JP2026032011A - 条件付き静電容量検出を伴う振り子式加速度計センサ - Google Patents

Abstract

【課題】低電力消費でありながら性能改善が維持された、振り子式静電加速度計センサを提供する。
【解決手段】ケーシングと、ケーシングに対して固定された振り子と、振り子により担持され検出回路に対して接続された可動電極と、ケーシングと一体である第１の固定電極および第２の固定電極であって、可動電極と第１の固定電極との間のおよび可動電極と第２の固定電極との間の距離に応じて静電容量が可変である２つのコンデンサを可動電極と共に形成する、第１の固定電極および第２の固定電極と、コンデンサの可変静電容量を計測するための検出動作と、固定電極に対して制御信号を送達して振り子を所定の位置に維持する駆動回路に対する固定電極の選択的接続のためにスイッチを制御するように論理信号を印加することにより計測された、静電容量に応じた可動電極の制御動作とを実施するように構成された制御ユニットとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、物理量の検出のために使用される静電制御および検出を伴う閉ループ振り子式加速度計センサと、かかるセンサを制御するための方法とに関する。このセンサは、例えばＭＥＭＳ（微小電気機械システム）テクノロジーセンサなどである。

振り子式静電加速度計は、ケーシングと、１つまたは複数のヒンジによりケーシングに対して連結された振動質量とを備え、ヒンジはこの振動質量がケーシングに対して並進方向または回転方向のいずれかにおいて可動である振り子を形成するように位置決めされる。加速効果の下におけるこの振動質量の動きが、一般的には３個の電極により検出される。

第１の固定電極および第２の固定電極が、ケーシングと一体であり、駆動回路に対して接続される。

可動である第３の電極は、振り子により担持され、検出回路に対して接続される。

各固定電極は、この可動電極と共に、それらの間隔に数値が依存する静電容量を形成する。製造欠陥がない場合には、およびセンサがその感知軸方向に沿った加速を被らない場合には、振り子はニュートラル位置を維持し、２つの静電容量は均等となる。他方において、振り子がその感知軸方向に沿った加速を被る場合には、振り子は移動し、それにより可動電極と固定電極の一方とによって形成された静電容量が続けて低下し、可動電極と他方の固定電極とによって形成された静電容量は上昇する。

また、この静電容量変動は、ケーシングおよび振り子の変形にも依存する。

閉ループ動作では、振り子の位置は、感知軸に沿って印加される加速を相殺するはずである静電力を振り子に対して印加することによって、ニュートラル位置または固定電極間の中間に位置する目標位置にサーボ制御される。この静電力は、静電容量差をゼロに維持するために電圧がこれらの電極に対して印加される結果として得られる。

センサは、固定電極ごとに駆動回路を備え、この駆動回路は、前記静電力を発生させるために電極に対して電力供給するように構成される。

印加電圧に対する静電力の二次指標が、振り子のサーボ制御および加速度の推定を実施する制御回路の設計を複雑化する。

この難点を回避するために、較正された電圧パルスを利用して振り子をオールオアナッシング制御することが知られている。

これらのパルスは、振り子を目標位置へと戻すために振り子を引くべきであるか押すべきであるかのいずれかに応じて、これらの電極のいずれか一方に対して印加される。この場合に、振り子を押すまたは引くためのパルス密度、すなわち時間間隔あたりのパルス量が、計測すべき加速度のアフィン関数となる。

したがって、ゼロ加速度は、両方向における平均パルス数が均等であることによって補償される。

しかし、これらの２個の電極に対して印加されるパルスの対称性は、第１の固定電極に対して印加されるパルスの期間と第２の固定電極に対して印加されるパルスの期間との間の相違により不完全なものとなり得る。

この場合に、パルス密度は、目標位置に振り子を維持するためにサーボ制御により修正され、これにより加速度の推定にバイアスがかけられる。

このタイプのセンサの性能を改善するために、文献ＷＯ２０１４／１２８０２７では、共通駆動回路を使用して、駆動回路の素子の製造非対称性および経年変化の問題を抑制することが提案されている。

