トルク駆動回路
【課題】ゼロｇ不連続効果および不感帯を軽減するためのレギュレータ回路を含む、トルク駆動器を提供する。
【解決手段】レギュレータ回路は、トルク信号が、制御信号を同時に追跡するトルク信号を発生するのを防止することにより、ゼロｇ不連続効果および不感帯を軽減する。そうするために、レギュレータ回路は、調整バッファおよび／または調整器を含むことができる。左トルク信号および制御信号を受け取るように結合された差動入力１００、１０４を備え、左トルク信号を出力するための左調整バッファ８８と、右トルク信号および制御信号を受け取るように結合された差動入力９２、９６を備え、右トルク信号を出力するための右調整バッファ８６と、を備え、左トルク信号は、左トルク信号と制御信号間の電圧差に相関的に対応し、右トルク信号は、右トルク信号と制御信号間の電圧差に相関的に対応する。
【解決手段】レギュレータ回路は、トルク信号が、制御信号を同時に追跡するトルク信号を発生するのを防止することにより、ゼロｇ不連続効果および不感帯を軽減する。そうするために、レギュレータ回路は、調整バッファおよび／または調整器を含むことができる。左トルク信号および制御信号を受け取るように結合された差動入力１００、１０４を備え、左トルク信号を出力するための左調整バッファ８８と、右トルク信号および制御信号を受け取るように結合された差動入力９２、９６を備え、右トルク信号を出力するための右調整バッファ８６と、を備え、左トルク信号は、左トルク信号と制御信号間の電圧差に相関的に対応し、右トルク信号は、右トルク信号と制御信号間の電圧差に相関的に対応する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は加速度計の分野に関し、より詳細にはＭＥＭＳベースの加速度計を動作させるための回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
米国政府は、米国陸軍によって認められた契約番号ＤＡＡＥ３０−０１−９−０１００に基づき本発明の特定の権利を有する。
加速度計は、慣性誘導システムから、最新の自動車のエアバッグ起動システムまで、ならびにその他多くの科学および工業システムに用いられる。一般に加速度計は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）をベースとしており、数千ｇまでの範囲の様々な加速度検出で利用可能である。さらに、単軸、２軸、および３軸構成が利用可能である。ＭＥＭＳベースの加速度計のプルーフマスビームは、単純な片持ち梁、またはマスの重心から変位された支点を有する二重複合片持ち梁（シーソー）を備えることができる。いずれのタイプのＭＥＭＳビームも、開ループまたは閉ループの加速度計システムで用いることができる。開ループおよび閉ループのシステムでは共に、ＭＥＭＳ機構は、プルーフマスビームの撓みを検出するための１つまたは複数の１組のプレートを含む。閉ループシステムでは、ＭＥＭＳ機構は、プルーフマスの位置を制御するために、さらに２つ以上の１組のプレートを含む。これらの「駆動」または「トルク」プレートは、引き合う静電力を用いて、プルーフマスを比較的固定の位置に保持するために用いられる。このような「再平衡」加速度計システムは、動作範囲が広く、検出された加速度のひずみが最小になる。
【０００３】
加速度計が加速度を受けると、撓み検出回路は、変位または（たとえば片持ち梁における）撓みの小さな変化を測定する。次いで制御回路は、プルーフマスを再平衡化させ、撓みを最小にするように、制御すなわち「トルク」電圧を発生する。次いで、通常、トルク駆動回路は、必要な力を生ずるために、この電圧を正しいプレート（右または左）に切り替える。トルク駆動回路はまた、制御回路が低電圧で動作できるように、トルク電圧を増幅する。撓み検出回路によって連続的に帰還を受けるこの力は、加速度計を補正的に平衡化させる。補正力を与えるために使われる電圧信号の大きさは、加速度計が受ける加速度の大きさと方向を示す。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
数ｍｇより大きい正または負の加速度に対しては、大体において、この検出および平衡化の方式は有効である。しかし、加速度がゼロｇに近づくにつれ、制御および駆動回路の小さなオフセットおよびノイズにより、測定された加速度に不感帯または急峻な不連続が生じ得る。これらの誤差は小さい（しばしば１〜１００ミリｇの範囲）が、スイッチングの結果作り出されるものである。たとえば正から負の加速度（またはその逆）への遷移は、無限大ループ利得またはゼロループ利得を生じる場合があり、共にその結果、制御ループの不安定性を含む様々な問題を生じ得る。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
したがって、トルク駆動器が提案される。トルク駆動器はたとえば、加速度計内の平衡回路として用いることができ、ゼロｇ不連続効果を防止し、不感帯を大幅に低減することができる。例として、一実施例のトルク駆動器は、調整バッファを備える。調整バッファの出力ノードは、トルク信号を発生し、この信号は加速度計を物理的に駆動するのに用いることができる。調整バッファは、差動入力端において、たとえば制御回路から伝達されるトルク信号および制御信号を受け取る。動作において、トルク駆動器は、バッファを用いて、制御信号が所定の閾値よりも低下するとき、トルク信号が制御信号に追従するのを防止することにより、ゼロｇ不連続効果および／または不感帯を軽減する。
【０００６】
追加の、または代替の実施例では、制御信号が電圧信号の場合、所定の閾値をゼロボルトとすることができる。構成に応じて、バッファは、制御信号が正または負のとき、トルク信号が制御信号に追従するのを防止することができる。
【０００７】
他の実施例では、バッファは、トランジスタに結合された増幅器を含むことができる。増幅器およびトランジスタは、バッファの差動入力の両端に電圧差が生じるとき、トルク信号が電圧差の大きさに応じて増減するように構成することができる。しかし制御信号が所定の閾値より低いときは、トルク信号は接地電位など、固定または一定にすることができる。増幅器はさらに、増幅器に固有のオフセットを低減するためのオフセット信号を受け取るように構成することもできる。
【０００８】
他の例示の駆動回路は、２つ以上の調整バッファを含むことができ、他の表記法（たとえば上および下、第１および第２など）も可能であるが、これらを左および右バッファと呼ぶ。実施例では、左および右バッファはそれぞれ、制御信号を受け取る。左および右バッファは、１つの時点ではバッファのうちの１つだけが制御信号に追従するように構成される。たとえば、制御信号が正のときは右バッファが制御信号を追跡することができ、制御信号が負のときは左バッファが制御信号を追跡することができる。
【０００９】
他の例示のトルク駆動器は、レギュレータ回路を含むことができる。レギュレータ回路は、同時に２つのトルク信号が制御信号に追従するのを防止するように構成することができる。一実施例では、レギュレータ回路は、第１および第２のトルク信号のどちらが制御信号に追従すべきかを決定するための、スイッチまたは調整器を備える。調整器はさらに、制御信号に追従すべきトルク信号を選択するための選択器信号を受け取るように結合することができ、他方のトルク信号は固定の入力インピーダンスを有するバイアス信号に追従するように選択される。代替実施例では、レギュレータ回路は、調整バッファを備えることができる。
【００１０】
上記その他の態様および利点は、当業者なら、添付の図面を適切に参照し、以下の詳細な説明を読むことによって明らかになるであろう。さらに、課題を解決するための手段に記載のものは、単に一例であって、特許請求の範囲に記載の本発明の範囲を限定するものでないことが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１Ａは、加速度計の等角図である。図１Ｂは、一実施例による、加速度計内のプルーフマスビームを制御するために用いることができる撓み検出、制御、およびトルク駆動回路のブロック図である。
【図２】図２Ａは、一実施例による、プルーフマスビームに適用することができる撓み信号を示すグラフである。図２Ｂは、一実施例による、プルーフマスビームに適用することができる制御信号を示すグラフである。図２Ｃは、一実施例による、プルーフマスビームに適用することができるトルク信号を示すグラフである。図２Ｄは、一実施例による、プルーフマスビームに適用することができる結果としての力を示すグラフである。
