JP2014122893A

JP2014122893A - フォースリバランス型加速度計におけるバイアス低減

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Publication number: JP2014122893A
Application number: JP2013261202A
Authority: JP
Inventors: Robert E Stewart; イー．スチュワートロバート
Original assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2014-07-03
Anticipated expiration: 2033-12-18
Also published as: US20140165691A1; EP2746780B1; EP2746780A1; US9341646B2; JP5705954B2

Abstract

【課題】加速度計のバイアスを低減するシステムを提供すること。
【解決手段】加速度計は、屈曲サスペンションによって加速度計ハウジングに連結されたプルーフマスと、対向する側面においてプルーフマスから離間された１対の負の静電フォーサ電極とを有し、システムは、フォースリバランスサーボと、負の静電ばねサーボとを含み、フォースリバランスサーボは、加速度計ハウジングに対するプルーフマスの運動を示す電気的ピックオフ信号に応答して、制御信号をプルーフマスに提供し、負の静電ばねサーボは、負の静電ばねＤＣ電圧を１対の負の静電フォーサ電極に印加して、フォースリバランスサーボの出力内の時間変動信号をゼロにすることに応答して、プルーフマスに作用する、組み合わせられた屈曲サスペンションとバイアス電圧に関連付けられる静電ばねとの正味の正のばね力を打ち消す。
【選択図】図１

Description

（技術分野）
本発明は、概して慣性センサに関し、特に、フォースリバランス型（ｆｏｒｃｅｒｅｂａｌａｎｃｅｄ）加速度計におけるバイアス低減に関する。

（背景）
フォースリバランス型加速度計におけるバイアスの主要な起源のうちの１つは、ピックオフ電気的ヌル（ｎｕｌｌ）と、プルーフマス（ｐｒｏｏｆｍａｓｓ）屈曲サスペンション数値的ヌルとの空間分離に起因する。閉ループ動作において、フォースリバランスサーボは、ピックオフヌルにおいて加速度計プルーフマスを維持する。たわんだ屈曲サスペンションの機械的かつ静電ばね（ｓｐｒｉｎｇ）の結合力に対してピックオフヌルにおいてプルーフマスを保持するために必要とされる力は、加速度計の出力におけるバイアス誤差として見られる。現在の最先端技術において、加速度計バイアスは、測定され、最終校正中に温度に対してモデル化される。その後、モデルは、温度に対するバイアスに対して、測定された加速度を修正するために使用される。熱的モデルに対する残差は、慣性システムの性能能力への制限のうちの１つを示す誤差である。この残余誤差は、加速度計の機械的、電気的および熱的性質のヒステリシスまたは不安定性に起因し得る。それ故、加速度バイアスおよびバイアス変動を最小にすることにより、慣性システム性能を向上させ、産出量を増大させ、コストを低減することが望ましい。

本発明の局面に従って、フォースリバランス型加速度計においてリアルタイムで連続的にバイアスおよびバイアス不安定性を低減させるシステムが提供され、加速度計は、屈曲サスペンションによって加速度計ハウジングに連結されたプルーフマスと、対向する側面においてプルーフマスから離間された１対の負の静電フォーサ電極とを有する。システムは、フォースリバランスサーボをさらに含み、フォースリバランスサーボは、ピックオフヌル位置からのプルーフマスの変位に比例する電気的ピックオフ信号に応答して、プルーフマスに電圧を印加する。ＤＣバイアス電圧に関連して印加された電圧は、ピックオフヌルにおいてプルーフマスを維持するために、プルーフマスに作用する機械的、静電的および慣性的力を相殺する静電力を生成する。時間変動外乱信号は、フォースリバランスサーボ内に注入されて、ピックオフヌル位置からプルーフマスを変位させる。

加速度がない場合に、フォースリバランスサーボの出力は、外乱信号に応答してプルーフマスがピックオフヌルの周囲の前後に移動する場合のプルーフマスに作用する、屈曲サスペンションとバイアス電圧に関連付けられる静電ばねとの組み合わせられた正のばねの力の大きさに比例する時間変動信号である。設計によって、屈曲サスペンションの正のばねは、バイアス電圧に関連付けられる負のばねよりも大きい。入力加速度から外乱信号を区別するために、外乱信号は、擬似ランダム周波数特徴を有する。システムは、フォースリバランスサーボの出力をピックオフ信号として使用する負の静電ばねサーボをさらに含む。ピックオフ信号は、外乱信号に対して復調され、積分ゲインおよびサーボ補償で増幅され、ＤＣ電圧として１対の負の静電フォーサ電極それぞれに印加して、組み合わせられた正の屈曲サスペンションばねとバイアス電圧に関連付けられる負のばねとの正味の正のばねを実質的に打ち消す負の静電ばねを提供する。