また、文献ＷＯ２０１７／８５１４２では、より小さな計測範囲に対して最適な性能の実現を可能にする適度な制御パルスを送信する微調整フェーズと、計測範囲を拡大して場合によっては低性能を伴いつつフルスケールでセンサにバイアスをかけるために高振幅制御パルスが送信される拡大動作制御フェーズとを実施することが提案されている。

前述のセンサは、多くの点において有利ではあるが、電力消費量が比較的高い。

ＷＯ２０１４／１２８０２７ ＷＯ２０１７／８５１４２

上記を鑑みて、本発明の目的は、低電力消費でありながら性能改善が維持された、振り子式静電加速度計センサを提供することである。

さらに、本発明のもう１つの目的は、単純な実装構造を有するかかるセンサを提案することである。

したがって、本発明は、ケーシングと、ケーシングに対して固定された振り子と、振り子により担持され検出回路に対して接続された可動電極と、ケーシングと一体である第１の固定電極および第２の固定電極であって、可動電極と第１の固定電極との間のおよび可動電極と第２の固定電極との間の距離に応じて静電容量が可変である２つのコンデンサを可動電極と共に形成する、第１の固定電極および第２の固定電極と、コンデンサの可変静電容量を計測するための検出動作と、固定電極に対して制御信号を送達して振り子を所定の位置に維持する駆動回路に対する固定電極の選択的接続のためにスイッチを制御するように論理信号を印加することにより計測された、静電容量に応じた可動電極の制御動作とを実施するように構成された制御ユニットとを備える、加速度計センサを提案する。

制御ユニットは、各較正期間にて、制御信号の論理レベルに従って選択された前記固定電極の一方に第１の検出信号を印加し、他方の固定電極に第２の検出信号を印加するように構成される。制御信号は、第２の検出信号が印加される電極に対して印加される。

したがって、２つの検出信号および制御信号を印加することによりスイッチのスイッチ切替え回数を低減することによって、センサ消費の低下および性能の改善が得られる。

別の特徴によれば、第１の検出信号および第２の検出信号は、スロットの形態の信号である。

さらに別の特徴によれば、スイッチは、駆動回路により供給された基準電位の第１の入力端子と、ゼロ電位の第２の入力端子とを備えることにより、駆動回路またはゼロ電位に対して前記固定電極を選択的に接続する。

一実施形態では、駆動回路は、スイッチに対して接続され制御ユニットにより制御されるデジタルアナログ変換器を備える。

検出回路は、増幅器ステージを含み得、増幅器ステージは、可動電極に対して接続された入力と、アナログデジタル変換器に対して接続された出力とを有し、アナログデジタル変換器は、制御ユニットに対して接続された出力を有する。

例えば、制御ユニットは、第１の振り子位置推定器を含み、第１の振り子位置推定器は、入力にて検出回路の出力に対して接続され、出力にて比較器のマイナス入力に対して接続され、比較器は、補正器の入力に対して接続された出力を有し、補正器は、シーケンサおよび第２の推定器に対して接続された出力を有し、第２の推定器は、比較器のプラス入力に対して接続された第１の出力と、加速度の推定値を供給する第２の出力とを有する。

一実施形態では、制御ユニットは、共通の検出および制御パルスにより第２の検出信号および制御信号を印加するように構成される。

さらに、本発明の目的は、上記に定義したような加速度計センサを制御するための方法でもある。この方法は、
－ 各較正期間にて、制御信号の論理レベルに従って選択された固定電極の一方に第１の検出信号を、および他方の固定電極に第２の検出信号を印加することによって、コンデンサの可変静電容量を検出するステップと、
－ 第２の検出信号が印加される電極に対して制御信号を印加するように制御信号を送達する駆動回路に対する固定電極の選択的接続のためにスイッチを制御するように論理信号を印加することにより計測された、静電容量に応じて可動電極を制御するステップと
を含む。

