JP4723596B2 - 誤差を緩和するための力平衡計器システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、力平衡計器に関し、より詳細には、誤差を緩和するための力平衡計器システムおよび方法に関する。

たとえば加速度計など力平衡検知用計器（force balanced sensing instrument）では、一般に、計器出力信号が、検知すべき入力条件に比例することが望ましい。したがって、多数のタイプの静電気力平衡検知用計器および電磁力平衡検知用計器では、計器出力と検知される入力との線形関係を得るために、特別な技法が必要とされる。静電気計器および電磁計器では、計器フォーサ（forcer）によって加えられる力は、フォーサに供給されるフィードバック電圧または電流に対して線形に関係していない。さらに、計器それ自体の最適な動作のために、フィードバック制御ネットワークによって加えられるフィードバック力が、検知される入力に対して線形関係を有することが好ましい。したがって、そのような線形性を得るために、特別な技法が使用されている。

たとえば、静電気力平衡加速度計では、振子（pendulous）慣性マスまたはプルーフマスからの出力を位置決めする、また、それを得るために、閉ループシステム内の静電気強制（electrostatic forcing）が使用される。静電気強制システムは、シリコン基板からエッチングされた振子部材の各側で容量性ピックオフ電極を使用する。各電極に一定量の電荷を順次印加するために、制御パルスが使用される。電荷がそれぞれのプレート上で残される時間の量（たとえば、デューティサイクル）を変えることによって、可変の力が慣性マスに加えられる。

しかし、プレートに印加される一定の電荷を使用すると、電荷が蓄積しやすくなる。この電荷蓄積は、加速度計の電気特性の変動に通じる。電気特性のこれらの変動は、デバイス全体にわたって変わる測定誤差を引き起こす可能性がある。電荷蓄積は、診断しモデル化するのが困難である。というのは、電荷蓄積は、所与のデバイスの固有の特性および／または製造ばらつきに関連し得るからである。さらに、温度の変動、老化、および事前の回路条件が、デバイス内で蓄積される電荷の量に影響を及ぼす可能性がある。

本発明の一態様によれば、対向する電極プレート間に配置された慣性プルーフマスをゼロにする（null）ために電荷パルスを使用する力平衡計器システムが提供される。このシステムは、第１の電極プレートと第２の電極プレートの間に配置された慣性プルーフマスと、正電荷パルスと負電荷パルスのうちの１つを第１の電極プレートと第２の電極プレートのうちの１つに送る、切替え可能な切替えシステムとを備える。さらに、本システムは、第１の充電サイクル時間の間、第１の電極プレートおよび第２の電極プレートに、交互に正電荷パルスを送るように、また、第２の充電サイクル時間の間、第１の電極プレートおよび第２の電極プレートに、交互に負電荷パルスを送るように、スイッチシステムの切替えを制御する制御論理デバイスを備える。

本発明の他の態様によれば、第１の電極プレートと第２の電極プレートの間に配置された慣性プルーフマスを含む力平衡計器が提供される。この計器は、正電荷パルスと負電荷パルスのうちの１つを送るための手段と、第１の電極プレートおよび第２の電極プレートに、交互に、選択された極性の電荷パルスを印加するための手段と、印加するための手段によって正電荷パルスを印加するための充電サイクル時間および負電荷パルスを印加するための充電サイクル時間を制御するための手段とを備える。

