 있으며, 빔(12)을 "균형 맞추기(balance)" 위하여 토크 구동 회로에 의해 사용된다.

도 1b는 상기 가속도계(10)에 연결될 수 있는 회로를 나타내는 블록도이다. 감지 패드(16, 18)와 지주(14)는 선(32-34)을 통해 편향 감지 회로(30)에 연결된다. 토크 패드(20, 22)는 선(38, 40)을 통해 토크 구동부(36)에 연결된다. 토크 구동부(36)는 편향 회로(30)로부터 편향 신호(S_A)를 수신하는 제어 회로부(42)에 연결된다. 편향 신호(S_A)는 가속도에 직접적으로 비례하며, 제어 회로부(42)는 토크 구동부(36)에 전달되는 제어신호(V_TQR)를 생성하기 위하여 이 편향 신호(S_A)를 이용한다.

동작 시, 편향 회로(30)는 적절히 높은 진동 주파수에서 진동하는 전압 출력을 생성하는 증폭기를 포함할 수 있다. 정전 용량을 감지하기 위한 적합한 발진기는 일반적으로 1 내지 10 kHz의 범위에 있을 수 있는 캔틸레버(24, 26)의 기계적 공진 주파수 이상의 주파수로 동작하여야 한다. 편향 회로(30)는 감지 패드(16, 28)의 각각에 전압 파형(예를 들어, 구형파)을 전달한다. 이 파형은 동일하지만 서로 180도의 위상차를 가질 수 있다. 2개의 파형이 180도로 분리되면, 캔틸레버들이 균형을 이룰 때 신호선(34)은 0V의 전압을 전달한다. 그러나, 캔틸레버(24, 26) 중 하나가 편향되면, 파형이 지주(14)에서 생성되어 신호선(34)을 통해 편향 회로(30)에 전달된다. 이러한 파형의 위상은 가속도의 방향에 대한 척도 역할을 한다. 따라서, 편향 회로(30)는 가속도 신호(S_A)를 생성한다. 가속도 신호(S_A)는 신호선(34)로부터 공급되는 "가공되지 않은(raw)" 신호일 수 있으며, 또한, 제어 신호(V_TQR)를 생성하기 위하여 제어 회로(42)를 통해 수행된, 가공되지 않은 신호의 처리된 신호일 수 있다.

b) 관성 질량체의 균형 맞추기

제어 신호(V_TQR)를 수신한 후, 토크 구동부(36)는 빔(12)이 0g 또는 "안정(rest)" 위치에 가까이 있도록 빔(12)을 재균형 맞추기 위하여 사용되는 토크 신호(V_LEFT 및 V_RIGHT)를 생성한다. 인가된 가속도를 재균형 전압의 정전기력이 상쇄하기 때문에, 재균형 전압은 가속도계(10) 상에 가해진 가속도를 나타낸다. 빔(12) 은 캔틸레버(24, 26) 중 적어도 하나를 기판(28) 쪽으로 "당김(pulling)"으로써 균형이 맞추어진다. "당김"은 빔(12)과 토크 패드 사이에 전압차를 생성함으로써 얻어질 수 있다. 전압차는 캔틸레버(24, 26) 중 하나에 작용하는 정전기력(F_LEFT와 F_RIGHT로 표시된)을 생성한다. 양 및 음의 전위 모두가 캔틸레버를 기판(28) 쪽으로 당긴다는 것에 유의하여야 한다.

예를 들어, 양의 가속도가 캔틸레버(26)를 기판(28)으로부터 멀어지게 그리고 캔틸레버(24)를 기판(28) 쪽으로 움직이게 한다면, 토크 패드(22)에서의 전압 신호는 캔틸레버(26)를 기판(28) 쪽으로 당기고 캔틸레버(24)를 기판(28)으로부터 멀어지게 할 것이다. 토크 패드(22)에서의 전압 신호는 편향 신호(S_A)가 빔(12)이 균형잡혔다는 것을 나타낼 때까지 증가할 수 있다. 가속도가 음이 되면, 전압은 토크 패드(20)에 인가될 수 있으며, 캔틸레버(24)를 기판(28) 쪽으로 당기고 캔틸레버(26)를 기판(28)으로부터 멀어지게 하는 유사한 방법으로 사용될 수 있다.