この方法によれば、有利には、第２の検出信号および制御信号は、共通の検出および制御パルスにより印加される。

非限定的な例としてもっぱら提示され、添付の図面を参照とする以下の説明を読むことにより、本発明の他の目的、特徴、および利点が明らかになろう。

本発明の一実施形態によるセンサの概略図である。 制御信号の論理レベルに応じた固定電極に対する第１の検出信号および第２の検出信号のならびに制御信号の印加を示すタイミンググラフである。 制御信号の論理レベルに応じた固定電極に対する第１の検出信号および第２の検出信号のならびに制御信号の印加を示すタイミンググラフである。 被制御電極に対して印加される検出信号および制御信号が共通検出および制御パルスにより印加される、本発明の別の実施形態を示すタイミンググラフである。

図１は、参照符号１で全体的に示される、本発明による加速度計センサを示す。

ここでは、加速度計センサは、ケイ素などの結晶材料または半結晶材料のプレートをエッチングすることにより作製された、ＭＥＭＳとも呼ばれる微小電気機械システムである。

センサは、ケーシング２を備える。固体３が、ヒンジ４によりこのケーシング２に対して関節連結される。ヒンジ４は、固体３が枢動によりケーシング２に対する可動振り子を形成するように位置決めされる。

センサ１は、第１の固定電極５．１および第２の固定電極５．２を備え、これらの固定電極は、ケーシングと一体であり、参照符号６で示す駆動回路に対して接続される。固体３により担持された第３の電極５．３が、検出回路７に対して接続される。制御ユニット８が、駆動回路６および検出回路７に対して接続される。

駆動回路６は、スイッチ９に対して接続された出力を含む。このスイッチ９は、駆動回路６に対して第１の電極５．１および第２の電極５．２を選択的に接続するように、第１の電極５．１に対して接続される位置と、第２の電極５．２に対して接続される位置との２つの位置を有する。

さらに具体的には、スイッチ９は、駆動回路６の出力または接地のいずれかに対して第１の電極５．１を接続するように構成されたスイッチＩ１と、駆動回路６の出力または接地のいずれかに対して第２の電極５．２を接続するように構成されたスイッチＩ２とを備える。

スイッチ９は、制御ユニット８により制御される。

制御ユニット８は、第１の推定器１０を備える。この第１の推定器１０は、入力にて検出回路７に対して接続され、出力にて比較器１１のマイナス入力に対して接続される。比較器１１は、補正器１２の入力に対して接続された出力を有し、補正器１２の出力は、シーケンサ１３に対して接続される。

制御ユニット８は、第２の推定器１４をさらに備える。この第２の推定器１４は、補正器１２の出力に対して接続された入力と、比較器１１のさらなる入力に対して接続された出力と、加速度γｅの推定値を供給する出力とを有する。

さらに、駆動回路６は、スイッチ９に対して接続され制御ユニット８により制御されるデジタルアナログ変換器１５を備える。

検出回路７は、主増幅器ステージ１６を備え、この主増幅器ステージ１６は、静電容量Ｃｒｅｆのループコンデンサ１８およびスイッチＩ_３を備える電荷増幅器１７を含む。

この増幅器ステージは、可動電極５．３に対して接続された入力と、アナログデジタル変換器１９の入力に対して接続された出力とを有し、アナログデジタル変換器１９は、制御ユニットの第１の推定器１０に対して接続された出力を有する。

このセンサは、以下のように動作する。

制御ユニット８は、センサの動作を、および特に周波数ＦＳにて較正された様々な動作の履歴を管理する。シーケンサ１３は、制御ｕによりデジタルアナログ変換器１５を、制御ｓによりアナログスイッチＩ１、Ｉ２を、制御ｃによりアナログデジタル変換器１９を、および制御ｒによりアナログスイッチＩ３を順次および循環的に制御することによって、較正期間Ｔｓ内の動作を順序付ける。

制御ｓの論理状態に従い、電極５．１および電極５．２の一方がデジタルアナログ変換器１５の出力Ｖに対して接続され、同時に他方の電極５．２、５．１が接地に対して接続される。したがって、この変換器の出力に対して接続された電極は、駆動回路６により供給される基準電位に位置決めされる。

