JP3034311B2 - 力、加速度および／または回転速度の静電的測定のための発振器の駆動励振方法 - Google Patents

力、加速度および／または回転速度の静電的測定のための発振器の駆動励振方法

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、コリオリ力の測定による力、加速度および
／または回転速度のような物理量の容量性計測用センサ
としての発振器の容量性駆動励振の方法であって、発振
器を固有周波数に同調した電気的パルスの連続をセンサ
に接続される駆動キャパシタに付与する方法に関する。
本発明に関連して、好ましくは板状の発振器を用いる
が、これに限定されることはない。
ここで挙げるセンサの類は、周波数型の励振法および
回転またはパルスを受けるという測定原理が用いられる
とともに、回転およびパルスの変化が読み取りの期間に
取り込まれるものである。第１の適切な適用例がコリオ
リの回転速度センサである。
コリオリ力の測定による回転速度の計測は、基本的に
知られている。
現在市場で入手可能なコリオリの回転速度センサにお
いて、圧電効果が発振器の励振のためおよび読み取りの
間において用いられている。次に引用されるそのような
回転速度センサの新規の設計は、ドイツ特許公開公報第
19520051号に記載されている。
このタイプの全てのセンサについての一つの問題は、
一般に、静電励振が読み取りチャネルに結合された状態
になるという事実にある。誘引力が理想的な場合におい
てのみ発振器の表面に対し正確に垂直に作用するという
効果をもたらす、発振構造の領域における許容誤差また
は電極層のために、励振信号の一部が読み取りチャネル
に結合された状態になる。上記の不正確さの避けること
ができない原因となる両信号すなわち読取信号およびノ
イズ信号は同じ周波数で生じるので、この誤差を補償す
る必要がある。しかしながら、この補償は一般に温度依
存性を示す。さらなる複雑な要因は、容量的に読み取ら
れるべきであり、かつサブマイクロボルト範囲にある振
幅が、励振信号の振幅の大きさより小さい大きさのいく
つかのオーダーにあり、この結果としてゼロ点信号に対
する安定性の問題を生じるという事実である。高絶縁減
衰は、これらの極端に弱い読取信号からの駆動パルスを
絶縁するために必要である。これは、駆動および読み取
りのための分離されたアースループのような、選別、対
称的な設計および電気的測定による絶縁、信号増幅にお
える同相除去などが、より正確なセンサにとって不十分
であるという場合である。
好ましくは容量性除去を通常与えるためのシリコンか
らマイクロメカニカルに生成されたセンサ素子を用い
た、このタイプのセンサのための構成が提案されている
（前述のドイツ特許公開公報第19520051号参照）。静電
アクチュエータは、一般に駆動のために提供される。電
子的な読み取りに対する励振からのクロストークは、こ
れらの周知の構成と同様の問題を示す。
その解決策として、電磁駆動は、すでに文献において
提案されているが、好ましくない大きな量の力を要する
とともに、このことが構成の全体にわたる力の損失を非
常に増大させる。他の知られた解決策は、読み取りのた
めの搬送周波数法を用いることであるが、これらはかな
りの電子的な消費を要する。
知られた静電駆動法に伴う困難性は、再び言及するド
イツ特許公開公報第19520051号に関する図４を参照して
以下に示す。
代表される例における上面電極100を有する板状の発
振器101（図４（ａ）の非対称構成）の片側励振のた
め、または２つの電極100;102（図４（ｂ）の対称構
成；また前述の先行ドイツ特許出願の図４）を介して両
側励振のための、発振器101の固有周波数に同調した励
振電圧の時間変化および励振の結果として現れる力また
は力のパルスは、それぞれ図４（ａ）および図４（ｂ）
の右側に表される。駆動電圧とその駆動の結果の力との
間の知られた二次的な関係のために、誘引力のみが電極
（概略的にのみ示す）101;100;102と発振器との間で起
こりうるということを、関連する力／時間の図における
矢印が示している。したがって、図４（ａ）の場合、す
なわち片側励振の場合において、駆動のための励振電圧
の半周期のみを用いることが可能である。両側励振にと