빔(12)에 인가된 최종적인 힘은 다음과 같이 인가된 토크 전압의 함수이다.

F = m x A = (C/d) x [V_LEFT ² - V_RIGHT ²]

여기서, V_LEFT는 토크 패드(20)에 인가된 전압이고, V_RIGHT는 토크 패드(22)에 인가된 전압이며, C와 d는 각각 빔(12)과 기판(28) 사이의 정전 용량과 거리이다. 상기 수학식 1에서 감지 패드(20, 22)의 정전 용량 및 면적은 동일하며 지주(14)로부터 등거리에 있다고 가정한다. 또한, 감지 전극(20, 22) 모두는 빔으로부터 등거리에 있으며, 거리(d)는 일정하다고 가정한다. 힘과 가속도 벡터(F, A)는 반대 방향에 있는 것으로 정의된다. 유사하게, 질량(m)은 캔틸레버(24, 26) 각각과 관련된 질량 사이의 차이로 정의된다.

빔(12)에 인가된 토크를 최대화하기 위하여(또는, 빔(12)을 효율적으로 균형맞추기 위하여), 한 시점에서 토크 패드(20, 22) 중 하나만이 전압을 수신하여야 한다. 즉, 전압이 토크 패드(20)에 인가될 때, 전압은 토크 패드(22)에 인가되어서는 안된다(그리고 그 반대의 경우도 마찬가지이다). 도 2a 내지 2d는 편향 신호, 제어 신호, 토크 전압 및 빔(12)에 인가된 재균형력을 도시한 예시적인 그래프이다.

도 2a는 가속도를 갖는 관성 질량체의 실제 편향을 도시한다. 먼저, 편향 감지 회로(30)의 출력에서 이것은 S_A 신호를 생성한다. 도 2b는 빔(12)이 양 및 음으로 가속될 때(-g에서 +g까지의 범위) 생성된 합성 제어 신호(V_TQR)를 도시한다. 가속도의 크기가 증가함에 따라, 제어 신호(V_TQR)의 크기도 증가한다. 제어 신호(V_TQR)는 원점에서(즉, 0g에서) 이상적으로 0이다. 전술한 식에 따르면, 제어 신호는 가속도 입력의 크기의 제곱근에 비례한다.

도 2c는 도 2b에 도시된 바와 같은 제어 신호(V_TQR)에 응답하여 생성된 2개의 토크 평판 전압의 일례를 도시한다. 제어 신호(V_TQR)의 크기가 증가함에 따라, 토크 신호도 유사하게 증가한다. 유사하게, 제어 신호(V_TQR)의 크기가 감소함에 따라(즉, 도 2b의 원점 방향으로 이동함에 따라), 토크 패드(22)에서 인가된 토크 신호(V_RIGHT)는 유사하게 감소함으로써 제어 신호(V_TQR)를 추종한다. 도 2c가 한 그래프에서 2개의 전압을 결합하였다는 것을 유의하라. g>0인 값에 대하여, V_LEFT = 0이고, g<0인 값에 대하여, V_RIGHT = 0이다. 토크 신호의 한 목표는 빔(12) 상에 크기가 실질적으로 동일하지만 인가된 가속도와 반대방향인 선형 재균형력 또는 "토크"를 생성하기 위한 것일 수 있다. 도 2d는 빔(12)에 인가된 전체 재균형력을 도시한다.