【図３Ａ】一実施例による、「スイッチ」をベースとするトルク駆動器の概略図である。
【図３Ｂ】図３Ａのトルク駆動器に関連する信号図である。
【図３Ｃ】図３Ａのトルク駆動器に関連する信号図である。
【図３Ｄ】一実施例による、「スイッチ」をベースとするトルク駆動器の概略図である。
【図３Ｅ】図３Ｄのトルク駆動器に関連する信号図である。
【図４】図４Ａは、一実施例による、「調整バッファ」をベースとするトルク駆動器の概略図である。図４Ｂは、図４Ａのトルク駆動器に関連する信号図である。図４Ｃは、図４Ａのトルク駆動器に関連する信号図である。
【図５】図５Ａは、一実施例によるトルク駆動器によって発生されるトルク信号の変化を示すグラフである。図５Ｂは、一実施例によるトルク駆動器によって発生されるトルク信号の変化を示すグラフである。図５Ｃは、一実施例によるトルク駆動器によって発生される再平衡力の変化を示すグラフである。図５Ｄは、一実施例によるトルク駆動器によって発生されるトルク信号の変化を示すグラフである。図５Ｅは、一実施例によるトルク駆動器によって発生される再平衡力の変化を示すグラフである。
【図６】一実施例による、ＡＣ電圧信号を出力するように構成されたトルク駆動器の概略図である。
【図７】図７Ａは、一実施例による、調整バッファ回路がプルーフマスビームの支点を駆動するように構成された調整バッファ回路の概略図である。図７Ｂは、図７Ａの調整バッファ回路に関連する信号図である。図７Ｃは、図７Ａの調整バッファ回路に関連する信号図である。図７Ｄは、図７Ａの調整バッファ回路に関連する信号図である。図７Ｅは、図７Ａの調整バッファ回路に関連する信号図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
添付の図面では、様々な図において同じ参照番号は同じ要素を指しており、いくつかの実施例について、添付の図面に関連して以下に説明する。
ａ）加速度計
図面を参照すると、図１Ａは、プルーフマスビーム１２、支点１４、検出パッド１６、１８、およびトルクパッド２０、２２を含む、加速度計１０の等角図である。（ビーム１２および支点１４は、検出およびトルクパッドと共に、機構と呼ばれることに留意されるべきである。）ビーム１２は、支点１４から延びる片持ち梁２４、２６を含む。支点１４は、片持ち梁２４が検出パッド１６およびトルクパッド２０の上に延び、片持ち梁２６が検出パッド１８およびトルクパッド２２の上に延びるように、基板２８上に配置される。片持ち梁２４は長さが片持ち梁２６の約２倍であり、一方、検出パッド１６、２０およびトルクパッド２０、２２はそれぞれ支点１４から等距離の間隔にある。片持ち梁２４の追加の長さは「プルーフマス」として動作し、加速度を検出するために用いられる。
【００１３】
ビーム１２は、一般にはアルミニウムまたは銅などの金属から構成されるが、他の材料も可能である。支点１４は同様に、金属または導電材料（すなわち結晶または多結晶シリコン）から構成することができる。基板２８は、絶縁性でよく、ガラス（すなわちパイレックス）または二酸化シリコンなどの誘電体が含まれる。検出パッド１６、１８は、金属またはシリサイド材料から構成することができ、それぞれとビーム１２の間の容量を測定するために撓み検出回路によって用いられ、バイアスまたは接地することができる。トルクパッド２０、２２も金属またはシリサイドであり、ビーム１２を「平衡」させるためにトルク駆動回路によって用いられる。
【００１４】
図１Ｂは、加速度計１０に結合することができる回路を表すブロック図である。検出パッド１６、１８、および支点１４は、線３２〜３４を介して撓み検出回路３０に結合される。トルクパッド２０、２２は、線３８、４０を介してトルク駆動器３６に結合される。トルク駆動器３６は制御回路４２に結合され、制御回路４２は撓み検出回路３０から撓み信号ＳＡを受け取る。撓み信号ＳＡは加速度に直接比例し、制御回路４２は撓み信号ＳＡを用いて制御信号ＶＴＱＲを発生し、制御信号ＶＴＱＲはトルク駆動器３６に伝達される。
【００１５】
動作においては、撓み検出回路３０は増幅器を含むことができ、この増幅器は適当に高い発振周波数の発振電圧出力を発生する。容量を検出するのに適した発振器は、一般に１〜１０ｋＨｚの範囲にある片持ち梁２４、２６の機械的共振よりも高い周波数で動作するべきである。撓み検出回路３０は、検出パッド１６、１８のそれぞれに電圧波形（たとえば方形波）を伝達する。波形は同一であるが、１８０°逆位相とすることができる。２つの波形が１８０°離れていれば、片持ち梁が平衡しているとき、信号線３４はゼロボルトの電圧を有する。しかし、片持ち梁２４、２６のいずれかが撓むと、支点１４に波形が発生し、信号線３４を通して撓み検出回路３０に伝達される。このような波形の位相は、加速度の方向を示すものとして働く。それに応じて、撓み検出回路３０は、加速度信号ＳＡを発生する。加速度信号ＳＡは、容量の差と相関関係にあり、信号線３４から供給される「生の」信号、または生の信号を加工したものでもよく、制御信号ＶＴＱＲを発生するために制御回路４２によって処理される。
【００１６】
ｂ）プルーフマスの平衡化
トルク駆動器３６は、制御信号ＶＴＱＲを受け取ると、トルク信号ＶＬＥＦＴおよびＶＲＩＧＨＴを発生し、これらの信号は、ビーム１２がゼロｇ近くの位置すなわち「静止」位置になるように、ビーム１２を再平衡化させるのに用いられる。再平衡電圧の静電力は、印加された加速度を打ち消すので、加速度計１０に加えられた加速度を示している。ビーム１２は、片持ち梁２４、２６の少なくとも１つを、基板２８の方向へ「引き寄せる」ことによって平衡化される。「引寄せ」は、ビーム１２とトルクパッドの間に電圧差を生成することによって得られる。電圧差により、片持ち梁２４、２６のいずれにも働く静電力（ＦＬＥＦＴおよびＦＲＩＧＨＴとして示される）が生成される。正および負電位は共に、片持ち梁を基板２８の方向に引き寄せることになることに留意されたい。
【００１７】
たとえば、正の加速度が、片持ち梁２６を基板２８から遠ざけ、片持ち梁２４を基板２８に近づける場合は、トルクパッド２２の電圧信号が、片持ち梁２６を基板２８へ引き寄せ、片持ち梁２４を基板２８から引き離すことになる。トルクパッド２２の電圧信号は、撓み信号ＳＡが、ビーム１２が平衡化されたことを示すまで増加させることができる。加速度が負になる場合は、トルクパッド２０に電圧を印加することができ、この電圧は、同様に片持ち梁２４を基板２８へ引き寄せ、片持ち梁２６を基板２８から引き離すために用いることができる。
【００１８】
ビーム１２に印加される正味の力は、次のように、印加されるトルク電圧の関数である。
Ｆ＝ｍ×Ａ＝（Ｃ／ｄ）×［ＶＬＥＦＴ２−ＶＲＩＧＨＴ２］
ただし、ＶＬＥＦＴはトルクパッド２０に印加された電圧、ＶＲＩＧＨＴはトルクパッド２２に印加された電圧、Ｃおよびｄは、それぞれ、ビーム１２と基板２８の間の容量および間隔である。上式は、検出パッド２０、２２の容量または面積は等しく、支点１４から等距離であると仮定している。上式はさらに、検出パッド２０、２２は共にビーム１２から等距離であり、間隔ｄは一定であると仮定している。力および加速度ベクトルＦおよびＡは、反対の方向に定義される。同様に、質量ｍは、片持ち梁２４、２６のそれぞれに関連する質量の差として定義される。
【００１９】
ビーム１２に印加されるトルクを最大にする（すなわちビーム１２を効率的に平衡化する）ためには、一時にトルクパッド２０、２２のうちの１つだけが電圧を受けるべきである。すなわち、トルクパッド２０に電圧が印加されるときは、トルクパッド２２に電圧が印加されるべきではない（その逆も同様である）。図２Ａ〜Ｄは、撓み信号、制御信号、トルク電圧、およびビーム１２に印加される再平衡力を示すグラフの例である。
【００２０】
図２Ａは、加速度による、プルーフマスの実際の撓みを示す。一次として、これは３０の出力にＳＡ信号を発生する。図２Ｂは、ビーム１２が正または負（−ｇから＋ｇの範囲）に加速されたときに、その結果生成される制御信号ＶＴＱＲを示す。加速度の大きさが増加するにつれて、制御信号ＶＴＱＲの大きさが増加する。理想的には、原点（すなわちゼロｇ）で、制御信号ＶＴＱＲはゼロである。制御信号は、上述の式によれば、加速度入力の大きさの平方根に比例することに留意されたい。
【００２１】