って、励振電圧および励振の結果の力の時間変化が、図
４（ｂ）において時間の関数として図示されている。発
振器101は、対をなす２つの電極100;102からの誘引力が
時系列的に続いて起こることによって励振される。
両方の場合、発振器101のパルス化された励振は、比
較的高い電圧を用いることが必要であり、ごく一部が静
電的または直流的に読み取りチャネルへやむを得ず結合
される。
第２以下の少ない段階での正確な範囲における回転速
度の計測によって、読取信号は、上記のように、発振器
の励振のための信号（電圧パルス）より小さい多数のオ
ーダーである。導電体が慎重に配置された場合、読取信
号への結合を小さく保持することができるということ
は、一般に認められているように事実である。しかしな
がら、必要とされる100dB以上のオーダーの信号絶縁
は、かなりの困難性を伴う。
したがって、本発明の目的は、センサ、特に回転速度
の計測のためのセンサのうち好ましい板状発振器の静電
駆動励振の方法であって、励振信号から読取信号までの
結合についての上記の問題を確実に回避しうる方法を提
供することにある。
発振器の静電駆動励振のための発明に従う方法は、発
振器の固有周波数に同調した電気的パルスの連続が発振
器に接続された駆動キャパシタに付与される、コリオリ
力の測定による力、加速度および／または回転速度のよ
うな物理量の静電的計測のためのセンサに適した、好ま
しくは板状の実施例は、本発明にしたがって、一定の振
幅電圧を有する高周波パルスパケットが駆動励振のため
に用いられることを特徴としている。
付与されたパルスパケットの交流電圧は、単一の発振
器または複数の発振器の固有周波数より実質的に高い周
波数であり、DC電圧成分および／または低周波電圧成分
が除かれている。
個々のHFパルスパケットにおける方形波電圧の１周期
以上の付加または除去によって、発振器の励振を制御す
るためにプロセッサを用いて、それぞれのパルスパケッ
トのパルス幅またはパルス位相を変化させることができ
る。
１つの変形例にしたがって、本発明は、発振器の固有
周波数に同調した逆位相にある電気パルス対の連続が、
発振軸について対をなす方向に対称である少なくとも２
つの励振電極の構成に付与される、コリオリ力の測定に
よる力、加速度および／または回転速度のような物理量
の静電的計測のための発振器およびセンサの静電駆動励
振の方法を含んでおり、この方法は、対をなす２つの励
振電極に、その周波数が発振器の固有周波数より実質的
に高くなるようにその選択された同じ定振幅HF電圧を印
加する一方、発振器上での特定の誘引の結果としての力
を発生させるために、励振電極対のうちの一方の励振電
極に印加されるHF電圧に対し、励振電極の他方に印加さ
れるHF電圧の位相シフトを制御することによって、逆位
相にあるパルス対をHFパルスパケットとして生成する。
したがって、当該目的を達成するためのこのさらなる
可能性は、発振器の電極対における２つの電極に同じ交
流電圧を印加するために提供される。励振器電極に印加
される同じ周波数のこれらの電圧は、それらの位相の点
で互いに関連してシフトしている。励振電圧が同位相で
ある場合、発振器を励振する力の成分はないが、位相角
が異なる場合、電気的誘引力が結果として生じる。
本発明のこのもう一方の実施例は、発振励振に供給す
るための負荷条件が一定であるという利点を有する。こ
れは、励振器信号の位相角が反対称的にシフトされると
きに顕著である。その結果として生じるさらなる利点
は、信号周波数と電気的駆動によって生じるノイズ要因
との比較的良好な絶縁である。この利点を得るには高い
励振器周波数が必要であり、これによって高周波ノイズ
要因が十分に除去される。
本発明の有利な変形例にしたがって、位相は、分離し
たステップまたは連続したステップにおいてシフトす
る。
本発明およびその有利な詳細は、実施例を示す図に関
して以下に説明されるであろう。
図１は、すでに説明された図４に対応しており、位相
またはパルス幅で制御された、OC電圧成分のないHFパル
スパケットによる発振器の片側または両側励振のための
図を示し、 図２は、発振器の励振が本発明の長所によっていかに
変化しうるかを説明するために提供され、 図３は、HF励振パルスパケットの周波数が上記発振器
の固有周波数に関していかに選択されるべきかについて