대략 0g인 도 2c 그래프의 원점에서, 토크 구동부(36)는 토크 패드(20, 22)에 인가된 전압을 스위칭한다. 예를 들어, 가속도가 음에서부터 양으로 증가하면, 토크 신호는 토크 패드(22)에 인가되고 토크 패드(20)에는 인가되지 않는다. 반대 로, 가속도가 양에서부터 음으로 감소하면, 토크 신호는 토크 패드(20)에 인가되ㄱ고 토크 패드(22)에는 인가되지 않는다. 유익하게는, 토크 구동부(36)는 한 시점에서 토크 신호 중 하나(V_LEFT 또는 V_RIGHT 중 하나)만이 가속도를 추종하도록 하는 정류 회로를 포함한다. 이와 같이 하는데 있어서, 그리고 특히 0g에서, 토크 구동부(36)는 0g 불연속 효과 및/또는 데드 밴드 형성이 인가된 힘(F_LEFT + F_RIGHT, 도 2d 참조)및 토크 신호에 영향을 주는 것을 방지한다.

c) "스위치" 기반의 토크 구동부

도 3의 (a)는 토크 신호(V_LEFT, V_RIGHT)가 동시에 제어 신호(V_TQR)와 같은 제어 신호를 추종하는 것을 방지하도록 구성된 "스위치" 기반의 토크 구동부(50)에 대한 블록도이다. 토크 구동부(50)는 증폭기(59)로부터 (신호선(56, 58)을 통해) 토크 신호(V_TQR) 및 토크 신호(V_TQR)의 반전 신호를 수신하도록 연결된 스위치(52, 54)를 포함한다. 스위치(52, 54)는 제어 신호 중 하나(즉, V_TQR 또는 V_TQR의 반전 신호)만이 토크 신호를 생성하도록 스위치(52, 54)를 토글하는 비교기(62)를 포함하는 스위치 구동부(60)에 연결된다. 예를 들어, 제어 신호(V_TQR)가 0 내지 15V의 범위에 있으면, 비교기(62)는 스위치(52)가 닫히도록 (그리고 스위치(54)는 열려 있도록) 하는 출력을 생성한다. 이 경우에, V_RIGHT에 있는 토크 신호가 제어 신호(V_TQR)를 추종할 수 있다. 반대로, 제어 신호(V_TQR)가 -15 내지 0V의 범위에 있으면, 비교 기(62)는 스위치(54)가 닫히도록 (그리고 스위치(52)는 열려 있도록) 할 수 있으며, V_LEFT에 있는 토크 신호가 제어 신호(V_TQR)의 반전 신호를 추종하게 한다. 도 3의 (b)는 토크 구동부(50)를 이용하여 생성될 수 있는 토크 전압의 그래프이다.

이 기술의 변형례에서, 스위치(52, 54) 모두는 증폭기(59)의 비반전 출력(56)에 연결될 수 있다. 이 경우에, 2개의 토크 전압 출력은 도 3의 (c)에 도시된 바와 같다. 관성질량체에 동일한 힘을 인가하기 때문에, 양 기술은 균등하다. 증폭기(59)는 저항(미도시)의 배치에 의해 결정될 수 있는 고정 이득을 가질 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

도 3의 (d)는 토크 신호(V_LEFT, V_RIGHT)가 동시에 제어 신호(V_TQR)와 같은 제어 신호를 추종하는 것을 방지하도록 구성된 다른 "스위치" 기반의 토크 구동부(50)의 블록도이다. 토크 구동부(70)는 신호선(74, 76)에 각각 인가된 토크 신호와 바이어스 신호를 수신하도록 연결된 2x2 크로스 포인트(crosspoint) 스위치 또는 모듈레이터(72)를 포함한다. 이 스위치(72)는 스위치 구동부(78)에서 입력된 선택 신호(TQR_SIGN)가 2개의 신호선(80, 82)중 어떤 것이 토크 신호를 출력하고, 신호선(80, 82) 중 어떤 것이 바이어스 신호를 출력할 지를 토글할 수 있다. 이 예시에서, 제어 신호(V_TQR)는 대략 0 내지 15V의 범위에 있을 수 있다. 가속도가 0g를 교차할 때, 이에 따라 선택 신호는 토크 신호를 토글할 수 있다. 도 3의 (e)는 토 크 구동부(70)에 의해 생성될 수 있는 토크 신호의 그래프를 도시한다.

d) "정류 버퍼" 기반의 토크 구동부

"스위치" 기반의 토크 구동부(50)의 대체물은 도 4a에 도시된 바와 같은 "정류 버퍼" 기반의 토크 구동부(84)이다. "스위치" 기반의 토크 구동부(70)와는 다르게, 토크 구동부(84)는 0V에서 0g 교차를 가질 수 있어, 선택 신호에 대한 필요성을 없앨 수 있다. 스위치(72) 대신에, 정류 버퍼는 토크 신호가 제어 신호를 추종하는 것을 막는다. 특히, 가속도 신호가 기설정된 임계값 이하로 하강할 때, 정류 버퍼는 접지 신호와 같은 상수 바이어스를 출력할 수 있다.