この加速度計センサは、各較正期間ＴＳにおいて、第１の固定電極５．１と可動電極５．３との間および第２の固定電極５．２と可動電極５．３との間のそれぞれで形成される可変静電容量ＣｈおよびＣｂを検出するフェーズと、制御ｓにより選択された固定電極のコンデンサのプレートに対して印加される静電力によって振り子をその目標位置へと戻すために励起信号がこれらの固定電極の一方に印加される制御フェーズとを実施するように、制御ユニットにより制御される。検出フェーズの終了時に、補正器１２は、制御信号ｕが固定電極５．１または固定電極５．２のいずれに印加される必要があるかを決定するために、論理制御信号ｂｓのサインを決定する。

ｂｓ＝＋１である場合には、電圧が電極５．２に対して印加され、次いでこの電極５．２が振り子を引き寄せる。

ｂｓ＝－１である場合には、電圧が電極５．１に対して印加され、次いでこの電極５．１が振り子を引き寄せる。

静電容量検出は、制御信号ｂｓのサインに従って条件付きで実施され、これらの検出の時系列順序は、ｂｓのサインにより決定される。

「高」固定電極と呼ばれる第１の固定電極の静電容量Ｃ_ｈおよび「低」固定電極と呼ばれる第２の固定電極の静電容量Ｃ_ｂの線形化表現は、以下の関係式で示される。

振り子の相対位置は、以下の関係式で示される。

ここで、Ｃ_０は、初期静電容量を示し、Ｃ_１は、能動静電容量を示し、ｚは、振り子の位置であり、ｅは、空気間隙の幅、すなわち休止時には均等となる電極５．１と電極５．３との間の距離または電極５．２と電極５．３との間の距離であり、Ｖ_ｒｅｆは、アナログデジタル変換器１９により供給されこれらの電極に対して印加される基準電圧であり、Ｑ_ｂおよびＱ_ｈは、０～Ｖｒｅｆの範囲に及ぶ電圧立ち上がりエッジに支配される可変コンデンサの端子における電荷変動に対応する、検出回路７へ転送される電荷である。

したがって、各較正期間にわたり、検出フェーズの最中に、２つの静電容量読取りが、振り子の位置を推定し補正器に電力供給するために実施される。

較正期間内において、振り子の位置は、これら２つの計測値の間でほとんど変化しない。

可変静電容量の検出は、条件付き検出であり、静電容量検出の順序は、補正器１２から届く論理制御信号ｂｓのサインを条件とする。したがって、これらの検出の順序の疑似ランダム置換が実施される。この置換は、特に補正器１２により決定される高域伝達関数によりフィルタリングされるホワイトノイズの特性である、シグマデルタタイプループでの制御信号ｂｓの特性により疑似ランダムとなる。

第１の検出は、無制御電極で実施され、第２の検出は、制御されることとなる電極で実施され、制御論理信号は、前回の較正期間の最中に行われた検出値が利用可能になる直後から制御論理信号の算出が開始されるため、リアルタイム期間の開始時から利用可能となる。

図２を参照すると、例えばｂｓ＝＋１である場合に、第１の検出Ｄ１が、読出しパルスの印加により高電極５．１に対して実施され、次いで第２の検出Ｄ２が、第２の計測パルスの印加により低電極に対して実施される。

次いで、制御パルスが、スイッチ９を制御することにより低電極Ｖｂに対して供給される。

図３を参照すると、ｂｓ＝－１である場合に、パルス検出の順序は逆転される。

この条件付き検出により、スイッチ９によるスイッチ切替え回数を制限すること、および結果として電力消費を低下させることが可能となる。この制御は、制御対象の電極に対して直接的に適用される。実際に、検出フェーズＤ２と制御フェーズとの間で同一状態にとどまるスイッチ９を動作させる必要はなくなる。

また、検出順序は、高頻度で置換される点にも留意されたい。したがって、制御パルスにより生成される電子起源バイアスは、これらの制御の疑似ランダム特性によりノイズへと変換される。

実際に、あらゆる検出バイアスが、パルス制御信号ｂｓのスペクトル外観と同一のスペクトル外観を有するノイズを発生させる。条件付き検出により、これらのバイアスは、制御信号ｂｓの平均値により乗算されることによって大幅に軽減され、公差を増大させるノイズのみが残る。