図２Ｃは、図２Ｂに示されるような制御信号ＶＴＱＲに応答して発生される、２つのトルクプレート電圧の例を示す。制御信号ＶＴＱＲの大きさが増加するにつれて、トルク信号も同様に増加する。同様に、制御信号ＶＴＱＲの大きさが減少（すなわち図２Ｂの原点の方向へ移動）するにつれて、トルクパッド２２に印加されるトルク信号（ＶＲＩＧＨＴ）は、同様に減少することによって制御信号ＶＴＱＲに追従する。図２Ｃは、２つの電圧を１つのグラフに組み合わせていることに留意されたい。ｇ＞０の値に対してはＶＬＥＦＴ＝０であり、ｇ＜０の値に対してはＶＲＩＧＨＴ＝０である。トルク信号の１つの目的は、ビーム１２に、印加された加速度と大きさがほぼ等しく方向が反対の、線形な再平衡力すなわち「トルク」を発生することである。図２Ｄは、ビーム１２に印加される、総計の再平衡力を示す。
【００２２】
図２Ｃグラフの原点では、約ゼロｇであり、トルク駆動器３６はトルクパッド２０、２２に印加される電圧を切り替える。たとえば加速度が負から正に増加する場合は、トルク信号はトルクパッド２２に印加され、トルクパッド２０には印加されないことになる。あるいは、加速度が正から負に減少する場合は、トルク信号はトルクパッド２０に印加され、トルクパッド２２には印加されないことになる。トルク駆動器３６は、一時に、トルク信号ＶＬＥＦＴまたはＶＲＩＧＨＴの１つだけが加速度に追従することを可能にするレギュレータ回路を含むことが有利である。そうすることにより特にゼロｇで、トルク駆動器３６は、ゼロｇ不連続効果および／または不感帯が、トルク信号ならびに印加される力ＦＬＥＦＴ＋ＦＲＩＧＨＴ（図２Ｄ参照）に影響を及ぼすのを防止する。
【００２３】
ｃ）「スイッチ」をベースとするトルク駆動器
図３Ａは、トルク信号ＶＬＥＦＴおよびＶＲＩＧＨＴが同時に、制御信号ＶＴＱＲなどの制御信号に追従するのを防止するように構成された、「スイッチ」をベースとするトルク駆動器５０のブロック図を示す。トルク駆動器５０は、増幅器５９から、（信号線５６、５８を通して）トルク信号ＶＴＱＲおよびトルク信号ＶＴＱＲの反転を受け取るように結合された、スイッチ５２、５４を含む。スイッチ５２、５４は、比較器６２を含むスイッチ駆動器６０に結合され、比較器６２は、制御信号のうちの１つ（すなわち、ＶＴＱＲまたはＶＴＱＲの反転）だけがトルク信号を発生するように、スイッチ５２、５４をトグルする。たとえば制御信号ＶＴＱＲが、０〜１５ボルトの範囲にある場合、比較器６２はスイッチ５２を閉路させる（かつスイッチ５４を開路のままとする）出力を発生することができる。この場合、ＶＲＩＧＨＴのトルク信号は、制御信号ＶＴＱＲに追従することができる。これに対して、ＶＴＱＲが−１５〜０ボルトの範囲にある場合、比較器６２はスイッチ５４を閉路させ（かつスイッチ５２は開路のままとし）、ＶＬＥＦＴのトルク信号を制御信号ＶＴＱＲの反転に追従させることができる。図３Ｂは、トルク駆動器５０を用いて発生される、トルク電圧のグラフである。
【００２４】
この技法の変形形態として、スイッチ５２および５４の両方を、増幅器５９の非反転出力５６に接続することができる。この場合、２つのトルク電圧出力は、図３Ｃに示されるようになる。両技法は、プルーフマスに同じ力を印加するので等価である。増幅器５９は、抵抗器（図示せず）の構成によって決定される固定利得をもつことができることを理解されたい。
【００２５】
図３Ｄは、トルク信号ＶＬＥＦＴおよびＶＲＩＧＨＴが同時に制御信号に追従するのを防止するように構成された、他の「スイッチ」をベースとするトルク駆動器７０のブロック図である。トルク駆動器７０は、それぞれ信号線７４、７６に印加されたトルク信号およびバイアス信号を受け取るように結合された、２×２のクロスポイントスイッチすなわち調整器７２を含む。スイッチ７２は、スイッチ駆動器７８に入力される選択信号ＴＱＲ＿ＳＩＧＮが、２つの信号線８０、８２のどちらがトルク信号を出力するか、および信号線８０、８２のどちらがバイアス信号を出力するかをトグルできるように構成される。この実施例では、制御信号ＶＴＲＱは約０〜１５ボルトの範囲とすることができる。加速度がゼロｇを横切るとき、それに応じて選択信号はトルク信号をトグルすることができる。図３Ｅは、トルク駆動器７０によって発生することができるトルク信号のグラフを示す。
【００２６】
ｄ）「調整バッファ」をベースとするトルク駆動器
「スイッチ」をベースとするトルク駆動器５０の代替形態は、図４Ａに示される「調整バッファ」をベースとするトルク駆動器８４である。「スイッチ」をベースとするトルク駆動器７０と異なり、トルク駆動器８４は、０Ｖでのゼロｇクロスオーバを有することができ、それにより選択信号の必要性をなくすことができる。スイッチ７２の代わりに、調整バッファはトルク信号が制御信号を追従するのを抑止する。特に、加速度信号が所定の閾値より低下するとき、調整バッファは接地信号などの一定のバイアスを出力する。
【００２７】
トルク駆動器８４は、１対の調整バッファ８６、８８を含む。バッファ８６は、差動入力増幅器９０を含む。差動入力増幅器９０の端子９２は、出力ノード９４に結合される。差動入力増幅器９０の別の端子９６は、制御信号ＶＴＲＱを受け取るように結合される。同様に、バッファ８８は、出力ノード１０２に結合された端子１００、および制御信号ＶＴＲＱを受け取るように結合された別の端子１０４を有する、差動入力増幅器９８を含む。図４Ｂは、負の加速度（−ｇ）から正の加速度（＋ｇ）の範囲の、制御信号ＶＴＲＱを示すグラフである。
【００２８】
図４Ｃは、トルク駆動器８４によって生成されるトルク信号のグラフを示し、この信号は制御信号ＶＴＲＱに応答する。加速度計が負の加速度を受けると、調整バッファ８８は、制御信号ＶＴＲＱに追従する電圧信号ＶＬＥＦＴを、出力ノード１０２に生成する。負の加速度のときは、出力ノード９４の電圧（ＶＲＩＧＨＴ）は、一定のバイアス（たとえばゼロボルト）となる。しかし、加速度が正のときは、バッファ８８は出力ノード１０２に一定のバイアスを出力し、バッファ８６は制御信号ＶＴＲＱに追従し始め、制御信号ＶＴＲＱに追従する電圧信号ＶＲＩＧＨＴを発生する。バッファ８６、８８は、一時に、１つの増幅器だけが制御信号ＶＴＲＱに追従するように構成される。
【００２９】
こうするためにバッファ８６は、ｐ型電界効果トランジスタ（ＰＦＥＴ）に結合された増幅器を備える。一方、バッファ８８は、ｎ型ＦＥＴ（ＮＦＥＴ）に結合された増幅器を備える。入力ノード９６の電圧が負のときは、バッファ８６内の増幅器はＰＦＥＴをオフにし、ゼロボルトの一定バイアスが抵抗器によって発生される。同様に、入力ノード１０４の電圧が正のときは、バッファ８８内の増幅器はＮＦＥＴをオフにし、ゼロボルトの一定バイアスが発生される。
【００３０】
どのようなトルク駆動回路を実現する場合でも、左出力から右出力への切替えが、ゼロボルトまたはできるだけゼロボルトの近くで生ずることを考慮することが重要である。図３Ａの回路では、比較器６２の入力オフセット電圧によって制限を受け、増幅器５９のオフセットによってさらに悪化し得る。最悪の場合、これら２つのオフセットは加え合わされ、出力が切り替わるとき、ｇ＝０にてそれらのオフセット電圧の和に等しい不連続を生じ得る。しかし図４Ａの回路では、２つの調整バッファ８６、８８の「実効切替えポイント」は、両方が整合している限り重要ではない。したがって、出力が切り替わるときに生じ得る不連続または不感帯の最大値は、比較器９０と９８のオフセット電圧の差に等しい。これは、同じ半導体基板上の整合した増幅器を用いることにより、図３Ａの回路によって発生されるものより、少なくとも１桁小さくすることができる。望むなら、この影響は、いくつかの任意の技法を用い、増幅器９０、９８の１つまたは両方のオフセットを調整することによってさらに低減することができる。
【００３１】