토크 구동부(84)는 한 쌍의 정류 버퍼(86, 88)를 포함한다. 버퍼(86)는 차동 입력 증폭기(90)를 포함한다. 차동 입력 증폭기(90)의 한 단자(92)는 출력 노드(94)에 연결된다. 차동 입력 증폭기(90)의 다른 단자(96)는 제어 신호(V_TQR)를 수신하도록 연결된다. 유사하게, 버퍼(88)는 출력 노드(102)에 연결된 한 단자(100)와 제어 신호(V_TQR)를 수신하도록 연결된 다른 단자(104)를 갖는 차동 입력 증폭기(98)를 포함한다. 도 4b는 음의 가속도(-g)에서 양의 가속도(+g)까지의 범위를 갖는 제어 신호(V_TQR)를 도시하는 그래프이다.

도 4c는 제어 신호(V_TQR)에 응답하여 토크 구동부(84)에 의해 생성된 토크 신호에 대한 그래프이다. 가속도계가 음의 가속도를 받으면, 정류 버퍼(88)는 제어 신호(V_TRQ)를 추종하는 전압 신호(V_LEFT)를 출력 노드(102)에서 생성한다. 음의 가속도를 받는 동안, 출력 노드(94)에서의 전압(V_RIGHT)은 일정한 바이어스(즉, 0V)에 있다. 그러나, 가속도가 양이 되면, 버퍼(88)는 출력 노드(102)에서 일정한 바이어스를 출력하며, 버퍼(86)는 제어 신호(V_TQR)를 추종하기 시작하며, 제어 신호(V_TQR)를 추종하는 전압 신호(V_RIGHT)를 생성한다. 버퍼(86, 88)는 한 시점에서 단지 하나의 증폭기만이 제어 신호(V_TQR)를 추종하도록 배치된다.

이를 위하여, 버퍼(86)는 p형 전계 효과 트랜지스터(PFET)에 연결된 증폭기를 포함한다. 반대로, 버퍼(88)는 n형 전계 효과 트랜지스터(NFET)에 연결된 증폭기를 포함한다. 입력 노드(96)에서의 전압이 음이면, 버퍼(86) 내의 증폭기는 PFET가 차단되게 하며, 0V의 일정한 바이어스가 저항에 의해 생성된다. 유사하게, 입력 노드(104)에서의 전압이 양이면, 버퍼(88) 내의 증폭기는 NFET가 차단되게 하며, 0V의 일정한 바이어스가 생성된다.

임의의 토크 구동부 회로의 실시에 있어서, 좌측 출력으로부터 우측 출력으로의 스위칭은 0V 또는 0V에서 가능한 한 가까이 발생한다는 점을 고려하는 것이 중요하다. 도 3의 (a) 회로에서, 이것은 비교기(62)의 입력 옵셋 전압에 의해 제한될 수 있으며, 그리고, 증폭기(59)의 옵셋에 의해 더 악화될 수 있다. 최악의 경우, 출력이 스위칭할 때 이 두 개의 옵셋은 옵셋 전압의 합과 동일한 g=0에서 불연속을 생성하도록 더해질 수 있다. 그러나 도 4a의 회로에서, 2개의 정류 버퍼(86, 88) "유효 스위칭 지점"은 이 둘이 서로 매칭되는 한 중요하지 않다. 따라서, 출력이 스위칭할 때 생성될 수 있는 불연속점 또는 데드 밴드의 대부분은 비교기(90, 98)의 옵셋 전압에서의 차이와 동일하다. 이것은 동일한 반도체 기판 상에서 매칭된 증폭기를 이용함으로써 도 3 (a) 회로에 의해 생성된 것보다 적어도 더 작은 크기로 이루어지도록 할 수 있다. 원한다면, 이 효과는 임의의 수의 기술을 이용하여 증폭기(90, 88) 중 하나 또는 모두의 옵셋을 조정함으로써 더 감소할 수 있다.