本発明の別の局面に従って、フォースリバランス型加速度計システムが提供される。加速度計システムは、屈曲サスペンションによって加速度計ハウジングに連結されたプルーフマスと、対向する側面においてプルーフマスから離間された１対の負の静電フォーサ電極とを有する。加速度計システムは、フォースリバランスサーボも含み、フォースリバランスサーボは、ピックオフヌル位置からのプルーフマスの変位に比例する電気的ピックオフ信号に応答して、プルーフマスに電圧を印加する。ＤＣバイアス電圧に関連して印加された電圧は、ピックオフヌルにおいてプルーフマスを維持するために、プルーフマスに作用する機械的、静電的および慣性的力を相殺する静電力を生成する。時間変動外乱信号は、フォースリバランスサーボ内に注入されて、ピックオフヌル位置からプルーフマスを変位させる。加速度がない場合に、フォースリバランスサーボの出力は、外乱信号に応答してプルーフマスがピックオフヌルの周囲の前後に移動する場合のプルーフマスに作用する、屈曲サスペンションとバイアス電圧に関連付けられる静電ばねとの組み合わせられた正のばねに比例する時間変動信号である。設計によって、屈曲サスペンションの正のばねは、バイアス電圧に関連付けられる負のばねよりも大きい。入力加速度から外乱信号を区別するために、外乱信号は、擬似ランダム周波数特徴を有する。システムは、フォースリバランスサーボの出力をピックオフ信号として使用する負の静電ばねサーボをさらに含む。ピックオフ信号は、外乱信号に対して復調され、積分ゲインおよびサーボ補償で増幅され、ＤＣ電圧として１対の負の静電フォーサ電極のそれぞれに印加して、外乱信号に応答してプルーフマスがピックオフヌルの周囲の前後に移動する場合のプルーフマスに作用する、組み合わせられた正の屈曲サスペンションばねとバイアス電圧に関連付けられる負のばねとの正味の正のばねを実質的に打ち消す負の静電ばねを提供する。