さらに、図４Ａの調整バッファ８６、８８は、図３Ａおよび３Ｃの回路が発生するような形の真のゼロｇ不連続は生じ得ない。このことは、図５Ａ〜Ｅのグラフによって示される。たとえば図４Ｃは、増幅器９０、９８の両方のＤＣオフセットがゼロのときの、図４Ａの調整バッファ回路の左および右出力の公称伝達曲線を示す。増幅器９０、９８の両方が等しい正の入力オフセット電圧を有する場合は、この１組の曲線はそのオフセット電圧だけ右にシフトされることになる。同様に、両方が等しい負のオフセット電圧を有する場合は、図４Ｃの曲線はそのオフセット電圧だけ左へシフトされることになる。次に、増幅器９０、９８の２つのオフセット電圧が等しくないときに何が起こるかを考える。図５Ａは、増幅器９０が正のオフセットを有し、増幅器９８が負のオフセットを有する場合に、何が起こるかを示している。ここでＶＲＩＧＨＴは右にシフトされ、ＶＬＥＦＴは左にシフトされる。ゼロ付近に、ＶＲＩＧＨＴおよびＶＬＥＦＴが共にゼロとなる領域があることに留意されたい。２つの曲線がオーバーラップする、この「不感帯」領域の幅は、単に２つのオフセット電圧の差をとることによって求めることができる。図５Ｂは、それぞれの役割が逆のとき、すなわち増幅器９０が負のオフセットを有し、増幅器９８が正のオフセットを有するときに、何が起こるかを示す。ここでＶＲＩＧＨＴは左にシフトされ、ＶＬＥＦＴは右にシフトされる。ゼロ付近に、ＶＲＩＧＨＴおよびＶＬＥＦＴが共にゼロでない領域があることに留意されたい。２つの曲線がオーバーラップしない「ギャップ」領域の幅も、単に２つのオフセット電圧の差をとることによって求めることができる。しかし図５Ｃに示されるように、これは結果として、プルーフマスに印加される正味の力に重大な不連続を生じない。その代わり、この領域内の力対加速度曲線の傾きは、この領域外の傾きの２倍となる。一方、図３Ａの回路で、増幅器５９のオフセットが適切に補償されない場合に生じ得る、１つの起こり得るタイプの不連続を示す図５Ｄの曲線について考える。ここでは、増幅器５９は正のオフセットを有し、比較器６２はオフセットがない。不連続における、この曲線の無限大の傾きに留意されたい。このタイプの不連続は、機械的発振を誘起し得るので、有害となり得る。図５Ｅは、関連する力対加速度曲線上に結果として生ずるｇ＝０における不連続による、ばらばらな傾きを示す。
【００３２】
ｅ）ビルディングブロックとしての「調整バッファ」
上述の調整バッファおよび／またはスイッチは、所望のトルク駆動器を実現するために、様々な構成で用いることができる。図６は、１組のＡＣトルク信号ＶＲＩＧＨＴ−Ｕ、ＶＲＩＧＨＴ−Ｄ、ＶＬＥＦＴ−Ｄ、ＶＬＥＦＴ−Ｕを出力する、一実施例のトルク駆動器１１０を示す。トルク駆動器５０、７０、８４と異なり、トルク駆動器１１０は、支点の左側および右側両方の上部および下部トルクプレートに、ＡＣトルク信号を出力するように構成される。ＡＣトルク印加は、たとえばＳｉＯ２基板でなく、パイレックス基板上に組み立てられたセンサを駆動する場合に必要となり得る。これは、長い時間にトルクプレートへのＤＣオフセット誤差のように働く、「パイレックス荷電」効果による。ＡＣトルク印加はまた、機構のトルクプレートにトルク電圧を容量性で結合することが可能になり、それにより駆動回路内のＤＣオフセット電圧の影響を除去することができる。トルク駆動器１１０は、調整バッファ１１２、１１４、およびクロスポイントスイッチ１１６、１１８を含む。バッファ１１２、１１４は、制御信号ＶＴＲＱを受け取る。スイッチ１１６、１１８は、ＴＱＲ＿ＣＯＭ入力に印加された方形波の制御の下で、バッファ１１２、１１４の出力をクロスすなわち切り替えるように構成される。適切な動作のためには、このＡＣ調整の周波数は、機械振動および関連する振動修正誤差を防止するために、機構の固有振動周波数より高くすべきである。
【００３３】
ｆ）支点に結合された「調整バッファ」
図７Ａに他の構成が示され、ここで１対の調整バッファ回路１２０、１２２は共通の抵抗器１２４によって互いに結合され、プルーフマスを能動的に駆動するのに用いられる。このようにして、トルクプレートとプルーフマスの両方が同時に駆動され、それにより、図７Ｂ〜Ｅに示されるように、所与の電源電圧に対して２倍の電位差を得ることができる。電圧駆動を２倍にすることにより、プルーフマスを再平衡する力は４倍になる。たとえば、＋１５ボルトおよび−１５ボルト電源を有する任意の以前のトルク駆動回路によって駆動した場合に、所与の機構が±７０ｇの範囲を有すると仮定する。図７Ａの回路で駆動すると、この同じ機構の範囲は±２８０ｇとなる。
【００３４】
この回路の２つの調整バッファは、２つのトルクプレート電圧ＶＲＩＧＨＴおよびＶＬＥＦＴの低い方を有効にバッファリングすることにより、ＶＰＭ電圧を発生する（図７Ｄ）。（電圧ＶＰＭは、ＭＥＭＳ機構のプルーフマスに供給される。）ＶＲＩＧＨＴ＜ＶＬＥＦＴのときは、右調整バッファ回路１２２がアクティブとなり、ＶＲＩＧＨＴ＞ＶＬＥＦＴのときは、左調整バッファ回路１２０がアクティブとなる。また、２つのトルクプレート電圧の高い方のＶＰＭ電圧を発生するには、負の調整バッファではなく正の調整バッファを用いることができることに留意すべきである。どちらの場合も、プルーフマスへの正味の力は同じである。プルーフマスをこのように駆動することにより、差動増幅器のオフセット電圧は、駆動誤差には寄与しない。さらに、２つの調整バッファ１２０、１２２のオフセット電圧も、駆動誤差には寄与しない。しかし、２つの調整バッファのオフセット電圧の差すなわち不整合は、駆動誤差に寄与する。上述のように、これは、実際のオフセット電圧よりも１桁小さくすることができる。
【００３５】
ｇ）結論
以上、様々な実施例について説明してきた。より一般に、当業者には、特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、これらの実施例を変更および修正できることが理解されよう。すなわち、たとえば図１Ａに示される加速度計は、様々な構造を有することができ、図示の素子だけを含むものと限定されない加速度計は、より多いまたはより少ない、検出またはトルクパッドを含むことができる。また素子の命名法またはラベル付けは、限定するものとみなすべきではない。たとえばいくつかの検出およびトルクパッドの説明に、「左」または「右」のラベルが用いられる。これらのラベルは、「上」または「下」、「第１」または「第２」などに適切に置き換えることができる。さらに、検出および／またはトルクパッドは、様々な形に構成することができ、加速度計内の機構または片持ち梁は、具体的な用途向けに設計または適合させることができる。たとえば機構は、面内および面外構造を共に含むことができる。
【００３６】
また、制御回路から受け取られ、トルクパッドに伝達される信号のタイプは、極めて多様となり得る。信号の範囲も、多様となり得る。いくつかの実施例では、トルク信号に対する好ましい電圧範囲は±１５Ｖである。しかし、トルク駆動器の構成に応じて、様々な出力電圧の範囲が可能である。さらに、静電的な電位は出力電圧信号の正負符号には依存しないので、いくつかの実施例では、正および負電圧は、互換可能である
したがって本発明の説明は、例示としてのみであり、当業者に本発明を実施するための最良の形態を教示するためのものと解釈すべきである。詳細は、本発明の趣旨から逸脱することなく大幅に変更することができ、添付の特許請求の範囲内のすべての変更形態の専用を留保する。
【技術分野】
【０００１】
本発明は加速度計の分野に関し、より詳細にはＭＥＭＳベースの加速度計を動作させるための回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
米国政府は、米国陸軍によって認められた契約番号ＤＡＡＥ３０−０１−９−０１００に基づき本発明の特定の権利を有する。
加速度計は、慣性誘導システムから、最新の自動車のエアバッグ起動システムまで、ならびにその他多くの科学および工業システムに用いられる。一般に加速度計は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）をベースとしており、数千ｇまでの範囲の様々な加速度検出で利用可能である。さらに、単軸、２軸、および３軸構成が利用可能である。ＭＥＭＳベースの加速度計のプルーフマスビームは、単純な片持ち梁、またはマスの重心から変位された支点を有する二重複合片持ち梁（シーソー）を備えることができる。いずれのタイプのＭＥＭＳビームも、開ループまたは閉ループの加速度計システムで用いることができる。開ループおよび閉ループのシステムでは共に、ＭＥＭＳ機構は、プルーフマスビームの撓みを検出するための１つまたは複数の１組のプレートを含む。閉ループシステムでは、ＭＥＭＳ機構は、プルーフマスの位置を制御するために、さらに２つ以上の１組のプレートを含む。これらの「駆動」または「トルク」プレートは、引き合う静電力を用いて、プルーフマスを比較的固定の位置に保持するために用いられる。このような「再平衡」加速度計システムは、動作範囲が広く、検出された加速度のひずみが最小になる。
【０００３】
加速度計が加速度を受けると、撓み検出回路は、変位または（たとえば片持ち梁における）撓みの小さな変化を測定する。次いで制御回路は、プルーフマスを再平衡化させ、撓みを最小にするように、制御すなわち「トルク」電圧を発生する。次いで、通常、トルク駆動回路は、必要な力を生ずるために、この電圧を正しいプレート（右または左）に切り替える。トルク駆動回路はまた、制御回路が低電圧で動作できるように、トルク電圧を増幅する。撓み検出回路によって連続的に帰還を受けるこの力は、加速度計を補正的に平衡化させる。補正力を与えるために使われる電圧信号の大きさは、加速度計が受ける加速度の大きさと方向を示す。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