또한, 도 4a의 정류 버퍼(86, 88)는 도 3의 (a)와 (c) 회로가 수행하는 방법으로 실제의 0g 불연속을 생성할 수 없다. 이것은 도 5a 내지 5e에서의 그래프에 의해 도시된다. 예를 들어, 도 4c는, 증폭기(90, 98)가 모두 0 DC 옵셋을 가질 때 도 4a의 정류 버퍼 회로의 우측 및 좌측 출력인 공칭 전달 곡선을 도시한다. 증폭기(90, 98)가 모두 동일한 양의 입력 옵셋 전압을 갖는다면, 이 곡선 세트는 그 옵셋 전압만큼 오른쪽으로 이동한다. 유사하게, 증폭기(90, 98)가 모두 동일한 음의 입력 옵셋 전압을 갖는다면, 도 4c의 곡선은 그 옵셋 전압만큼 왼쪽으로 이동한다. 이제, 증폭기(90, 98)의 2개의 옵셋 전압이 동일하지 않을 때 무슨 일이 발생하는지 고려한다. 도 5a는 증폭기(90)가 양의 옵셋을 가지고 증폭기(98)가 음의 옵셋 을 가질 때 무슨 일이 발생하는지를 도시한다. 여기서, V_RIGHT는 오른쪽으로 이동하고, V_LEFT는 왼쪽으로 이동한다. V_RIGHT와 V_LEFT가 모두 0인 곳에 0에 가까운 지점이 있다는 것에 주목하여야 한다. 이 2개의 곡선이 중첩하는 이 "데드 밴드(dead band)" 영역의 폭은 2개의 옵셋 전압의 차이를 단순히 취함으로써 알 수 있다. 도 5b는 그 역할이 바뀌었을 때, 즉, 증폭기(90)는 음의 옵셋을 가지고 있고 증폭기(98)는 양의 옵셋을 가질 때 무슨 일이 발생하는지를 도시한다. 여기서, V_RIGHT는 왼쪽으로 이동하고, V_LEFT는 오른쪽으로 이동한다. V_RIGHT와 V_LEFT가 모두 0이 아닌 곳에 0에 가까운 지점이 있다는 것에 주목하여야 한다. 2개의 곡선이 중첩하지 않는 "간극(gap)" 영역의 폭은 2개의 옵셋 전압의 차이를 단순히 취함으로써 알 수 있다. 그러나, 도 5c에 도시된 바와 같이, 관성 질량체에 인가된 최종적인 힘에서 심한 불연속이 발생하지 않는다. 대신에, 이 영역의 내부에서 가속도에 대한 힘의 곡선 기울기는 영역 외부에서의 2배이다. 대조적으로, 증폭기(59)의 옵셋이 제대로 고려되지 않으면 발생할 수 있는 도 3의 (a) 회로에 대한 한가지 가능한 종류의 불연속을 도시한 도 5d의 곡선을 고려하라. 여기서, 증폭기(59)는 양의 옵셋을 가지며, 비교기(62)는 옵셋을 가지지 않는다. 불연속점에서 이 곡선의 무한대 기울기에 주목하라. 이러한 종류의 불연속점은 기계적 진동을 유발할 수 있기 때문에 유해하다. 도 5e는 g=0에서의 불연속점 가속도에 대한 관련된 힘의 곡선에 있어서의 분리된 합성 기울기를 도시한다.

e) 구축 블록으로서의 "정렬 버퍼"