なお本発明の別の局面に従って、フォースリバランス加速度計のバイアスを低減する方法が提供され、加速度計は、屈曲サスペンションによって加速度計ハウジングに連結されたプルーフマスと、対向する側面においてプルーフマスから離間された１対の負の静電フォーサ電極とを有する。方法は、時間変動外乱信号をフォースリバランスサーボ内に注入することをさらに含み、時間変動外乱信号は、外乱信号に応答してプルーフマスがピックオフヌルの周囲の前後に移動する場合のプルーフマスに作用する、組み合わせられた屈曲サスペンションとバイアス電圧の負のばねとの正味の正のばねの大きさに対して振幅で対応する時間変動出力電圧を生じさせる。フォースリバランスサーボの出力は、負の静電ばねサーボへの入力として印加され、外乱信号に対して印加された信号を復調させ、負の静電ばねＤＣ電圧を生成して、それを１対の負の静電フォーサ電極のそれぞれに印加して、組み合わせられた屈曲サスペンションとバイアス電圧に関連付けられる負のばねとの正味の正のばねを打ち消す。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
加速度計のバイアスを低減するシステムであって、該加速度計は、屈曲サスペンションによって加速度計ハウジングに連結されたプルーフマスと、対向する側面において該プルーフマスから離間された１対の負の静電フォーサ電極とを有し、該システムは、
フォースリバランスサーボと、
負の静電ばねサーボと
を含み、
該フォースリバランスサーボは、該加速度計ハウジングに対する該プルーフマスの運動を示す電気的ピックオフ信号に応答して、制御信号を該プルーフマスに提供し、時間変動外乱信号は、該フォースリバランスサーボ内に注入され、該時間変動外乱信号に応答して該プルーフマスが移動する場合の該プルーフマスに作用する、組み合わせられた屈曲サスペンションとバイアス電圧に関連付けられる静電ばねとの正味の正のばね力の大きさに対応する時間変動信号の生成を該フォースリバランスサーボの出力において生じさせ、
該負の静電ばねサーボは、負の静電ばねＤＣ電圧を該１対の負の静電フォーサ電極に印加して、該フォースリバランスサーボの出力内の該時間変動信号をゼロにすることに応答して、該プルーフマスに作用する、該組み合わせられた屈曲サスペンションとバイアス電圧に関連付けられる静電ばねとの該正味の正のばね力を打ち消す、システム。
（項目２）
上記ピックオフ信号は、上記加速度計ハウジングに対する上記プルーフマスの運動と、第１の容量性ピックオフ電極に印加される第１のＡＣ励起信号および第２の容量性ピックオフ電極に印加される第２のＡＣ励起信号との相互作用とによって引き起こされるキャパシタンス変化に応答して、該プルーフマスにおいて生成される位相差信号であり、該第１の容量性ピックオフ電極と該第２の容量性ピックオフ電極とは、該プルーフマスの対向する側面に配置され、該第１のＡＣ励起信号は、該第２のＡＣ励起信号から１８０°位相がずれている、上記項目に記載のシステム。
（項目３）
第１のＤＣ電圧は、第１の静電フォーサ電極に印加され、第２のＤＣ電圧は、第２の静電フォーサ電極に印加され、該第１の静電フォーサ電極と該第２の静電フォーサ電極とは、上記プルーフマスの対向する側面に配置され、該第１のＤＣ電圧は、該第２のＤＣ電圧と反対の極性であり、その結果、該プルーフマスに印加される上記フォースリバランスサーボの制御信号出力は、該第１のＤＣ電圧および該第２のＤＣ電圧と相互作用し、静電力を生成することにより、該プルーフマスをピックオフ電気的ヌルに移動させる、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目４）
第１のＤＣ電圧は、上記第１の容量性ピックオフ電極に印加され、第２のＤＣ電圧は、上記第２の容量性ピックオフ電極に印加され、該第１のＤＣ電圧は、該第２のＤＣ電圧と反対の極性であり、その結果、上記プルーフマスに印加される上記フォースリバランスサーボの制御信号出力は、該第１のＤＣ電圧および該第２のＤＣ電圧と相互作用し、静電力を生成することにより、該プルーフマスをピックオフ電気的ヌルに移動させる、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目５）
上記フォースリバランスサーボは、上記ピックオフ信号を増幅するゲイン増幅器と、上記第１のＡＣ励起信号に対して増幅されたピックオフを誤差電圧に復調する復調器と含む、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目６）
上記フォースリバランスサーボは、サーボ補償増幅器を含み、該サーボ補償増幅器は、上記誤差電圧を積分し、上記プルーフマスを上記電気的ピックオフヌルへフォースリバランスさせるために印加される制御電圧を提供する、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目７）
時間変動外乱信号は、上記誤差電圧と共に合計ノード内に注入され、上記サーボ補償増幅器に提供される、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目８）
上記負の静電ばねサーボは、上記フォースリバランスサーボの出力に連結されているキャパシタンスを増幅する増幅器と、上記時間変動外乱信号に対してフォースリバランスサーボ信号を復調する復調器とを含む、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目９）
サーボ補償増幅器をさらに含み、該サーボ補償増幅器は、上記復調されたフォースリバランス信号を積分して、負のばねＤＣ電圧を提供する、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目１０）
加速度計システムであって、該システムは、
屈曲サスペンションによって加速度計ハウジングに連結されたプルーフマス、および対向する側面において該プルーフマスから離間された１対の負の静電フォーサ電極と、
フォースリバランスサーボと、
負の静電ばねサーボと
を含み、
該フォースリバランスサーボは、該加速度計ハウジングに対する該プルーフマスの運動を示す電気的ピックオフ信号に応答して、制御信号を該プルーフマスに提供し、時間変動外乱信号は、該フォースリバランスサーボの合計ノード内に注入され、該外乱信号に応答して該プルーフマスが移動する場合の該プルーフマスに作用する、組み合わせられた屈曲サスペンションとバイアス電圧に関連付けられる静電ばねとの正味の正のばね力の大きさに対応する時間変動信号の生成を該フォースリバランスサーボの出力において生じさせ、
該負の静電ばねサーボは、負の静電ばねＤＣ電圧を該１対の負の静電フォーサ電極のそれぞれに印加して、該フォースリバランスサーボの出力内の該時間変動信号をゼロにすることに応答して、該プルーフマスに作用する、該組み合わせられた屈曲サスペンションとバイアス電圧に関連付けられる静電ばねとの該正味の正のばね力を打ち消す、システム。
（項目１１）