数ｍｇより大きい正または負の加速度に対しては、大体において、この検出および平衡化の方式は有効である。しかし、加速度がゼロｇに近づくにつれ、制御および駆動回路の小さなオフセットおよびノイズにより、測定された加速度に不感帯または急峻な不連続が生じ得る。これらの誤差は小さい（しばしば１〜１００ミリｇの範囲）が、スイッチングの結果作り出されるものである。たとえば正から負の加速度（またはその逆）への遷移は、無限大ループ利得またはゼロループ利得を生じる場合があり、共にその結果、制御ループの不安定性を含む様々な問題を生じ得る。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
したがって、トルク駆動器が提案される。トルク駆動器はたとえば、加速度計内の平衡回路として用いることができ、ゼロｇ不連続効果を防止し、不感帯を大幅に低減することができる。例として、一実施例のトルク駆動器は、調整バッファを備える。調整バッファの出力ノードは、トルク信号を発生し、この信号は加速度計を物理的に駆動するのに用いることができる。調整バッファは、差動入力端において、たとえば制御回路から伝達されるトルク信号および制御信号を受け取る。動作において、トルク駆動器は、バッファを用いて、制御信号が所定の閾値よりも低下するとき、トルク信号が制御信号に追従するのを防止することにより、ゼロｇ不連続効果および／または不感帯を軽減する。
【０００６】
追加の、または代替の実施例では、制御信号が電圧信号の場合、所定の閾値をゼロボルトとすることができる。構成に応じて、バッファは、制御信号が正または負のとき、トルク信号が制御信号に追従するのを防止することができる。
【０００７】
他の実施例では、バッファは、トランジスタに結合された増幅器を含むことができる。増幅器およびトランジスタは、バッファの差動入力の両端に電圧差が生じるとき、トルク信号が電圧差の大きさに応じて増減するように構成することができる。しかし制御信号が所定の閾値より低いときは、トルク信号は接地電位など、固定または一定にすることができる。増幅器はさらに、増幅器に固有のオフセットを低減するためのオフセット信号を受け取るように構成することもできる。
【０００８】
他の例示の駆動回路は、２つ以上の調整バッファを含むことができ、他の表記法（たとえば上および下、第１および第２など）も可能であるが、これらを左および右バッファと呼ぶ。実施例では、左および右バッファはそれぞれ、制御信号を受け取る。左および右バッファは、１つの時点ではバッファのうちの１つだけが制御信号に追従するように構成される。たとえば、制御信号が正のときは右バッファが制御信号を追跡することができ、制御信号が負のときは左バッファが制御信号を追跡することができる。
【０００９】
他の例示のトルク駆動器は、レギュレータ回路を含むことができる。レギュレータ回路は、同時に２つのトルク信号が制御信号に追従するのを防止するように構成することができる。一実施例では、レギュレータ回路は、第１および第２のトルク信号のどちらが制御信号に追従すべきかを決定するための、スイッチまたは調整器を備える。調整器はさらに、制御信号に追従すべきトルク信号を選択するための選択器信号を受け取るように結合することができ、他方のトルク信号は固定の入力インピーダンスを有するバイアス信号に追従するように選択される。代替実施例では、レギュレータ回路は、調整バッファを備えることができる。
【００１０】
上記その他の態様および利点は、当業者なら、添付の図面を適切に参照し、以下の詳細な説明を読むことによって明らかになるであろう。さらに、課題を解決するための手段に記載のものは、単に一例であって、特許請求の範囲に記載の本発明の範囲を限定するものでないことが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１Ａは、加速度計の等角図である。図１Ｂは、一実施例による、加速度計内のプルーフマスビームを制御するために用いることができる撓み検出、制御、およびトルク駆動回路のブロック図である。
【図２】図２Ａは、一実施例による、プルーフマスビームに適用することができる撓み信号を示すグラフである。図２Ｂは、一実施例による、プルーフマスビームに適用することができる制御信号を示すグラフである。図２Ｃは、一実施例による、プルーフマスビームに適用することができるトルク信号を示すグラフである。図２Ｄは、一実施例による、プルーフマスビームに適用することができる結果としての力を示すグラフである。
【図３Ａ】一実施例による、「スイッチ」をベースとするトルク駆動器の概略図である。
【図３Ｂ】図３Ａのトルク駆動器に関連する信号図である。
【図３Ｃ】図３Ａのトルク駆動器に関連する信号図である。
【図３Ｄ】一実施例による、「スイッチ」をベースとするトルク駆動器の概略図である。
【図３Ｅ】図３Ｄのトルク駆動器に関連する信号図である。
【図４】図４Ａは、一実施例による、「調整バッファ」をベースとするトルク駆動器の概略図である。図４Ｂは、図４Ａのトルク駆動器に関連する信号図である。図４Ｃは、図４Ａのトルク駆動器に関連する信号図である。
【図５】図５Ａは、一実施例によるトルク駆動器によって発生されるトルク信号の変化を示すグラフである。図５Ｂは、一実施例によるトルク駆動器によって発生されるトルク信号の変化を示すグラフである。図５Ｃは、一実施例によるトルク駆動器によって発生される再平衡力の変化を示すグラフである。図５Ｄは、一実施例によるトルク駆動器によって発生されるトルク信号の変化を示すグラフである。図５Ｅは、一実施例によるトルク駆動器によって発生される再平衡力の変化を示すグラフである。
【図６】一実施例による、ＡＣ電圧信号を出力するように構成されたトルク駆動器の概略図である。
【図７】図７Ａは、一実施例による、調整バッファ回路がプルーフマスビームの支点を駆動するように構成された調整バッファ回路の概略図である。図７Ｂは、図７Ａの調整バッファ回路に関連する信号図である。図７Ｃは、図７Ａの調整バッファ回路に関連する信号図である。図７Ｄは、図７Ａの調整バッファ回路に関連する信号図である。図７Ｅは、図７Ａの調整バッファ回路に関連する信号図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
添付の図面では、様々な図において同じ参照番号は同じ要素を指しており、いくつかの実施例について、添付の図面に関連して以下に説明する。
ａ）加速度計
図面を参照すると、図１Ａは、プルーフマスビーム１２、支点１４、検出パッド１６、１８、およびトルクパッド２０、２２を含む、加速度計１０の等角図である。（ビーム１２および支点１４は、検出およびトルクパッドと共に、機構と呼ばれることに留意されるべきである。）ビーム１２は、支点１４から延びる片持ち梁２４、２６を含む。支点１４は、片持ち梁２４が検出パッド１６およびトルクパッド２０の上に延び、片持ち梁２６が検出パッド１８およびトルクパッド２２の上に延びるように、基板２８上に配置される。片持ち梁２４は長さが片持ち梁２６の約２倍であり、一方、検出パッド１６、２０およびトルクパッド２０、２２はそれぞれ支点１４から等距離の間隔にある。片持ち梁２４の追加の長さは「プルーフマス」として動作し、加速度を検出するために用いられる。
【００１３】
ビーム１２は、一般にはアルミニウムまたは銅などの金属から構成されるが、他の材料も可能である。支点１４は同様に、金属または導電材料（すなわち結晶または多結晶シリコン）から構成することができる。基板２８は、絶縁性でよく、ガラス（すなわちパイレックス）または二酸化シリコンなどの誘電体が含まれる。検出パッド１６、１８は、金属またはシリサイド材料から構成することができ、それぞれとビーム１２の間の容量を測定するために撓み検出回路によって用いられ、バイアスまたは接地することができる。トルクパッド２０、２２も金属またはシリサイドであり、ビーム１２を「平衡」させるためにトルク駆動回路によって用いられる。
【００１４】
図１Ｂは、加速度計１０に結合することができる回路を表すブロック図である。検出パッド１６、１８、および支点１４は、線３２〜３４を介して撓み検出回路３０に結合される。トルクパッド２０、２２は、線３８、４０を介してトルク駆動器３６に結合される。トルク駆動器３６は制御回路４２に結合され、制御回路４２は撓み検出回路３０から撓み信号ＳＡを受け取る。撓み信号ＳＡは加速度に直接比例し、制御回路４２は撓み信号ＳＡを用いて制御信号ＶＴＱＲを発生し、制御信号ＶＴＱＲはトルク駆動器３６に伝達される。