전술한 정렬 버퍼(들), 및/또는 스위치(들)은 원하는 토크 구동부를 얻기 위하여 다양한 구성에서 사용될 수 있다. 도 6은 AC 토크 신호 세트(V_RIGHT _-U, V_RIGHT _-D, V_LEFT-D, V_LEFT _-U)를 출력하는 예시적인 토크 구동부(110)를 도시한다. 토크 구동부(50, 70, 84)와는 다르게, 토크 구동부(110)는 AC 토크 신호를 지주의 왼쪽 및 오른쪽 모두에 있는 상부 및 하부 토크 평판에 출력하도록 구성된다. 예를 들어, SiO₂가 아닌 파이렉스 기판 상에 구축된 센서를 구동할 때, AC 토크 구동이 필요할 수 있다. 이것은 시간이 경과함에 따라 토크 플레이트 상에 DC 옵셋 오차와 같이 작용하는 "파이렉스 충전(Pyrex charging)" 효과 때문이다. 또한, AC 토크 구동은 구동 회로에서 DC 옵셋 전압의 효과를 제거할 수 있는 기계적 토크 평판에 토크 전압이 용량성으로 연결될 수 있게 한다. 토크 구동부(110)는 정류 버퍼(112, 114)와 크로스포인트 스위치(116, 118)를 포함한다. 버퍼(112, 114)는 제어 신호(V_TQR)를 수신한다. 스위치(116, 118)는 TQR_COM 입력에 인가된 구형파의 제어 하에서 버퍼(112)의 출력을 교차 또는 스위칭하도록 구성된다. 적절한 동작을 위하여, 기계적인 진동 및 이에 수반하는 진동 수정 오차를 방지하기 위하여 AC 전달 주파수는 메카니즘의 자연적인 공진 주파수를 초과하여야만 한다.

f) 지주에 연결된 "정류 버퍼"

한 쌍의 정류 버퍼 회로(120, 122)가 공통 저항(124)에 의해 서로 연결되고 관성 질량체를 능동적으로 구동하는데 사용되는 다른 구성이 도 7a에 도시된다. 이러한 방법으로, 토크 평판 및 관성 질량체 모두는 동시에 구동되어, 도 7b 내지 7e에 도시된 바와 같이 주어진 공급 전압에 대하여 2배의 전위차가 그들 사이에 구현될 수 있다. 전압 구동을 2배로 함으로써, 관성 질량체가 재균형될 수 있는 힘이 4배가 된다. 예를 들어, +15V와 -15V의 공급을 갖는 전술한 토크 구동 회로 중 하나에 의해 구동될 때, 주어진 메카니즘이 ±70 g의 범위를 갖는다고 가정하라. 도 7a의 회로에 의해 구동될 때, 동일한 메카니즘은 ±280 g의 범위를 갖는다.

이 회로에서 2개의 정류 버퍼는 2개의 토크 평판 전압(V_RIGHT 및 V_LEFT) 중 낮은 것을 효율적으로 버퍼링함으로써 V_PM 전압을 생성한다(도 7d) (전압 V_PM은 MEMS 메카니즘의 관성 질량체에 공급된다.) V_RIGHT < V_LEFT일 때, 우측 정류 버퍼 회로(122)가 활성화되고 V_RIGHT > V_LEFT일 때, 좌측 정류 버퍼 회로(122)가 활성화된다. 또한, 2개의 토크 평판 전압 중 큰 전압인 V_PM 전압을 생성하기 위해서는 음의 정류 버퍼보다는 양의 정류 버퍼가 사용될 수 있다는 것에 유의하여야 한다. 어떠한 경우에도 관성 질량체 상의 최종적인 힘은 동일하다. 이러한 방법으로 관성 질량체를 구동함으로써, 차동 증폭기의 옵셋 전압은 오차를 구동하는데 기여하지 않는다. 또한, 2개의 정류 버퍼(120, 122)의 옵셋 전압도 오차를 구동하는데 기여하지 않는다. 그러나, 2개의 정류 버퍼의 옵셋 전압에 있어서의 편차 또는 불일치는 오차를 구동하는데 기여한다. 전술한 바와 같이, 이것은 실제 옵셋 전압보다 더 작은 크기로 이루어질 수 있다.