の開始点を提供し、 図４は、すでに説明した線形発振器の静電的構成の概
略構造を示し、 図５は、片側または両側で励振されうるとともに、ド
イツ特許公開公報19520051で前述した速度制御または回
転速度の再設定を伴うマイクロメカニカル回転速度セン
サに属する発振器のための電極の２次元の配置および構
成の実施例を示し、 図６は、駆動補正または回転速度信号を得ることが可
能であることを利用したセンサ信号の読み取りのための
ブリッジ回路を示し、 図７は、コリオリの原理に基づくとともに、本発明に
関する駆動技術に非常に適しているマイクロメカニカル
回転速度センサのモデル図を示し、 図８は、対をなして存在するとともに発振軸について
対称に構成された駆動電極を有する発振器の静電駆動励
振のための選択すべき２つの原理、すなわち駆動電極対
の１つの電極に印加される第１方形波電圧U1および駆動
電極対の他の電極に印加される同じ周波数の第２方形波
を示すための図８（ａ）；図８（ｂ）を用い、 図９は、発振器上に結果として現れる力成分を、それ
ぞれの力成分が電圧U1およびU2の位相シフトによって互
いに関連していかに変化するかということをもって示す
とともに、図８からの２つの励振器電圧U1およびU2の読
み取りですでに知られている図を時間関数として表した
図を示し、 図10は、その位相関係が発振器の固有周波数の機能と
して制御されるとともに、連続的にシフトされうる２つ
の励振器電圧U1およびU2を生成するための電気的駆動ま
たは励振器回路の基本構造を示す。
本発明にしたがって、パルスパケットの形で高周波信
号を用いることによってここで挙げるタイプの発振セン
サの読取信号への励振信号の直接結合を防止することが
できる。図１、すなわち発振器101（図１（ａ））の片
側励振のための、または両側励振（図１（ｂ））のため
の図４に対応した図から分かるように、DC電圧成分のな
い高周波方形波電圧が本発明にしたがって用いられる。
対応する矢印によって図１の（ａ）および（ｂ）の部
分における力／時間の図によって示すように、発振器10
1に及ぶモーメントまたは力が印加電圧の方形に依存す
るので、パルスパケットP1,P2,…の正負の半周期がほと
んど発振器101の誘引方向にのみ作用する。
前述のように、パルスパケットP1,P2…からなる励振
信号の振幅が一定に保持されるとき、誘引矩形インパル
スが発振器軸について作用するか、または力パルスが発
振方向に作用する。
発振器101の最適な共振励振を達成するために、発振
器101に作用し、かつ単一のパルスパケットＰによって
生じる誘引力が、その幅および位相の双方の点でいかに
シフトしうるかを、当業者に直接理解しやすい手法で部
分的（ａ）から（ｃ）を用いた図２に示す。矩形インパ
ルスの位相および幅または力パルスＦは、全体としての
発振器システムを制御するために、単純な手法、例え
ば、デジタル的に導出される。
各パルスパケットのためのより大きいまたはより小さ
い期間を有することによって、静電的駆動によって発生
したモーメントMD（図５）または力成分が容易に線形的
に変化しうることがわかる。
図３によって示すように、センサ出力に結合されたHF
励振の成分は、発振器の固有周波数fSと励振器パルスf
EPの高周波数との間の適切に選ばれた大きな周波数の差
によってフィルタを用いて遮断されうる。図３は、板状
発振器の両側励振のための実施例を示している。中央の
曲線は、濾波された読取信号Ａの基本的な図を示してい
る。
図５に示すように、励振電極e31,e32および読取電極e
11,e12を分割することによって、またリセット電極μＰ
によって生成された信号に応じて、偏位の計測（閉ルー
プ原理）のリセットの目的のための読取軸（発振器軸に
直交する）におけるモーメントMDを生成することがさら
に可能である。
リセット機能を有するコリオリ回転速度センサの出力
量は、発振器の速度に比例する。センサの規模を一定に
するには、発振器速度が一定に保持されるべきである。
発振器速度を制御するためには、例えば、図６に示す、
駆動キャパシタの容量または電極もしくは電極対を変化
することが可能である。この場合、センサ信号を直接読
み取るための基礎は、１つまたは図示された例における
２つ（いくつか）のキャパシタの変化による電荷±dCの