【００１５】
動作においては、撓み検出回路３０は増幅器を含むことができ、この増幅器は適当に高い発振周波数の発振電圧出力を発生する。容量を検出するのに適した発振器は、一般に１〜１０ｋＨｚの範囲にある片持ち梁２４、２６の機械的共振よりも高い周波数で動作するべきである。撓み検出回路３０は、検出パッド１６、１８のそれぞれに電圧波形（たとえば方形波）を伝達する。波形は同一であるが、１８０°逆位相とすることができる。２つの波形が１８０°離れていれば、片持ち梁が平衡しているとき、信号線３４はゼロボルトの電圧を有する。しかし、片持ち梁２４、２６のいずれかが撓むと、支点１４に波形が発生し、信号線３４を通して撓み検出回路３０に伝達される。このような波形の位相は、加速度の方向を示すものとして働く。それに応じて、撓み検出回路３０は、加速度信号ＳＡを発生する。加速度信号ＳＡは、容量の差と相関関係にあり、信号線３４から供給される「生の」信号、または生の信号を加工したものでもよく、制御信号ＶＴＱＲを発生するために制御回路４２によって処理される。
【００１６】
ｂ）プルーフマスの平衡化
トルク駆動器３６は、制御信号ＶＴＱＲを受け取ると、トルク信号ＶＬＥＦＴおよびＶＲＩＧＨＴを発生し、これらの信号は、ビーム１２がゼロｇ近くの位置すなわち「静止」位置になるように、ビーム１２を再平衡化させるのに用いられる。再平衡電圧の静電力は、印加された加速度を打ち消すので、加速度計１０に加えられた加速度を示している。ビーム１２は、片持ち梁２４、２６の少なくとも１つを、基板２８の方向へ「引き寄せる」ことによって平衡化される。「引寄せ」は、ビーム１２とトルクパッドの間に電圧差を生成することによって得られる。電圧差により、片持ち梁２４、２６のいずれにも働く静電力（ＦＬＥＦＴおよびＦＲＩＧＨＴとして示される）が生成される。正および負電位は共に、片持ち梁を基板２８の方向に引き寄せることになることに留意されたい。
【００１７】
たとえば、正の加速度が、片持ち梁２６を基板２８から遠ざけ、片持ち梁２４を基板２８に近づける場合は、トルクパッド２２の電圧信号が、片持ち梁２６を基板２８へ引き寄せ、片持ち梁２４を基板２８から引き離すことになる。トルクパッド２２の電圧信号は、撓み信号ＳＡが、ビーム１２が平衡化されたことを示すまで増加させることができる。加速度が負になる場合は、トルクパッド２０に電圧を印加することができ、この電圧は、同様に片持ち梁２４を基板２８へ引き寄せ、片持ち梁２６を基板２８から引き離すために用いることができる。
【００１８】
ビーム１２に印加される正味の力は、次のように、印加されるトルク電圧の関数である。
Ｆ＝ｍ×Ａ＝（Ｃ／ｄ）×［ＶＬＥＦＴ２−ＶＲＩＧＨＴ２］
ただし、ＶＬＥＦＴはトルクパッド２０に印加された電圧、ＶＲＩＧＨＴはトルクパッド２２に印加された電圧、Ｃおよびｄは、それぞれ、ビーム１２と基板２８の間の容量および間隔である。上式は、検出パッド２０、２２の容量または面積は等しく、支点１４から等距離であると仮定している。上式はさらに、検出パッド２０、２２は共にビーム１２から等距離であり、間隔ｄは一定であると仮定している。力および加速度ベクトルＦおよびＡは、反対の方向に定義される。同様に、質量ｍは、片持ち梁２４、２６のそれぞれに関連する質量の差として定義される。
【００１９】
ビーム１２に印加されるトルクを最大にする（すなわちビーム１２を効率的に平衡化する）ためには、一時にトルクパッド２０、２２のうちの１つだけが電圧を受けるべきである。すなわち、トルクパッド２０に電圧が印加されるときは、トルクパッド２２に電圧が印加されるべきではない（その逆も同様である）。図２Ａ〜Ｄは、撓み信号、制御信号、トルク電圧、およびビーム１２に印加される再平衡力を示すグラフの例である。
【００２０】
図２Ａは、加速度による、プルーフマスの実際の撓みを示す。一次として、これは３０の出力にＳＡ信号を発生する。図２Ｂは、ビーム１２が正または負（−ｇから＋ｇの範囲）に加速されたときに、その結果生成される制御信号ＶＴＱＲを示す。加速度の大きさが増加するにつれて、制御信号ＶＴＱＲの大きさが増加する。理想的には、原点（すなわちゼロｇ）で、制御信号ＶＴＱＲはゼロである。制御信号は、上述の式によれば、加速度入力の大きさの平方根に比例することに留意されたい。
【００２１】
図２Ｃは、図２Ｂに示されるような制御信号ＶＴＱＲに応答して発生される、２つのトルクプレート電圧の例を示す。制御信号ＶＴＱＲの大きさが増加するにつれて、トルク信号も同様に増加する。同様に、制御信号ＶＴＱＲの大きさが減少（すなわち図２Ｂの原点の方向へ移動）するにつれて、トルクパッド２２に印加されるトルク信号（ＶＲＩＧＨＴ）は、同様に減少することによって制御信号ＶＴＱＲに追従する。図２Ｃは、２つの電圧を１つのグラフに組み合わせていることに留意されたい。ｇ＞０の値に対してはＶＬＥＦＴ＝０であり、ｇ＜０の値に対してはＶＲＩＧＨＴ＝０である。トルク信号の１つの目的は、ビーム１２に、印加された加速度と大きさがほぼ等しく方向が反対の、線形な再平衡力すなわち「トルク」を発生することである。図２Ｄは、ビーム１２に印加される、総計の再平衡力を示す。
【００２２】
図２Ｃグラフの原点では、約ゼロｇであり、トルク駆動器３６はトルクパッド２０、２２に印加される電圧を切り替える。たとえば加速度が負から正に増加する場合は、トルク信号はトルクパッド２２に印加され、トルクパッド２０には印加されないことになる。あるいは、加速度が正から負に減少する場合は、トルク信号はトルクパッド２０に印加され、トルクパッド２２には印加されないことになる。トルク駆動器３６は、一時に、トルク信号ＶＬＥＦＴまたはＶＲＩＧＨＴの１つだけが加速度に追従することを可能にするレギュレータ回路を含むことが有利である。そうすることにより特にゼロｇで、トルク駆動器３６は、ゼロｇ不連続効果および／または不感帯が、トルク信号ならびに印加される力ＦＬＥＦＴ＋ＦＲＩＧＨＴ（図２Ｄ参照）に影響を及ぼすのを防止する。
【００２３】
ｃ）「スイッチ」をベースとするトルク駆動器
図３Ａは、トルク信号ＶＬＥＦＴおよびＶＲＩＧＨＴが同時に、制御信号ＶＴＱＲなどの制御信号に追従するのを防止するように構成された、「スイッチ」をベースとするトルク駆動器５０のブロック図を示す。トルク駆動器５０は、増幅器５９から、（信号線５６、５８を通して）トルク信号ＶＴＱＲおよびトルク信号ＶＴＱＲの反転を受け取るように結合された、スイッチ５２、５４を含む。スイッチ５２、５４は、比較器６２を含むスイッチ駆動器６０に結合され、比較器６２は、制御信号のうちの１つ（すなわち、ＶＴＱＲまたはＶＴＱＲの反転）だけがトルク信号を発生するように、スイッチ５２、５４をトグルする。たとえば制御信号ＶＴＱＲが、０〜１５ボルトの範囲にある場合、比較器６２はスイッチ５２を閉路させる（かつスイッチ５４を開路のままとする）出力を発生することができる。この場合、ＶＲＩＧＨＴのトルク信号は、制御信号ＶＴＱＲに追従することができる。これに対して、ＶＴＱＲが−１５〜０ボルトの範囲にある場合、比較器６２はスイッチ５４を閉路させ（かつスイッチ５２は開路のままとし）、ＶＬＥＦＴのトルク信号を制御信号ＶＴＱＲの反転に追従させることができる。図３Ｂは、トルク駆動器５０を用いて発生される、トルク電圧のグラフである。
【００２４】
この技法の変形形態として、スイッチ５２および５４の両方を、増幅器５９の非反転出力５６に接続することができる。この場合、２つのトルク電圧出力は、図３Ｃに示されるようになる。両技法は、プルーフマスに同じ力を印加するので等価である。増幅器５９は、抵抗器（図示せず）の構成によって決定される固定利得をもつことができることを理解されたい。
【００２５】
図３Ｄは、トルク信号ＶＬＥＦＴおよびＶＲＩＧＨＴが同時に制御信号に追従するのを防止するように構成された、他の「スイッチ」をベースとするトルク駆動器７０のブロック図である。トルク駆動器７０は、それぞれ信号線７４、７６に印加されたトルク信号およびバイアス信号を受け取るように結合された、２×２のクロスポイントスイッチすなわち調整器７２を含む。スイッチ７２は、スイッチ駆動器７８に入力される選択信号ＴＱＲ＿ＳＩＧＮが、２つの信号線８０、８２のどちらがトルク信号を出力するか、および信号線８０、８２のどちらがバイアス信号を出力するかをトグルできるように構成される。この実施例では、制御信号ＶＴＲＱは約０〜１５ボルトの範囲とすることができる。加速度がゼロｇを横切るとき、それに応じて選択信号はトルク信号をトグルすることができる。図３Ｅは、トルク駆動器７０によって発生することができるトルク信号のグラフを示す。