g) 결론

다양한 예시들이 전술되었다. 더욱 일반적으로는, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 진정한 범위와 기술적 사상을 벗어나지 않으면서 변경과 수정이 이 예시들에 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 예를 들어, 도 1a에 도시된 가속도계는 다양한 구조체를 포함할 수 있으며, 도시된 구성요소만을 포함하는 것으로 한정되지 않는다. 가속도계는 더 적거나 더 많은 감지 또는 토크 패드를 포함할 수 있다. 그리고, 구성요소의 명칭이나 표시는 한정적인 것으로 고려되어서는 안된다. 예를 들어, 감지 및 토크 패드의 일부를 설명하는데 있어서, "좌측(왼쪽)" 또는 "우측(오른쪽)"이라는 표지가 사용된다. 이러한 표지는 "상부" 또는 "하부", "제1" 또는 "제2" 등으로 적절하게 대체될 수 있다. 또한, 감지 및/또는 토크 패드는 다양한 방법으로 배치될 수 있으며, 가속도계 내의 메카니즘 또는 캔틸레버는 특정 애플리케이션에 맞게 설계되거나 변경될 수 있다. 예를 들어, 메카니즘은 평면 또는 비평면 구조체를 모두 포함할 수 있다.

또한, 제어 회로로부터 수신되고 토크 패드로 전달된 신호의 종류는 매우 상이할 수 있다. 또한, 신호의 범위도 달라질 수 있다. 소정의 예시에서, 토크 신 호에 대한 바람직한 전압 범위는 ±15V를 포함할 수 있다. 그러나, 토크 구동부의 구성에 따라 다양한 출력 전압 범위가 가능하다. 또한, 정전위는 출력 전압 신호의 부호에 독립적일 수 있기 때문에, 소정의 실시예에서 양 및 음의 전압은 서로 교환될 수 있다.

따라서, 본 발명의 상세한 설명은 예시적인 것으로 간주되며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 실시를 위한 최선의 형태를 개시하는 것을 목적으로 한다. 상세 내용은 본 발명의 기술적 사상을 실질적으로 벗어나지 않으면서 변경될 수 있으며, 첨부된 청구범위의 범위 내에 있는 모든 수정물에 대한 배타적인 실시가 유보된다.

본 발명 예시적인 토크 구동 회로에 따르면, 0 g의 불연속 효과를 방지하고 데드 밴드를 상당히 줄일 수 있는 효과가 있으며, 또한 토크 구동 회로는 가속도계 내에서 균형 회로로서 사용될 수 있다.

Claims

정류 버퍼를 포함하는 토크 구동부에 있어서,

상기 버퍼는,

토크 신호를 생성하는 출력 노드; 및

제어 신호를 수신하도록 연결된 제1 단자 및 토크 신호를 수신하도록 연결된 제2 단자를 갖는 차동 입력부;

를 구비하고,

상기 토크 신호는 상기 제1 단자 및 상기 제2 단자에 대한 전압 편차에 상관적으로 응답하고,

상기 버퍼는 상기 제어 신호가 기설정된 임계값 이하로 하강할 때 상기 토크 신호가 상기 제어 신호를 추종하는 것을 방지하도록 구성된,

토크 구동부.
제1항에 있어서,

상기 제어 신호는 전압 신호를 포함하며, 상기 기설정된 임계값은 0V인 것을 특징으로 하는 토크 구동부.
제2항에 있어서,

상기 버퍼는 상기 제어 신호가 음의 전압에 있을 때 상기 토크 신호가 상기 제어 신호를 추종하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 토크 구동부.
제2항에 있어서,

상기 버퍼는 상기 제어 신호가 양의 전압에 있을 때 상기 토크 신호가 상기 제어 신호를 추종하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 토크 구동부.
제2항에 있어서,

상기 버퍼는,

상기 출력 노드에 연결된 트랜지스터; 및

상기 차동 입력부 및 상기 트랜지스터에 연결된 증폭기;