シフトであり、駆動電極e31,e32および付加電極e11,e12
（図５参照）の双方をキャパシタとして用いることがで
きる。ハーフまたはフルブリッジは、この場合、一定の
DC電圧Ｕの入力を必要とする。
図７は、本発明にしたがった励振および読取方法が非
常に適しているマイクロメカニカル回転速度センサの実
施例を示す。このセンサは、原則的に３つのウェーハ層
すなわち上部カバープレート13、下部カバープレート14
およびそれらの間に配されるとともに、その内部で板状
発振器12が接続片15を介して保持されるフレーム11から
なっている。ここで示す実施例において、理解しやすい
ように電極板を省いている。上部または下部カバープレ
ート13;14は、互いに鏡映対称な関係となるように配さ
れる。励振電極e31,e32または読取（または分離）電極e
11,e12の２次元配置は、貫通口10を介して形成されるコ
ンタクトとともに、下部カバープレート14の内面上に表
れている。
図８における部分図（ａ）；（ｂ）は、励振電極対の
両電極における等振幅励振電圧、特に方形波電圧で、励
振がいずれの場合でも起こるという他の有利な実施例を
示す。励振電圧U1およびU2がインパルスである場合、無
力成分が発振器上で発生するが、換言すれば、この場合
はゼロの力に対応している。しかしながら、電圧U1およ
びU2の矩形が逆位相において正確に一致する場合、これ
は最大の力の振幅に対応する。例えば電圧U2の場合にお
いて位相変化をシフトさせることによって、２つの電圧
の反対称性によって、または付加的な位相変化によっ
て、駆動力の作用が発振器上でいかに変化しうるかを示
す図９の時間軸での図示から明らかなように、離散的な
振幅値および位相値における力を調整または制御するこ
とができる。
図10は、２つの駆動電圧U1およびU2の位相角のための
PLL制御を備えた回路の基本構成を示す。
付加PLL回路によって、２つの駆動電圧U1およびU2の
位相角を連続的に調整することができる（図９参照）。
高周波電圧Uinは、位相比較器PKの入力に印加される。
電圧制御発振器VCOのフィルタＦを介して得られた位相
変調電圧Upを制御電圧Usに付加することによって、PLL
回路の出力信号U2の位相は信号Usに比べて±πシフトす
る。したがって、位相角をセンサ駆動周波数で変調する
ことができる。その結果の誘引力は、Ｆ＝ｋ・（U1−
U2）２で与えられる。この誘引力は、位相駆動信号によ
って調整または制御される。この手法では、例えば、対
応する位相変調電圧による非線形の二次力励振を実現す
ることができる。
静電駆動励振のための本発明にしたがった方法は、少
なくとも次の特性を有するとともに、次の利点をもたら
す。
1.励振器発振を刺激するために、２つの異なる帯電面間
の静電誘引力を用いる。発振器を励振するために用いら
れる交流電圧は、発振器の固有周波数よりかなり高い周
波数で選ばれ、かつDC電圧成分または低周波成分が除か
れている。好ましくは、一定の振幅を有する方形波電圧
が用いられる。１つ以上の方形波電圧の期間の付加また
は削除によって、発振の励振を制御する目的でプロセッ
サを用いてパルス幅またはパルス位相を変化させること
ができる。
2.等しい振幅および周波数を有する、対称的に配された
駆動電極対の電極に印加される２つの方形波励振電圧を
利用すれば、読取周波数のために全く異なる周波数を顕
著に必要とする励振を与えなくてもよいという利点をも
って、互いに関連する２つの駆動電圧の位相角をシフト
することによって発振器の励振を変化させることができ
る。
3.計測の構成のリセットは、駆動信号が回転速度信号に
したがって分割されるとともに、（図５に示すように）
分割電極に対応して付与されるとき、または駆動信号か
ら導かれ、信号の分離にしたがって分割された付加信号
が付加電極対e21、e22（図５）に駆動信号と並列的に付
与されるときに達成できる。電極構成は、第１の場合、
駆動軸についてまたは駆動方向においての駆動に加え
て、それがまた、読取軸におけるセンサ信号をリセット
するために適しているというような手法において選択さ
れる。第２の場合において、分離電極対は、単にリセッ
トのために提供される。ゼロのリセット信号のための分
割は1:1である。
回転速度によって生じた発振器の運動を補償すること