本発明の他の態様によれば、第１の電極プレートと第２の電極プレートの間に配置された慣性プルーフマスをゼロにするために電荷パルスを使用する力平衡計器内で誤差を緩和するための方法が提供される。この方法は、第１の充電サイクル時間の間、第１の電極プレートおよび第２の電極プレートに、交互に第１の極性の電荷パルスを印加すること、第１の充電サイクル時間の各充電サイクルシーケンスについて、第１の電極プレートおよび第２の電極プレート上で第１の極性の電荷パルスによって誘導された電圧間の第１の差電圧を決定すること、および、第１の充電サイクル時間の充電サイクルシーケンスに関連するデューティサイクルを設定するために、時間の経過につれて第１の差電圧を集計することを含む。さらに、この方法は、第１の充電サイクル時間の完了後、電荷パルスの極性を第２の極性の電荷パルスに切り替えること、第２の充電サイクル時間の間、第１の電極プレートおよび第２の電極プレートに、交互に第２の極性の電荷パルスを印加すること、第２の充電サイクル時間の各充電サイクルシーケンスについて、第１の電極プレートおよび第２の電極プレート上で第２の極性の電荷パルスによって誘導された電圧間の第２の差電圧を決定すること、および、第１の充電サイクル時間の充電サイクルシーケンスに関連するデューティサイクルを設定するために、時間の経過につれて第１の差電圧を集計することを含む。

本発明は、誤差を緩和するための力平衡計器システムおよび方法に関する。このシステムおよび方法は、対向する電極間に配置された慣性プルーフマスをゼロにするために、静電気力を生成するように電荷パルスを使用する力平衡計器内で、電荷蓄積によって引き起こされる測定読取りにおける誤差を緩和する。このシステムおよび方法は、所与の充電サイクル時間の間、各対向する電極に正電荷パルスを印加し、それに続いて、第２の所与の充電サイクル時間の間、各対向する電極に負電荷パルスを印加することによって、電荷蓄積を緩和する。負電荷パルスは、正電荷パルスによって引き起こされた電極上の任意の残留電荷を除去する。その結果、電極上で残される正味の残留電荷が、平均して減少される。

本例では、電荷パルスという用語は、ある持続時間の間、力平衡計器の電極に電荷を送る用語として使用され、電圧パルスと電流パルスを共に定義することが意図されている。たとえば、電圧パルスとして印加される電荷パルスは、入力として送られ、この入力は、電極に印加されたとき電流パルスに変換され、電荷が電極に印加される。したがって、電荷パルスという用語は、電流パルスまたは電圧パルスを示すことが意図されている。

静電気力（Ｆ）は、電荷の２乗（Ｑ²）の関数であることを理解されたい。したがって、静電気力の極性は、電極に印加された電荷の極性と共に変化しない。第１および第２の充電サイクル時間は、それぞれ単一の電荷パルスシーケンス（すなわち、各対向する電極に対する単一のパルス）または複数の電荷パルスシーケンスとすることができる。このシステムおよび方法は、加速度計システムの例を用いて例示されることになるが、このシステムおよび方法は、様々な異なる力平衡計器タイプで使用することができることを理解されたい。

加速度計など力平衡計器は、静電気ピックオフ／強制組合せプレートまたは電極をその両側に有するプルーフマスを使用する。これらのプレートは、充電シーケンスの連続する部分において、敏感な要素の両側に対して交互に作用する一定の引力を提供する。力平衡は、ある完全充電シーケンスの各部分間の持続時間の差が加速度計の線形の尺度となるように、充電サイクルシーケンスのデューティサイクルを制御することによって達成される。強制プレートのそれぞれに対する電圧は、それぞれが、充電シーケンス部分の持続時間にわたって実質的に固定された力レベルを提供する充電パルスで充電された後で、個々に検知される。２つの連続する電圧サンプルが記憶され、それらの差が、充電サイクルシーケンスのデューティサイクルを制御するように積分されており、このデューティサイクルそれ自体は、それぞれのプレートによってプルーフマスに印加される、交互に向けて送られる力の印加持続時間を制御する。