上記ピックオフ信号は、上記加速度計ハウジングに対する上記プルーフマスの運動と、第１の容量性ピックオフ電極に印加される第１のＡＣ励起信号および第２の容量性ピックオフ電極に印加される第２のＡＣ励起信号との相互作用とによって引き起こされるキャパシタンス変化に応答して、該プルーフマスにおいて生成される位相差信号であり、該第１の容量性ピックオフ電極と該第２の容量性ピックオフ電極とは、該プルーフマスの対向する側面に配置され、該第１のＡＣ励起信号は、該第２のＡＣ励起信号から１８０°位相がずれている、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目１２）
第１のＤＣ電圧は、第１の静電フォーサ電極に印加され、第２のＤＣ電圧は、第２の静電フォーサ電極に印加され、該第１の静電フォーサ電極と該第２の静電フォーサ電極とは、上記プルーフマスの対向する側面に配置され、該第１のＤＣ電圧は、該第２のＤＣ電圧と反対の極性であり、その結果、該プルーフマスに印加される上記フォースリバランスサーボの制御信号出力は、該第１のＤＣ電圧および該第２のＤＣ電圧と相互作用して、該プルーフマスをピックオフ電気的ヌルに移動させる、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目１３）
第１のＤＣ電圧は、上記第１の容量性ピックオフ電極に印加され、第２のＤＣ電圧は、上記第２の容量性ピックオフ電極に印加され、該第１のＤＣ電圧は、該第２のＤＣ電圧と反対の極性であり、その結果、上記プルーフマスに印加される上記フォースリバランスサーボの制御信号出力は、該第１のＤＣ電圧および該第２のＤＣ電圧と相互作用し、静電力を生成することにより、該プルーフマスをピックオフ電気的ヌルに移動させる、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目１４）
上記フォースリバランスサーボは、
上記ピックオフ信号を増幅するゲイン増幅器と、
上記第１のＡＣ励起信号に基づいて、増幅されたピックオフを誤差電圧に復調する復調器と、
サーボ補償増幅器と
を含み、
該サーボ補償増幅器は、該誤差電圧を積分して、上記プルーフマスに印加される制御電圧を提供し、時間変動外乱信号は、該誤差電圧と共に合計ノード内に注入され、該サーボ補償増幅器に提供される、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目１５）
上記負の静電ばねサーボは、
上記フォースリバランスサーボの出力に連結されるキャパシタンスを増幅する増幅器と、
上記時間変動外乱信号に対して該増幅されたフォースリバランス信号を復調する復調器と、
サーボ補償増幅器と
を含み、
該サーボ補償増幅器は、上記増幅された復調されたフォースリバランス信号を積分して、負のばねＤＣ電圧を提供する、上記項目のいずれかに記載のシステム。
（項目１６）
加速度計のバイアスを低減する方法であって、該加速度計は、屈曲サスペンションによって加速度計ハウジングに連結されたプルーフマスと、対向する側面において該プルーフマスから離間された１対の負の静電フォーサ電極とを有し、該方法は、
時間変動外乱信号をフォースリバランスサーボ内に注入することであって、該時間変動外乱信号は、該外乱信号に応答して該プルーフマスが移動する場合の該プルーフマスに作用する、組み合わせられた屈曲サスペンションとバイアス電圧に関連付けられる静電ばねとの正味の正のばね力の大きさに対応する出力電圧の生成を生じさせる、ことと、
負の静電ばねＤＣ電圧を該１対の負の静電フォーサ電極のそれぞれに印加して、該フォースリバランスサーボの出力内の該時間変動信号をゼロにすることに応答して、該プルーフマスに作用する、該組み合わせられた屈曲サスペンションとバイアス電圧に関連付けられる静電ばねとの該正味の正のばね力を打ち消すことと
を含む、方法。
（項目１７）
第１のＡＣ励起信号を第１の容量性ピックオフ電極に印加することと、
第２のＡＣ励起信号を第２の容量性ピックオフ電極に印加することであって、該第１の容量性ピックオフ電極と該第２の容量性ピックオフ電極とは、上記プルーフマスの対向する側面に配置され、該第１のＡＣ励起信号は、該第２のＡＣ励起信号から１８０°位相がずれている、ことと、
上記加速度計ハウジングに対する該プルーフマスの運動と、該第１のＡＣ励起信号および該第２のＡＣ励起信号との相互作用とに起因するキャパシタンス変化に応答して、該プルーフマスにおいて生成される位相差信号を捕獲および復調して、誤差信号を生成することと、
該誤差信号を積分して、上記フォースリバランス信号に対応する制御電圧を生成することと
をさらに含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１８）
第１のＤＣ電圧を第１の静電フォーサ電極に印加することと、
第２のＤＣ電圧を第２の静電フォーサ電極に印加することと
をさらに含み、
該第１の静電フォーサ電極と該第２の静電フォーサ電極とは、上記プルーフマスの対向する側面に配置され、該第１のＤＣ電圧は、該第２のＤＣ電圧と反対の極性であり、その結果、該プルーフマスに印加される上記制御電圧は、該第１のＤＣ電圧および該第２のＤＣ電圧と相互作用し、静電力を生成することにより、該プルーフマスをピックオフ電気的ヌルに移動させる、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目１９）
第１のＤＣ電圧を上記第１の容量性ピックオフ電極に印加することと、
第２のＤＣ電圧を上記第２の容量性ピックオフ電極に印加することであって、その結果、上記プルーフマスに印加される上記制御電圧は、該第１のＤＣ電圧および該第２のＤＣ電圧と相互作用し、静電力を生成することにより、該プルーフマスをピックオフ電気的ヌルに移動させる、ことと
をさらに含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
（項目２０）
上記時間変動外乱信号に対して上記フォースリバランス信号を復調することと、
該復調されたフォースリバランス信号を積分して、負の静電ばねＤＣ電圧を提供することと、
該負の静電ばねＤＣ電圧を上記１対の負の静電フォーサ電極のそれぞれに印加して、上記フォースリバランスサーボの出力内の該時間変動信号をゼロにすることに応答して、上記プルーフマスに作用する、上記組み合わせられた屈曲サスペンションとバイアス電圧に関連付けられる静電ばねとの上記正味の正のばね力を打ち消すことと
をさらに含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
（摘要）
フォースリバランス型加速度計におけるバイアスのリアルタイムでの連続的減少のためのシステムが提供され、加速度計は、屈曲サスペンションによって加速度計ハウジングに連結されたプルーフマスを有する。システムは、閉ループのフォースリバランスサーボを含み、フォースリバランスサーボは、加速度計ハウジングに対するプルーフマスの運動を示す電気的ピックオフ信号をゼロにするように、制御電圧をプルーフマスに提供し、時間変動外乱信号は、フォースリバランスサーボ内に注入され、プルーフマスに作用する、組み合わせられた屈曲サスペンションと静電ばねとの正味の正のばねの大きさに対応する時間変動電圧の生成をフォースリバランスサーボの出力において生じさせる。システムは、負の静電ばねサーボも含み、負の静電ばねサーボは、負の静電ばねＤＣ電圧を１対の負の静電フォーサ電極のそれぞれに印加する。