したがって、条件付き検出は、印加する寄生力および位置計測自体の両方について疑似ランダムとなる。

さらに、先行技術においては、検出パルスが周期的なものであり、これらの検出パルスのスペクトルはラインから構成されるものであったが、この置換はスペクトル拡散効果を有し、このスペクトル拡散効果により、高頻度寄生モードの励起を制限することと、とりわけ制御によりこの励起を調整することとが可能となる。この励起は、永続的かつ低速可変的となり、または換言すれば周期があまり一定ではない。

さらに、図４を参照すると、別の態様によれば、第２の静電容量検出パルスおよび制御パルスは、共通の検出および制御パルスを形成する。

換言すれば、制御信号の立ち上がりエッジが、第２の検出信号の立ち下がりエッジと同時発生するようにシフトされる。

この実施により、同一のパルス信号による静電容量の検出および制御の実施が可能となる。

制御信号ｂｓにより方向が決定される振り子に対して印加される静電力は、検出および制御パルスにより印加される力と他の電極に対して印加される第１の検出信号により印加される力との間の差異により構成される。

この検出は、検出および制御信号のキャリアにより実施され、制御は、ベースバンドで実施される。

さらに、この実施により、理論的にはスイッチ９のスイッチ切替えを減少させることによって電力消費を１／３だけ低下させることが可能となる。

同様に、較正期間の最中のパルス数に依存する波形に起因するバイアスエラーの１／３の低下が実現される。

最後に、波形に起因するスケールファクターエラーが完全に除去される。

実際に、印加された力と等価である加速度は、以下のように記述される。

ここで、Ｃ_１は、能動静電容量であり、ｅは、空気間隙の幅であり、ｍは、振り子の質量であり、σｈ^２およびσｂ^２は、各較正期間における高電極および低電極に対して印加された電圧の二乗平均である。

３個の検出および制御パルスを用いた実装形態では、印加される力は、以下のように記述された。

ここで、

は、バイアスに対応し、

は、スケールファクターに対応する。

第１の検出パルスおよび第２の検出および制御パルスの実装により、印加される力は、以下のように記述される。

時定数がこれらのパルスの期間と比較して短いと前提した場合に、任意の波形障害σｅｒｒ^２は、検出パルスまたは制御パルスのいずれに対しても理論上の二乗平均に対して重畳された同一の効果を有することになる。

ε_ｔこの障害の非対称部分に留意することにより、以下の通りとなる。

３パルス実装では、以下の通りとなる。

ここで、３・ε_ｔ・σ_ｅｒｒ ^２は、バイアスに対応し、（σ_ｃ，ｔｈ ^２＋σ_ｅｒｒ ^２）は、スケールファクターに対応する。

２パルス実装では、以下の通りとなる。

ここで、２・ε_ｔ・σ_ｅｒｒ ^２は、バイアスに対応し、（σ_ｃ，ｔｈ ^２＋σ_ｄ，ｔｈ ^２）は、スケールファクターに対応する。

したがって、制御パルスにより引き起こされたエラーは、検出パルスにより引き起こされたエラーによって補償されることが分かる。

特定の動作温度にておよびセンサ経年変化の最中に顕著となり得るスケールファクターエラーは排除され、予備較正フェーズの最中に考慮されるべきではない。

１ 加速度計センサ、センサ
２ ケーシング
３ 固体
４ ヒンジ
５．１ 第１の固定電極、第１の電極、高電極
５．２ 第２の固定電極、第２の電極
５．３ 第３の電極、可動電極
６ 駆動回路
７ 検出回路
８ 制御ユニット
９ スイッチ
１０ 第１の推定器
１１ 比較器
１２ 補正器
１３ シーケンサ
１４ 第２の推定器
１５ デジタルアナログ変換器
１６ 主増幅器ステージ
１７ 電荷増幅器
１８ ループコンデンサ
１９ アナログデジタル変換器
ｂｓ 論理制御信号、パルス制御信号、制御信号
ｃ 制御
Ｃｈ、Ｃ_ｈ 可変静電容量、静電容量
Ｃｂ、Ｃ_ｂ 可変静電容量、静電容量
Ｃｒｅｆ 静電容量
Ｄ１ 第１の検出
Ｄ２ 第２の検出
ＦＳ 周波数
Ｉ１ スイッチ、アナログスイッチ
Ｉ２ スイッチ、アナログスイッチ
Ｉ３ スイッチ、アナログスイッチ
ｒ 制御
ｓ 制御
Ｔｓ、ＴＳ 較正期間
ｕ 制御、制御信号
Ｖ 出力
γｅ 加速度