【００２６】
ｄ）「調整バッファ」をベースとするトルク駆動器
「スイッチ」をベースとするトルク駆動器５０の代替形態は、図４Ａに示される「調整バッファ」をベースとするトルク駆動器８４である。「スイッチ」をベースとするトルク駆動器７０と異なり、トルク駆動器８４は、０Ｖでのゼロｇクロスオーバを有することができ、それにより選択信号の必要性をなくすことができる。スイッチ７２の代わりに、調整バッファはトルク信号が制御信号を追従するのを抑止する。特に、加速度信号が所定の閾値より低下するとき、調整バッファは接地信号などの一定のバイアスを出力する。
【００２７】
トルク駆動器８４は、１対の調整バッファ８６、８８を含む。バッファ８６は、差動入力増幅器９０を含む。差動入力増幅器９０の端子９２は、出力ノード９４に結合される。差動入力増幅器９０の別の端子９６は、制御信号ＶＴＲＱを受け取るように結合される。同様に、バッファ８８は、出力ノード１０２に結合された端子１００、および制御信号ＶＴＲＱを受け取るように結合された別の端子１０４を有する、差動入力増幅器９８を含む。図４Ｂは、負の加速度（−ｇ）から正の加速度（＋ｇ）の範囲の、制御信号ＶＴＲＱを示すグラフである。
【００２８】
図４Ｃは、トルク駆動器８４によって生成されるトルク信号のグラフを示し、この信号は制御信号ＶＴＲＱに応答する。加速度計が負の加速度を受けると、調整バッファ８８は、制御信号ＶＴＲＱに追従する電圧信号ＶＬＥＦＴを、出力ノード１０２に生成する。負の加速度のときは、出力ノード９４の電圧（ＶＲＩＧＨＴ）は、一定のバイアス（たとえばゼロボルト）となる。しかし、加速度が正のときは、バッファ８８は出力ノード１０２に一定のバイアスを出力し、バッファ８６は制御信号ＶＴＲＱに追従し始め、制御信号ＶＴＲＱに追従する電圧信号ＶＲＩＧＨＴを発生する。バッファ８６、８８は、一時に、１つの増幅器だけが制御信号ＶＴＲＱに追従するように構成される。
【００２９】
こうするためにバッファ８６は、ｐ型電界効果トランジスタ（ＰＦＥＴ）に結合された増幅器を備える。一方、バッファ８８は、ｎ型ＦＥＴ（ＮＦＥＴ）に結合された増幅器を備える。入力ノード９６の電圧が負のときは、バッファ８６内の増幅器はＰＦＥＴをオフにし、ゼロボルトの一定バイアスが抵抗器によって発生される。同様に、入力ノード１０４の電圧が正のときは、バッファ８８内の増幅器はＮＦＥＴをオフにし、ゼロボルトの一定バイアスが発生される。
【００３０】
どのようなトルク駆動回路を実現する場合でも、左出力から右出力への切替えが、ゼロボルトまたはできるだけゼロボルトの近くで生ずることを考慮することが重要である。図３Ａの回路では、比較器６２の入力オフセット電圧によって制限を受け、増幅器５９のオフセットによってさらに悪化し得る。最悪の場合、これら２つのオフセットは加え合わされ、出力が切り替わるとき、ｇ＝０にてそれらのオフセット電圧の和に等しい不連続を生じ得る。しかし図４Ａの回路では、２つの調整バッファ８６、８８の「実効切替えポイント」は、両方が整合している限り重要ではない。したがって、出力が切り替わるときに生じ得る不連続または不感帯の最大値は、比較器９０と９８のオフセット電圧の差に等しい。これは、同じ半導体基板上の整合した増幅器を用いることにより、図３Ａの回路によって発生されるものより、少なくとも１桁小さくすることができる。望むなら、この影響は、いくつかの任意の技法を用い、増幅器９０、９８の１つまたは両方のオフセットを調整することによってさらに低減することができる。
【００３１】
さらに、図４Ａの調整バッファ８６、８８は、図３Ａおよび３Ｃの回路が発生するような形の真のゼロｇ不連続は生じ得ない。このことは、図５Ａ〜Ｅのグラフによって示される。たとえば図４Ｃは、増幅器９０、９８の両方のＤＣオフセットがゼロのときの、図４Ａの調整バッファ回路の左および右出力の公称伝達曲線を示す。増幅器９０、９８の両方が等しい正の入力オフセット電圧を有する場合は、この１組の曲線はそのオフセット電圧だけ右にシフトされることになる。同様に、両方が等しい負のオフセット電圧を有する場合は、図４Ｃの曲線はそのオフセット電圧だけ左へシフトされることになる。次に、増幅器９０、９８の２つのオフセット電圧が等しくないときに何が起こるかを考える。図５Ａは、増幅器９０が正のオフセットを有し、増幅器９８が負のオフセットを有する場合に、何が起こるかを示している。ここでＶＲＩＧＨＴは右にシフトされ、ＶＬＥＦＴは左にシフトされる。ゼロ付近に、ＶＲＩＧＨＴおよびＶＬＥＦＴが共にゼロとなる領域があることに留意されたい。２つの曲線がオーバーラップする、この「不感帯」領域の幅は、単に２つのオフセット電圧の差をとることによって求めることができる。図５Ｂは、それぞれの役割が逆のとき、すなわち増幅器９０が負のオフセットを有し、増幅器９８が正のオフセットを有するときに、何が起こるかを示す。ここでＶＲＩＧＨＴは左にシフトされ、ＶＬＥＦＴは右にシフトされる。ゼロ付近に、ＶＲＩＧＨＴおよびＶＬＥＦＴが共にゼロでない領域があることに留意されたい。２つの曲線がオーバーラップしない「ギャップ」領域の幅も、単に２つのオフセット電圧の差をとることによって求めることができる。しかし図５Ｃに示されるように、これは結果として、プルーフマスに印加される正味の力に重大な不連続を生じない。その代わり、この領域内の力対加速度曲線の傾きは、この領域外の傾きの２倍となる。一方、図３Ａの回路で、増幅器５９のオフセットが適切に補償されない場合に生じ得る、１つの起こり得るタイプの不連続を示す図５Ｄの曲線について考える。ここでは、増幅器５９は正のオフセットを有し、比較器６２はオフセットがない。不連続における、この曲線の無限大の傾きに留意されたい。このタイプの不連続は、機械的発振を誘起し得るので、有害となり得る。図５Ｅは、関連する力対加速度曲線上に結果として生ずるｇ＝０における不連続による、ばらばらな傾きを示す。
【００３２】
ｅ）ビルディングブロックとしての「調整バッファ」
上述の調整バッファおよび／またはスイッチは、所望のトルク駆動器を実現するために、様々な構成で用いることができる。図６は、１組のＡＣトルク信号ＶＲＩＧＨＴ−Ｕ、ＶＲＩＧＨＴ−Ｄ、ＶＬＥＦＴ−Ｄ、ＶＬＥＦＴ−Ｕを出力する、一実施例のトルク駆動器１１０を示す。トルク駆動器５０、７０、８４と異なり、トルク駆動器１１０は、支点の左側および右側両方の上部および下部トルクプレートに、ＡＣトルク信号を出力するように構成される。ＡＣトルク印加は、たとえばＳｉＯ２基板でなく、パイレックス基板上に組み立てられたセンサを駆動する場合に必要となり得る。これは、長い時間にトルクプレートへのＤＣオフセット誤差のように働く、「パイレックス荷電」効果による。ＡＣトルク印加はまた、機構のトルクプレートにトルク電圧を容量性で結合することが可能になり、それにより駆動回路内のＤＣオフセット電圧の影響を除去することができる。トルク駆動器１１０は、調整バッファ１１２、１１４、およびクロスポイントスイッチ１１６、１１８を含む。バッファ１１２、１１４は、制御信号ＶＴＲＱを受け取る。スイッチ１１６、１１８は、ＴＱＲ＿ＣＯＭ入力に印加された方形波の制御の下で、バッファ１１２、１１４の出力をクロスすなわち切り替えるように構成される。適切な動作のためには、このＡＣ調整の周波数は、機械振動および関連する振動修正誤差を防止するために、機構の固有振動周波数より高くすべきである。
【００３３】
ｆ）支点に結合された「調整バッファ」
図７Ａに他の構成が示され、ここで１対の調整バッファ回路１２０、１２２は共通の抵抗器１２４によって互いに結合され、プルーフマスを能動的に駆動するのに用いられる。このようにして、トルクプレートとプルーフマスの両方が同時に駆動され、それにより、図７Ｂ〜Ｅに示されるように、所与の電源電圧に対して２倍の電位差を得ることができる。電圧駆動を２倍にすることにより、プルーフマスを再平衡する力は４倍になる。たとえば、＋１５ボルトおよび−１５ボルト電源を有する任意の以前のトルク駆動回路によって駆動した場合に、所与の機構が±７０ｇの範囲を有すると仮定する。図７Ａの回路で駆動すると、この同じ機構の範囲は±２８０ｇとなる。
【００３４】