図１は、本発明の局面に従う、フォースリバランス加速度計においてバイアスを低減するシステムの機能的ブロックダイヤグラムを例示する。図２は、本発明の局面に従う、フォースリバランス加速度計においてバイアスを低減する方法を例示する。

（詳細な説明）
本発明は、プルーフマスを支持する屈曲ばねの数値的ヌルと、フォースリバランスサーボにおける機械的許容差と電子的オフセットとに起因するピックオフヌルとの間のオフセットに関連付けられるフォースリバランス型加速度計の連続的なリアルタイムバイアス減少を対象としている。フォースリバランス型加速度計におけるバイアスの主要な起源のうちの１つは、ピックオフ電気的ヌルと、屈曲サスペンション数値的ヌルとの空間分離に起因する。閉ループ動作において、フォースリバランスサーボは、ピックオフヌルにおいて加速度計プルーフマスを維持する。屈曲サスペンションとバイアス電圧に関連付けられる負の静電ばねとの正の機械的ばねに対してピックオフ電気的ヌルにおいてプルーフマスを保持するために必要とされる力は、加速度計の出力におけるバイアス誤差として見られる。

本発明の局面に従って、加速度計プルーフマスに作用する正味の正のばね力は、同じ大きさの負の静電ばね力をプルーフマスに印加することによってゼロに減少される。これは、上記のバイアス源を除去する。なぜなら、存在する加速度がない場合に、電気的ピックオフヌルにおいてプルーフマスを維持するために必要とされる力がないからである。これは、フォースリバランスサーボの中へ時間変動外乱信号を合計して、ピックオフヌルの周りにプルーフマスをスルーイングすることによって達成される。この外乱信号は、通常の入力加速度と区別可能である擬似ランダム信号であり得る。それ故、プルーフマスをスルーイングするために必要とされる力は、フォースリバランスサーボの加速度計出力における既知の時間変動バイアスとして思われる。この既知の時間変動バイアスは、負の静電ばねサーボによるピックオフとして使用され、ヌル外乱信号に対して復調される。負の静電ばねサーボは、ピックオフおよびフォーサ（ｆｏｒｃｅｒ）電極とは別個の静電負のばね電極にＤＣ電圧を印加して、加速度計出力の時間変動バイアスをゼロにする。さらに、負の静電ばねサーボは、負の静電ばねを連続的に（すなわち、リアルタイムに）調整して、屈曲サスペンションとバイアス電圧に関連付けられる負の静電ばねとの正味の正の機械的ばねをゼロにすることによって、加速度計バイアスと、加速度計の温度および寿命に対するバイアス不安定性を低減させる。

図１は、本発明の局面に従う、フォースリバランス型加速度計のバイアスを低減するシステム１０を例示する。システム１０は、加速度計フォースリバランスサーボ３０と、負の静電ばねサーボ４０とを含み、その両方が加速度計１２に連結されている。加速度計１２は、屈曲サスペンション１６によって加速度計ハウジング１５に連結されたプルーフマス１４を含む。プルーフマス１４は、例えば、伝導性であるようにドープされている単結晶シリコン材料から形成され得る。加速度計１２は、１対の静電フォーサ電極２２および２４をさらに含み、それらが対向する側面においてプルーフマス１４から離間されている。第１の静電フォーサ電極２２は、第１のＤＣバイアス電圧（例えば、−５０ｖＤＣ）を提供され、第２の静電フォーサ電極２４は、第２のＤＣバイアス電圧（例えば、＋５０ｖＤＣ）を提供される。

本実施例において、第１および第２のフォーサ電極２２および２４は、同等で反対の極性のＤＣ電圧バイアスを受け取る。しかしながら、他のＤＣバイアス電圧は、第１のＤＣ電圧が第２のＤＣ電圧と反対の極性である限り、利用され得ことにより、プルーフマスに印加される、フォースリバランス型サーボ電圧が、第１のＤＣ電圧および第２のＤＣ電圧と相互作用して、プルーフマスを電気的ヌルに移動させる。加速度計１４は、１対の容量性ピックオフ励起電極１８および２０も含み、それらのそれぞれが、互いに１８０°位相がずれているＡＣ励起信号（例えば、＋／−２５０ＫＨｚ）を提供される。静電フォーサ電極２２および２４と、容量性ピックオフ励起電極１８および２０とは、当業者にとって既知であるように、単一の１対のピックオフ励起／フォーサ電極に組み合わせられ得ることが認識されるべきである。他のフォースリバランス方法、例えば、デジタル制御されたパルス幅変調フォースリバランスが利用され得ることが認識されるべきである。

ピックオフの電気的ヌルに対するプルーフマス１４の位置に基づいて、位相差ピックオフ信号が、プルーフマス１４から生成され、プルーフマス変位の方向および大きさを示す。電気的ヌルにおいて、１対の励起信号が打ち消し合い、ピックオフ信号はゼロである。しかしながら、ピックオフ信号が、加速度および加速度計バイアスに応答するプルーフマスの変位に起因してヌルではない場合、容量性変化は、ピックオフ信号のＤＣ成分をブロックするために、コンデンサＣ１を通して、増幅のためのゲイン増幅器３２に提供されるべきピックオフ信号を生じる。次に、増幅されたピックオフ信号は、復調器３４によってＡＣ励起信号に対して復調されて、サーボ補償増幅器３８によって時間に対して積分される誤差信号を生成する。次に、サーボ補償増幅器３８は、フォーサＤＣ電圧バイアスと協働して動作するプルーフマス１４に電圧を提供して、サーボ補償増幅器３８への誤差信号入力がゼロになるまでプルーフマス１４をピックオフ電気的ヌルに移動させる。

本発明の局面に従って、加速度計１２は、１対の対向する負の静電ばねフォーサ電極２６および２８も含む。負の静電ばねフォーサ電極２６および２８のそれぞれは、負の静電ばねＤＣ電圧を受け取り、負の静電ばねＤＣ電圧は、静電力を生成して、屈曲サスペンションとフォーサバイアス電圧の負のばねとの正味の正のばねと同じ大きさの負の静電ばねを誘起する。これは、誤差信号を受け取る合計ノード３６内に、時間変動外乱信号４２を注入することによって達成される。時間変動外乱信号４２は、擬似ランダム周波数ＡＣ信号である。次に、サーボ補償増幅器３８は、プルーフマス１４に印加される、時間変動電圧を提供し、時間変動電圧は、屈曲サスペンションとフォーサバイアス電圧の負の静電ばねとの正味の正のばねの大きさに対応する。時間変動電圧は、プルーフマス１４をピックオフヌルの周囲で前後に移動させて、基本的に、屈曲サスペンション１６とフォーサ電極２２および２４上の±５０ｖＤＣフォーサバイアス電圧に関連付けられる負の静電ばねとの正味の正のばねの測定を提供する。フォースリバランスサーボ３０は、プルーフマス１４が電気的ピックオフヌルにおいて維持され、かつ、サーボ補償増幅器３８への入力がゼロになるまでに、ピックオフ信号に基づいてプルーフマス１４にフィードバックされた出力電圧を連続的に調整する。