図１は、本発明の一態様による例示的な加速度計システム１０の概略的なブロック図を示す。本例は、加速度計システムに関連して例示されることになるが、本発明は、慣性プルーフマスをゼロにするために電荷パルスを使用する様々な他の力平衡計器システム内で使用することができる。加速度計システム１０は、極性反転および電荷パルス制御を実装するための技法の一例を提供するが、極性反転および電荷パルス制御を実装するために、様々な他の技法を使用することができることを理解されたい。加速度計システム１０は、上部電極プレート２２と下部電極プレート２４の間に配置されたプルーフマスまたは振子マス２０で構成された検知用要素２１を含む。プルーフマス２０は、上部電極プレート２２および下部電極プレート２４に近接して位置決めされ、しかしわずかに離隔され、その結果、第１のコンデンサＣ１が上部電極プレート２２およびプルーフマス２０から形成され、第２のコンデンサＣ２が下部電極プレート２４およびプルーフマス２０から形成される。検知用要素２１は、プルーフマスが半導体基板から異方性エッチング形成され得るように半導体基板から形成することができ、その結果、プルーフマス２０は、基板に片持ち型構成で接続される。片持ち型構成は、プルーフマス２０が入力軸に沿った加速度に応答して出力軸の周りで撓むことを可能にする。加速度計システム１０に関連する１つまたは複数の他の要素は、半導体基板内で形成することができ、スタンドアローンの回路デバイスとすることができ、集積回路として集積することができ、またはこれらの任意の組合せとすることができることを理解されたい。

上部電極プレート２２および下部電極プレート２４は、ピックオフプレートと強制プレートを共に形成し、それにより、電荷パルスがそれぞれのプレートに印加され、それぞれのプレートにより、電荷プレート上の電圧がサンプリングされている間に、静電気力がプルーフマス２０に印加される。プレート上のサンプリングされた電圧は、サンプリングされたプレートに対するプルーフマス２０の変位を示す。各それぞれの電極プレート上のサンプリングされた電圧間の差電圧は、他方のプレートに勝る一方のプレートに対するプルーフマス１０の変位を示す。

加速度計システム１０は、演算増幅器１６に結合された切替えシステム１４を含む。正の基準電圧（ＶＲＥＦ）は、抵抗器Ｒ１を介して切替えシステム１４に結合され、負の基準電圧（−ＶＲＥＦ）は、抵抗器Ｒ２を介して切替えシステム１４に結合される。制御論理デバイス１２は、電荷パルスを上部電極プレート２２および下部電極プレート２４に送るために正の基準電圧または負の基準電圧のどちらを使用すべきか制御する極性制御信号を生成する。制御論理デバイス１２は、ハードウェアデバイス（たとえば、ＡＳＩＣ）、ソフトウェア命令を使用するプロセッサデバイス、またはハードウェアデバイスとソフトウェアデバイスの組合せとすることができる。制御論理デバイス１２は、制御論理デバイス１２に関連する適切な制御、タイミング、測定機能を提供するために、複数のデバイスから形成することができることを理解されたい。また、制御論理デバイス１２は、パルス制御信号を生成する。パルス制御信号は、ある電荷パルス時間の間、選択された基準電圧を演算増幅器１６の負の入力端子に結合し、それにより電荷パルスが演算増幅器１６の入力に印加される。

制御論理デバイス１２は、正電荷パルスを電極に印加するための充電サイクルシーケンスの数および充電サイクル時間と、負電荷パルスを電極に印加するための充電サイクルシーケンスの数および充電サイクル時間とを決定するように動作する。正の充電サイクル時間は、負の充電サイクル時間と同じとすることも、異なるものとすることもできる。たとえば、正のパルスが単一の充電サイクルシーケンスについて印加され、それに続いて負のパルスが単一の充電サイクルシーケンスについて印加される可能性がある。別法として、充電サイクル時間は、多数の充電サイクルシーケンスを含むことができ、それにより、所与の極性のパルスが、数ミリ秒、数秒、数分、または数時間単位の範囲にわたる充電サイクル時間の間印加される。充電サイクル時間の間、正電荷パルスと負電荷パルスの間で交替することは、加速度計システム１０の動作中、継続することができる。異なる充電サイクル時間の間、電荷パルスの極性を交互に入れ替えることにより、一方の極性の電荷パルスによってプレート上で蓄積する残留電荷が、反対の極性の電荷パルス中に放電される。したがって、測定読取りにおける誤差が緩和される。