この回路の２つの調整バッファは、２つのトルクプレート電圧ＶＲＩＧＨＴおよびＶＬＥＦＴの低い方を有効にバッファリングすることにより、ＶＰＭ電圧を発生する（図７Ｄ）。（電圧ＶＰＭは、ＭＥＭＳ機構のプルーフマスに供給される。）ＶＲＩＧＨＴ＜ＶＬＥＦＴのときは、右調整バッファ回路１２２がアクティブとなり、ＶＲＩＧＨＴ＞ＶＬＥＦＴのときは、左調整バッファ回路１２０がアクティブとなる。また、２つのトルクプレート電圧の高い方のＶＰＭ電圧を発生するには、負の調整バッファではなく正の調整バッファを用いることができることに留意すべきである。どちらの場合も、プルーフマスへの正味の力は同じである。プルーフマスをこのように駆動することにより、差動増幅器のオフセット電圧は、駆動誤差には寄与しない。さらに、２つの調整バッファ１２０、１２２のオフセット電圧も、駆動誤差には寄与しない。しかし、２つの調整バッファのオフセット電圧の差すなわち不整合は、駆動誤差に寄与する。上述のように、これは、実際のオフセット電圧よりも１桁小さくすることができる。
【００３５】
ｇ）結論
以上、様々な実施例について説明してきた。より一般に、当業者には、特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、これらの実施例を変更および修正できることが理解されよう。すなわち、たとえば図１Ａに示される加速度計は、様々な構造を有することができ、図示の素子だけを含むものと限定されない加速度計は、より多いまたはより少ない、検出またはトルクパッドを含むことができる。また素子の命名法またはラベル付けは、限定するものとみなすべきではない。たとえばいくつかの検出およびトルクパッドの説明に、「左」または「右」のラベルが用いられる。これらのラベルは、「上」または「下」、「第１」または「第２」などに適切に置き換えることができる。さらに、検出および／またはトルクパッドは、様々な形に構成することができ、加速度計内の機構または片持ち梁は、具体的な用途向けに設計または適合させることができる。たとえば機構は、面内および面外構造を共に含むことができる。
【００３６】
また、制御回路から受け取られ、トルクパッドに伝達される信号のタイプは、極めて多様となり得る。信号の範囲も、多様となり得る。いくつかの実施例では、トルク信号に対する好ましい電圧範囲は±１５Ｖである。しかし、トルク駆動器の構成に応じて、様々な出力電圧の範囲が可能である。さらに、静電的な電位は出力電圧信号の正負符号には依存しないので、いくつかの実施例では、正および負電圧は、互換可能である
したがって本発明の説明は、例示としてのみであり、当業者に本発明を実施するための最良の形態を教示するためのものと解釈すべきである。詳細は、本発明の趣旨から逸脱することなく大幅に変更することができ、添付の特許請求の範囲内のすべての変更形態の専用を留保する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トルク駆動器であって、
左トルク信号および制御信号を受け取るように結合された差動入力を備え、前記左トルク信号を出力するための左調整バッファと、
右トルク信号および前記制御信号を受け取るように結合された差動入力を備え、前記右トルク信号を出力するための右調整バッファと、を備え、
前記左トルク信号は、前記左トルク信号と前記制御信号間の電圧差に相関的に対応し、
前記右トルク信号は、前記右トルク信号と前記制御信号間の電圧差に相関的に対応する、
トルク駆動器。
【請求項２】
前記制御信号は加速度計から伝達され、加速度計内のプルーフマスビームを調整するために、前記左および右トルク信号がトルクパッドに供給される、請求項１に記載のトルク駆動器。
【請求項３】
前記制御信号が正のとき、前記右調整バッファは前記制御信号を追跡するように構成され、それにより前記右トルク信号が前記制御信号に追従し、かつ前記制御信号が負のとき、前記左調整バッファは前記制御信号を追跡するように構成され、それにより前記左トルク信号が制御信号に追従する、請求項１に記載のトルク駆動器。
【請求項４】
加速度信号に対応する制御信号を受け取り、加速度計内のプルーフマスビームを応答可能に調整するためのレギュレータ回路を含み、前記調整するプロセスは、
前記制御信号に追従する第１のトルク信号、および前記制御信号に追従しない第２のトルク信号を出力するステップと、
前記制御信号が範囲外になる場合、前記第２のトルク信号が前記制御信号に追従し、前記第１のトルク信号が前記制御信号に追従しないように、前記第１および第２のトルク信号を変化させるステップとを含み、前記レギュレータ回路は前記第１および第２のトルク信号が同時に前記制御信号に追従するのを防止するように構成される、
トルク駆動器。
【請求項５】
前記レギュレータ回路は、前記制御信号および選択器信号を受け取るように結合された調整器を含み、動作時に前記選択器信号は、前記第１および第２のトルク信号のどちらが前記制御信号に追従すべきかを決定する、請求項４に記載のトルク駆動器。
【請求項６】
前記調整器はさらに、バイアス信号を受け取るように結合され、前記選択器信号はさらに、前記第１および第２のトルク信号のどちらが前記バイアス信号に追従すべきかを決定する、請求項５に記載のトルク駆動器。
【請求項１】
トルク駆動器であって、
左トルク信号および制御信号を受け取るように結合された差動入力を備え、前記左トルク信号を出力するための左調整バッファと、
右トルク信号および前記制御信号を受け取るように結合された差動入力を備え、前記右トルク信号を出力するための右調整バッファと、を備え、
前記左トルク信号は、前記左トルク信号と前記制御信号間の電圧差に相関的に対応し、
前記右トルク信号は、前記右トルク信号と前記制御信号間の電圧差に相関的に対応する、
トルク駆動器。
【請求項２】
前記制御信号は加速度計から伝達され、加速度計内のプルーフマスビームを調整するために、前記左および右トルク信号がトルクパッドに供給される、請求項１に記載のトルク駆動器。
【請求項３】
前記制御信号が正のとき、前記右調整バッファは前記制御信号を追跡するように構成され、それにより前記右トルク信号が前記制御信号に追従し、かつ前記制御信号が負のとき、前記左調整バッファは前記制御信号を追跡するように構成され、それにより前記左トルク信号が制御信号に追従する、請求項１に記載のトルク駆動器。
【請求項４】
加速度信号に対応する制御信号を受け取り、加速度計内のプルーフマスビームを応答可能に調整するためのレギュレータ回路を含み、前記調整するプロセスは、
前記制御信号に追従する第１のトルク信号、および前記制御信号に追従しない第２のトルク信号を出力するステップと、
前記制御信号が範囲外になる場合、前記第２のトルク信号が前記制御信号に追従し、前記第１のトルク信号が前記制御信号に追従しないように、前記第１および第２のトルク信号を変化させるステップとを含み、前記レギュレータ回路は前記第１および第２のトルク信号が同時に前記制御信号に追従するのを防止するように構成される、
トルク駆動器。
【請求項５】
前記レギュレータ回路は、前記制御信号および選択器信号を受け取るように結合された調整器を含み、動作時に前記選択器信号は、前記第１および第２のトルク信号のどちらが前記制御信号に追従すべきかを決定する、請求項４に記載のトルク駆動器。
【請求項６】
前記調整器はさらに、バイアス信号を受け取るように結合され、前記選択器信号はさらに、前記第１および第２のトルク信号のどちらが前記バイアス信号に追従すべきかを決定する、請求項５に記載のトルク駆動器。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図３Ｅ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図３Ｅ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−７６７０６（Ｐ２０１３−７６７０６Ａ）
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２６９０９４（Ｐ２０１２−２６９０９４）
【出願日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【分割の表示】特願２００７−１６０９５７（Ｐ２００７−１６０９５７）の分割
【原出願日】平成１９年６月１９日（２００７．６．１９）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【分割の表示】特願２００７−１６０９５７（Ｐ２００７−１６０９５７）の分割
【原出願日】平成１９年６月１９日（２００７．６．１９）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
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