負の静電ばねサーボ４０は、コンデンサＣ２を通してフォースリバランスサーボ３０の出力を受け取り、その出力は、ゲイン増幅器４４によって増幅され、かつ、復調器４６によって時間変動外乱信号４２に対して復調されて、負の静電ばねサーボ４０に誤差信号を提供する。誤差信号は、サーボ補償増幅器４８によって積分されて、負の静電フォーサ電極２６および２８のそれぞれに負の静電ばねＤＣ電圧を提供する。負の静電ばねサーボ４０は、ピックオフ電極１８および２０とフォーサ電極２２および２４とから分離された静電負のばね電極２６および２８にＤＣ電圧を印加して、加速度計出力の時間変動外乱信号をゼロにする。さらに、負の静電ばねサーボ４０は、負の静電ばねＤＣ電圧を連続的に（すなわち、温度変化および老化を考慮してリアルタイムに）調整して、屈曲サスペンション１６とフォーサ電極２２および２４上の±５０ｖＤＣフォーサバイアス電圧に関連付けられる負の静電ばねとの正味の正の機械的ばねをゼロにすることによって、加速度計１２の寿命に対してリアルタイムで加速度計バイアスとバイアス不安定性を連続的に低減させる。

前述の上の構造的および機能的特徴に関して、本発明の様々な局面に従う方法は、図２を参照してよりよく認識される。さらに、説明の簡明さの目的のために、図２の方法は、順次に実行されるように示され、説明されるが、いくつかの局面が本発明に従って示され、かつ説明されるものとは異なる順番および／または他の局面と同時に生じるように、本発明が、例示された順番によって限定されないことが理解および認識されるべきである。

図２は、本発明の局面に従う、加速度計のバイアスを低減する方法１００を例示する。加速度計は、屈曲サスペンションによって加速度計ハウジングに連結されたプルーフマスと、対向する側面においてプルーフマスから離間された１対の負の静電フォーサ電極とを含む。方法は、１０２で開始し、第１のＡＣ励起信号が第１の容量性ピックオフ電極に印加され、第２のＡＣ励起信号が第２の容量性ピックオフ電極に印加され、第１の容量性ピックオフ電極および第２の容量性ピックオフ電極は、プルーフマスの対向する側面に配置され、第１のＡＣ励起信号は、第２のＡＣ励起信号から１８０°位相がずれている。次に、方法は、１０４に進む。

１０４において、第１のＤＣ電圧が、第１の静電フォーサ電極に印加され、第２のＤＣ電圧が、第２の静電フォーサ電極に印加され、第１の静電フォーサ電極および第２の静電フォーサ電極は、プルーフマスの対向する側面に配置され、第１のＤＣ電圧の極性は、第２のＤＣ電圧の極性と反対であり、それによって、プルーフマスに印加されたＤＣ電圧が、第１のＤＣ電圧および第２のＤＣ電圧と相互作用して、プルーフマスを電気的ヌルに移動させる。技術分野において既知であるように、第１の容量性ピックオフ電極は、第１の静電フォーサ電極と組み合わせられ得、第２の容量性ピックオフ電極は、第２の静電フォーサ電極と組み合わせられ得る。次に、方法は１０６に進む。

１０６において、時間変動外乱信号は、フォースリバランスサーボ内に注入され、それは、屈曲サスペンションとフォーサバイアス電圧に関連付けられる負の静電ばねとの正味の正のばねの大きさに対応する、時間変動出力電圧の生成をもたらす。注入された時間変動外乱信号は、フォースリバランスサーボにピックオフヌルの周囲の前後にプルーフマスを移動させる。これは、プルーフマスの運動に起因して、かつ、第１の容量性ピックオフ電極に印加された第１のＡＣ励起信号と第２の容量性ピックオフ電極に印加された第２のＡＣ励起信号との容量性変化およびそれらとの相互作用に応答するピックオフ信号がプルーフマスにおいて生成されるようにする。ピックオフ信号は、フォースリバランス信号を生成するために積分される誤差電圧を生成するように復調される。１０８において、フォースリバランス信号は、時間変動外乱信号に対して復調され、積分ゲインおよびサーボ補償を用いて増幅されて、負の静電ばねＤＣ電圧を提供する。１１０において、負の静電ばねＤＣ電圧は、１対の負の静電フォーサ電極のそれぞれに印加されて、屈曲サスペンションとフォーサバイアス電圧に関連付けられる負の静電ばねとの正味の正のばねを打ち消す。

本発明の実施例が上に説明された。当然、本発明を説明する目的のために、構成要素または方法のそれぞれの考えられる組み合わせを説明することは可能ではないが、当業者は、本発明の多くのさらなる組み合わせおよび置換が可能であることを認識する。従って、本発明は、添付の請求項を含む本出願の範囲内にある全ての代替、変更、およびバリエーションを網羅するように意図されている。