Claims (9)

1. 加速度計センサであって、ケーシング（２）と、前記ケーシングに対して固定された振り子（３）と、前記振り子により担持され検出回路（７）に対して接続された可動電極（５．３）と、前記ケーシングと一体である第１の固定電極（５．１）および第２の固定電極（５．２）であって、電極間の距離に応じた可変静電容量の２つのコンデンサを前記可動電極と共に形成する、第１の固定電極（５．１）および第２の固定電極（５．２）と、前記コンデンサの前記可変静電容量を計測するための検出動作と、前記固定電極に対して制御信号（ｕ）を送達して前記振り子を所定の位置に維持する駆動回路（６）への前記固定電極の選択的接続のためにスイッチ（９）を制御するように論理信号（ｂｓ）を印加することにより計測された静電容量に応じた前記可動電極の制御動作とを実施するように構成された制御ユニット（８）とを備える、加速度計センサにおいて、
   前記制御ユニットは、各較正期間にて、前記制御信号の論理レベルに従って選択された前記固定電極の一方に第１の検出信号を印加し、他方の前記固定電極に第２の検出信号を印加するように構成され、前記制御信号（ｕ）は、前記第２の検出信号が印加される電極に対して印加されることを特徴とする、加速度計センサ。
2. 前記第１の検出信号および前記第２の検出信号は、方形波の形態の信号である、請求項１に記載の加速度計センサ。
3. 前記スイッチ（９）は、前記駆動回路（６）により供給された基準電位の第１の入力端子と、ゼロ電位の第２の入力端子とを備えることにより、前記駆動回路または前記ゼロ電位に対して前記電極を選択的に接続する、請求項１に記載の加速度計センサ。
4. 前記駆動回路（６）は、前記スイッチ（９）に対して接続され前記制御ユニット（８）により制御されるデジタルアナログ変換器を備える、請求項１に記載の加速度計センサ。
5. 前記検出回路（７）は、増幅器ステージを含み、前記増幅器ステージは、前記可動電極（５．３）に対して接続された入力と、アナログデジタル変換器に対して接続された出力とを有し、前記アナログデジタル変換器は、前記制御ユニットに対して接続された出力を有する、請求項１に記載の加速度計センサ。
6. 前記制御ユニット（８）は、第１の振り子位置推定器（１０）を含み、前記第１の振り子位置推定器（１０）は、入力にて前記検出回路の出力に対して接続され、出力にて比較器（１１）のマイナス入力に対して接続され、前記比較器（１１）は、補正器（１２）の入力に対して接続された出力を有し、前記補正器（１２）は、シーケンサ（１３）および第２の推定器（１４）に対して接続された出力を有し、前記第２の推定器（１４）は、前記比較器のプラス入力に対して接続された第１の出力と、加速度の推定値を供給する第２の出力とを有する、請求項１に記載の加速度計センサ。
7. 前記制御ユニット（８）は、共通の検出および制御パルスにより前記第２の検出信号および前記制御信号を印加するように構成される、請求項１に記載の加速度計センサ。
8. 請求項１に記載の加速度計センサを制御するための方法において、
   － 各較正期間にて、前記制御信号の前記論理レベルに従って選択された前記固定電極（５．１、５．２）の一方に第１の検出信号を、および他方の前記固定電極に第２の検出信号を印加することによって、前記コンデンサの前記可変静電容量を検出するステップと、
   － 前記第２の検出信号が印加される電極に対して制御信号（ｕ）を印加するように、制御信号を送達する駆動回路（６）への固定電極の選択的接続のためにスイッチ（９）を制御するように論理信号を印加することにより計測された静電容量に応じて前記可動電極（５．３）を制御するステップと
   を含むことを特徴とする、方法。
9. 前記第２の検出信号および前記制御信号は、共通の検出および制御パルスにより印加される、請求項８に記載の方法。