によって、リセットシステムを設けることができる。一
定のゼロ誤差は、この方法と同様に比較的容易に補償さ
れる。
上記の説明は、励振もしくは制御およびリセットのた
めの電圧−時間の増加の利用またはそれぞれの位相角に
関して互いに関連してシフトされうる２つの励振器電圧
の振幅に基づいている。しかしながら、電流−時間が増
加するか、または互いに関連して位相シフトされうる励
振器交流電流が用いられ、上記の周波数が励振される発
振器の上記の固有周波数にかなり依存するという信号処
理技術を含む解決があることもまた考えられる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 グットマン，ワルター ドイツ ミュンスタータル デー― 79244 ムルデン 37 (56)参考文献 特開 平６−331651（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−278160（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−61961（ＪＰ，Ａ) 独国特許出願公開4430439（ＤＥ，Ａ １) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01C 19/56 G01L 1/14 G01P 9/04 G01P 15/125 G01P 15/14

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】発振器（101）の固有周波数に同調した電
    気的パルスの連続が発振器に接続された駆動キャパシタ
    に付与される、コリオリ力の測定による力、加速度およ
    び／または回転速度のような物理量を静電的に測定する
    センサのための発振器の静電駆動励振方法において、一
    定の振幅電圧を有する高周波（HF）パルスパケット（P
    1,P2…）を駆動励振のために用いることを特徴とする発
    振器の静電駆動励振方法。
  2. 【請求項２】DC成分を持たない方形波電圧をHFパルスパ
    ケットを用いる駆動励振のために利用することを特徴と
    する請求項１に記載の発振器の静電駆動励振方法。
  3. 【請求項３】駆動電圧によって板状センサに作用する力
    パルスが各パルスパケット毎の方形波パルスの幅を変化
    させることによって調整することを特徴とする請求項１
    または２に記載の発振器の静電駆動励振方法。
  4. 【請求項４】発振軸について対をなす方向に対称な少な
    くとも２つの励振電極（e31,e32）を設けるとき、パル
    スパケットの電圧パルスの幅および／または位相を上記
    センサにおける駆動モーメントの作用を変化させるため
    に変化させることを特徴とする前出の各請求項のいずれ
    か１つに記載の発振器の静電駆動励振方法。
  5. 【請求項５】パルスパケットの周波数を発振器の固有周
    波数よりかなり高い値に選択することを特徴とする前出
    の各請求項のいずれか１つに記載の発振器の静電駆動励
    振方法。
  6. 【請求項６】発振器（101）の固有周波数に同調した逆
    位相にある電気パルス対の連続が、発振幅について対を
    なす方向に対称である少なくとも２つの励振電極の構成
    に付与される、コリオリ力の測定による力、加速度およ
    び／または回転速度のような物理量を静電的に測定する
    センサにおける発振器の静電駆動励振方法において、対
    に属する２つの励振電極（e31,e32）に、その周波数が
    発振器の固有周波数よりかなり高く選択される同じ定振
    幅HF電圧を印加する一方、発振器上での特定の誘引の結
    果としての力（Ｆ）を発生するために、上記励振電極対
    のうちの１つの励振電極に印加される上記HF電圧に対
    し、もう１つの励振電極に印加される上記HF電圧の位相
    シフトを制御することによって、逆位相にあるパルス対
    をHFパルスパケットとして生成することを特徴とする発
    振器の静電駆動励振方法。
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