Claims

加速度計のバイアスを低減するシステムであって、該加速度計は、屈曲サスペンションによって加速度計ハウジングに連結されたプルーフマスと、対向する側面において該プルーフマスから離間された１対の負の静電フォーサ電極とを有し、該システムは、
フォースリバランスサーボと、
負の静電ばねサーボと
を含み、
該フォースリバランスサーボは、該加速度計ハウジングに対する該プルーフマスの運動を示す電気的ピックオフ信号に応答して、制御信号を該プルーフマスに提供し、時間変動外乱信号は、該フォースリバランスサーボ内に注入され、該時間変動外乱信号に応答して該プルーフマスが移動する場合の該プルーフマスに作用する、組み合わせられた屈曲サスペンションとバイアス電圧に関連付けられる静電ばねとの正味の正のばね力の大きさに対応する時間変動信号の生成を該フォースリバランスサーボの出力において生じさせ、
該負の静電ばねサーボは、負の静電ばねＤＣ電圧を該１対の負の静電フォーサ電極に印加して、該フォースリバランスサーボの出力内の該時間変動信号をゼロにすることに応答して、該プルーフマスに作用する、該組み合わせられた屈曲サスペンションとバイアス電圧に関連付けられる静電ばねとの該正味の正のばね力を打ち消す、システム。
前記ピックオフ信号は、前記加速度計ハウジングに対する前記プルーフマスの運動と、第１の容量性ピックオフ電極に印加される第１のＡＣ励起信号および第２の容量性ピックオフ電極に印加される第２のＡＣ励起信号との相互作用とによって引き起こされるキャパシタンス変化に応答して、該プルーフマスにおいて生成される位相差信号であり、該第１の容量性ピックオフ電極と該第２の容量性ピックオフ電極とは、該プルーフマスの対向する側面に配置され、該第１のＡＣ励起信号は、該第２のＡＣ励起信号から１８０°位相がずれている、請求項１に記載のシステム。
第１のＤＣ電圧は、第１の静電フォーサ電極に印加され、第２のＤＣ電圧は、第２の静電フォーサ電極に印加され、該第１の静電フォーサ電極と該第２の静電フォーサ電極とは、前記プルーフマスの対向する側面に配置され、該第１のＤＣ電圧は、該第２のＤＣ電圧と反対の極性であり、その結果、該プルーフマスに印加される前記フォースリバランスサーボの制御信号出力は、該第１のＤＣ電圧および該第２のＤＣ電圧と相互作用し、静電力を生成することにより、該プルーフマスをピックオフ電気的ヌルに移動させる、請求項２に記載のシステム。
第１のＤＣ電圧は、前記第１の容量性ピックオフ電極に印加され、第２のＤＣ電圧は、前記第２の容量性ピックオフ電極に印加され、該第１のＤＣ電圧は、該第２のＤＣ電圧と反対の極性であり、その結果、前記プルーフマスに印加される前記フォースリバランスサーボの制御信号出力は、該第１のＤＣ電圧および該第２のＤＣ電圧と相互作用し、静電力を生成することにより、該プルーフマスをピックオフ電気的ヌルに移動させる、請求項２に記載のシステム。
前記フォースリバランスサーボは、前記ピックオフ信号を増幅するゲイン増幅器と、前記第１のＡＣ励起信号に対して増幅されたピックオフを誤差電圧に復調する復調器と含む、請求項２に記載のシステム。
前記フォースリバランスサーボは、サーボ補償増幅器を含み、該サーボ補償増幅器は、前記誤差電圧を積分し、前記プルーフマスを前記電気的ピックオフヌルへフォースリバランスさせるために印加される制御電圧を提供する、請求項５に記載のシステム。
時間変動外乱信号は、前記誤差電圧と共に合計ノード内に注入され、前記サーボ補償増幅器に提供される、請求項６に記載のシステム。
前記負の静電ばねサーボは、前記フォースリバランスサーボの出力に連結されているキャパシタンスを増幅する増幅器と、前記時間変動外乱信号に対してフォースリバランスサーボ信号を復調する復調器とを含む、請求項１に記載のシステム。
サーボ補償増幅器をさらに含み、該サーボ補償増幅器は、前記復調されたフォースリバランス信号を積分して、負のばねＤＣ電圧を提供する、請求項８に記載のシステム。
加速度計システムであって、該システムは、
屈曲サスペンションによって加速度計ハウジングに連結されたプルーフマス、および対向する側面において該プルーフマスから離間された１対の負の静電フォーサ電極と、
フォースリバランスサーボと、
負の静電ばねサーボと
を含み、
該フォースリバランスサーボは、該加速度計ハウジングに対する該プルーフマスの運動を示す電気的ピックオフ信号に応答して、制御信号を該プルーフマスに提供し、時間変動外乱信号は、該フォースリバランスサーボの合計ノード内に注入され、該外乱信号に応答して該プルーフマスが移動する場合の該プルーフマスに作用する、組み合わせられた屈曲サスペンションとバイアス電圧に関連付けられる静電ばねとの正味の正のばね力の大きさに対応する時間変動信号の生成を該フォースリバランスサーボの出力において生じさせ、
該負の静電ばねサーボは、負の静電ばねＤＣ電圧を該１対の負の静電フォーサ電極のそれぞれに印加して、該フォースリバランスサーボの出力内の該時間変動信号をゼロにすることに応答して、該プルーフマスに作用する、該組み合わせられた屈曲サスペンションとバイアス電圧に関連付けられる静電ばねとの該正味の正のばね力を打ち消す、システム。
前記ピックオフ信号は、前記加速度計ハウジングに対する前記プルーフマスの運動と、第１の容量性ピックオフ電極に印加される第１のＡＣ励起信号および第２の容量性ピックオフ電極に印加される第２のＡＣ励起信号との相互作用とによって引き起こされるキャパシタンス変化に応答して、該プルーフマスにおいて生成される位相差信号であり、該第１の容量性ピックオフ電極と該第２の容量性ピックオフ電極とは、該プルーフマスの対向する側面に配置され、該第１のＡＣ励起信号は、該第２のＡＣ励起信号から１８０°位相がずれている、請求項１０に記載のシステム。