를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 구동부.
제5항에 있어서,

상기 제2 단자는 상기 증폭기와 관련된 옵셋을 줄이기 위해 옵셋 신호를 더 수신하도록 연결된 것을 특징으로 하는 토크 구동부.
제2항에 있어서,

상기 버퍼는 가속도계의 지주에 연결하기 위한 것을 특징으로 하는 토크 구동부.
제1항에 있어서,

상기 출력 노드는 가속도계의 관성 질량체 빔을 반응적으로 조정하기 위하여 토크 패드에 연결되고,

상기 제어 신호는 편향 감지 회로에 연결된 제어 회로로부터 전달된 것을 특징으로 하는 토크 구동부.
좌측 토크 신호를 출력하며, 상기 좌측 토크 신호와 제어 신호를 수신하도록 연결된 차동 입력부를 구비한 좌측 정류 버퍼; 및

우측 토크 신호를 출력하며, 상기 우측 토크 신호와 상기 제어 신호를 수신하도록 연결된 차동 입력부를 구비한 우측 정류 버퍼;

를 포함하고,

상기 좌측 토크 신호는 상기 좌측 토크 신호와 상기 제어 신호 사이의 전압 편차에 상관적으로 응답하고, 상기 우측 토크 신호는 상기 우측 토크 신호와 상기 제어 신호 사이의 전압 편차에 상관적으로 응답하는 토크 구동부.
제9항에 있어서,

상기 제어 신호는 가속계로부터 전달되며, 상기 좌측 및 우측 토크 신호는 가속도계 내의 관성 질량체 빔을 조정하기 위하여 토크 패드에 제공되는 것을 특징으로 하는 토크 구동부.
제9항에 있어서,

상기 제어 신호가 양일 때, 상기 우측 정류 버퍼는 상기 우측 토크 신호가 상기 제어 신호를 추종하게 하기 위하여 상기 제어 신호를 추적하도록 구성되며,

상기 제어 신호가 음일 때, 상기 좌측 정류 버퍼는 상기 좌측 토크 신호가 상기 제어 신호를 추종하게 하기 위하여 상기 제어 신호를 추적하도록 구성된 것을 특징으로 하는 토크 구동부.
정류 회로를 포함하는 토크 구동부에 있어서,

상기 정류 회로는, 가속도 신호를 수신하고,

제어 신호를 추종하는 제1 토크 신호와 상기 가속도 신호를 추종하지 않는 제2 토크 신호를 출력하는 단계; 및

상기 제어 신호가 범위를 벗어나 이동하는 경우, 상기 제2 토크 신호가 상기 제어 신호를 추종하고, 상기 제1 토크 신호가 상기 제어 신호를 추종하지 않도록 상기 제1 및 제2 토크 신호를 변경하는 단계;

를 포함하는 과정에 의하여 가속도계 내의 관성 질량체 빔을 반응적으로 조정하며,

상기 정류 회로는 상기 제1 및 제2 토크 신호가 동시에 상기 제어 신호를 추종하는 것을 방지하도록 구성된 토크 구동부.
제12항에 있어서,

상기 정류 회로는 상기 제어 신호와 선택 신호를 수신하도록 연결된 모듈레이터를 포함하며, 동작시 상기 선택 신호는 상기 제1 및 제2 토크 신호 중 어느 것이 상기 제어 신호를 추종하는지를 결정하는 것을 특징으로 하는 토크 구동부.
제13항에 있어서,

상기 모듈레이터는 바이어스 신호를 더 수신하도록 연결되며, 상기 선택 신호는 상기 제1 및 제2 토크 신호 중 상기 바이어스 신호를 추종하는 것을 결정하는 것을 특징으로 하는 토크 구동부.
제12항에 있어서,

상기 정류 회로는 상기 제1 토크 신호를 출력하기 위한 제1 정류 버퍼, 및 상기 제2 토크 신호를 출력하기 위한 제2 정류 버퍼를 포함하며,

상기 제1 및 제2 정류 버퍼는 상기 제1 및 제2 토크 신호를 각각 정류하기 위하여 상기 제어 신호를 사용하도록 구성된 것을 특징으로 하는 토크 구동부.