第１のＤＣ電圧は、第１の静電フォーサ電極に印加され、第２のＤＣ電圧は、第２の静電フォーサ電極に印加され、該第１の静電フォーサ電極と該第２の静電フォーサ電極とは、前記プルーフマスの対向する側面に配置され、該第１のＤＣ電圧は、該第２のＤＣ電圧と反対の極性であり、その結果、該プルーフマスに印加される前記フォースリバランスサーボの制御信号出力は、該第１のＤＣ電圧および該第２のＤＣ電圧と相互作用して、該プルーフマスをピックオフ電気的ヌルに移動させる、請求項１１に記載のシステム。
第１のＤＣ電圧は、前記第１の容量性ピックオフ電極に印加され、第２のＤＣ電圧は、前記第２の容量性ピックオフ電極に印加され、該第１のＤＣ電圧は、該第２のＤＣ電圧と反対の極性であり、その結果、前記プルーフマスに印加される前記フォースリバランスサーボの制御信号出力は、該第１のＤＣ電圧および該第２のＤＣ電圧と相互作用し、静電力を生成することにより、該プルーフマスをピックオフ電気的ヌルに移動させる、請求項１１に記載のシステム。
前記フォースリバランスサーボは、
前記ピックオフ信号を増幅するゲイン増幅器と、
前記第１のＡＣ励起信号に基づいて、増幅されたピックオフを誤差電圧に復調する復調器と、
サーボ補償増幅器と
を含み、
該サーボ補償増幅器は、該誤差電圧を積分して、前記プルーフマスに印加される制御電圧を提供し、時間変動外乱信号は、該誤差電圧と共に合計ノード内に注入され、該サーボ補償増幅器に提供される、請求項１２に記載のシステム。
前記負の静電ばねサーボは、
前記フォースリバランスサーボの出力に連結されるキャパシタンスを増幅する増幅器と、
前記時間変動外乱信号に対して該増幅されたフォースリバランス信号を復調する復調器と、
サーボ補償増幅器と
を含み、
該サーボ補償増幅器は、前記増幅された復調されたフォースリバランス信号を積分して、負のばねＤＣ電圧を提供する、請求項１０に記載のシステム。
加速度計のバイアスを低減する方法であって、該加速度計は、屈曲サスペンションによって加速度計ハウジングに連結されたプルーフマスと、対向する側面において該プルーフマスから離間された１対の負の静電フォーサ電極とを有し、該方法は、
時間変動外乱信号をフォースリバランスサーボ内に注入することであって、該時間変動外乱信号は、該外乱信号に応答して該プルーフマスが移動する場合の該プルーフマスに作用する、組み合わせられた屈曲サスペンションとバイアス電圧に関連付けられる静電ばねとの正味の正のばね力の大きさに対応する出力電圧の生成を生じさせる、ことと、
負の静電ばねＤＣ電圧を該１対の負の静電フォーサ電極のそれぞれに印加して、該フォースリバランスサーボの出力内の該時間変動信号をゼロにすることに応答して、該プルーフマスに作用する、該組み合わせられた屈曲サスペンションとバイアス電圧に関連付けられる静電ばねとの該正味の正のばね力を打ち消すことと
を含む、方法。
第１のＡＣ励起信号を第１の容量性ピックオフ電極に印加することと、
第２のＡＣ励起信号を第２の容量性ピックオフ電極に印加することであって、該第１の容量性ピックオフ電極と該第２の容量性ピックオフ電極とは、前記プルーフマスの対向する側面に配置され、該第１のＡＣ励起信号は、該第２のＡＣ励起信号から１８０°位相がずれている、ことと、
前記加速度計ハウジングに対する該プルーフマスの運動と、該第１のＡＣ励起信号および該第２のＡＣ励起信号との相互作用とに起因するキャパシタンス変化に応答して、該プルーフマスにおいて生成される位相差信号を捕獲および復調して、誤差信号を生成することと、
該誤差信号を積分して、前記フォースリバランス信号に対応する制御電圧を生成することと
をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
第１のＤＣ電圧を第１の静電フォーサ電極に印加することと、
第２のＤＣ電圧を第２の静電フォーサ電極に印加することと
をさらに含み、
該第１の静電フォーサ電極と該第２の静電フォーサ電極とは、前記プルーフマスの対向する側面に配置され、該第１のＤＣ電圧は、該第２のＤＣ電圧と反対の極性であり、その結果、該プルーフマスに印加される前記制御電圧は、該第１のＤＣ電圧および該第２のＤＣ電圧と相互作用し、静電力を生成することにより、該プルーフマスをピックオフ電気的ヌルに移動させる、請求項１７に記載の方法。
第１のＤＣ電圧を前記第１の容量性ピックオフ電極に印加することと、
第２のＤＣ電圧を前記第２の容量性ピックオフ電極に印加することであって、その結果、前記プルーフマスに印加される前記制御電圧は、該第１のＤＣ電圧および該第２のＤＣ電圧と相互作用し、静電力を生成することにより、該プルーフマスをピックオフ電気的ヌルに移動させる、ことと
をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
前記時間変動外乱信号に対して前記フォースリバランス信号を復調することと、
該復調されたフォースリバランス信号を積分して、負の静電ばねＤＣ電圧を提供することと、
該負の静電ばねＤＣ電圧を前記１対の負の静電フォーサ電極のそれぞれに印加して、前記フォースリバランスサーボの出力内の該時間変動信号をゼロにすることに応答して、前記プルーフマスに作用する、前記組み合わせられた屈曲サスペンションとバイアス電圧に関連付けられる静電ばねとの前記正味の正のばね力を打ち消すことと
をさらに含む、請求項１６に記載の方法。