制御論理デバイス１２は、Ｈスイッチ１８に結合されるスイッチ制御信号を生成する。Ｈスイッチ１８は、演算増幅器１６の出力を上部電極プレート２２および下部電極プレート２４の一方または他方に結合するように動作し、一方、選択されない電極プレートを接地に結合する。Ｈスイッチ１８の機能を実現するために、様々な異なる切替えデバイスを使用することができることを理解されたい。スイッチ制御信号は、上部電極プレート２２と下部電極プレート２４のどちらが電荷パルスを受け取るべきか、また、上部電極プレート２２と下部電極プレート２４のどちらを接地に結合すべきか判定する。電荷パルスは、選択された電極プレート上の電圧を、選択されたプレートに対するプルーフマス２０の変位を示すプレート電圧に上昇または下降させることになる。たとえば、正電荷パルスが、選択された電極プレートに印加された場合、電圧は、接地に対して正の電圧に上昇することになる。しかし、負電荷パルスが、選択された電極プレートに印加された場合、選択された電極プレートは、接地に対して負の電圧に下降することになる。制御論理デバイス１２によって生成されたリセット制御信号は、スイッチＳ１を閉じることによって電極を接地に結合することにより、選択された電極プレートからプレート電圧を放電するように動作する。これは、増幅器１６の負の端子が、接地に結合される演算増幅器１６の正の端子の電位へ駆動されることになるため行われる。

充電サイクルシーケンス中には、第１の電荷パルスが上部電極プレート２２に印加される。第１の電荷パルスが正電荷パルスである場合、電極プレート電圧は、接地に対して正の電圧に上昇し、この電圧は、プルーフマス２０に対する上部電極プレート２２の変位に関係する。第１の電荷パルスが負電荷パルスである場合、電極プレート電圧は、接地に対して負の電圧に下降し、この電圧は、プルーフマス２０に対する上部電極プレート２２の変位に関係する。上部電極プレート２２上の電圧は、電圧が正の電圧である場合、第１のサンプルアンドホールドデバイス２５によって、また、電圧が負の電圧である場合、第２のサンプルアンドホールドデバイス２６によってサンプリングされる。上部電極プレート２２上の電圧は、スイッチＳ１に対するリセットパルスにより電圧が上部電極プレート２２から放電されるまで、上部電極プレート２２上で残る。

第２の電荷パルスは、下部電極プレート２４に印加される。第２の電荷パルスが正電荷パルスである場合、電極プレート電圧は、接地に対して正の電圧に上昇し、この電圧は、プルーフマス２０に対する下部電極プレート２４の変位に関係する。第２の電荷パルスが負電荷パルスである場合、電極プレート電圧は、接地に対して負の電圧に下降し、この電圧は、プルーフマス２０に対する下部電極プレート２４の変位に関係する。下部電極プレート２４上の電圧は、電圧が正の電圧である場合、第２のサンプルアンドホールドデバイス２６によって、また、電圧が負の電圧である場合、第１のサンプルアンドホールドデバイス２５によってサンプリングされる。下部電極プレート２４上の電圧は、スイッチＳ１に対するリセットパルスにより電圧が下部電極プレート２４から放電されるまで、下部電極プレート２４上で残る。

上部電極プレート２２および下部電極プレート２４上でサンプリングされた電圧は、差動増幅器２８に送られる。差動増幅器２８は、上部電極プレート２２上の電圧と下部電極プレート２４上の電圧との差を表す差信号を提供する。この差信号は、時変の差信号を積分し、積分済み差信号を生成する積分器３０に送られる。積分器３０は、抵抗器Ｒ３、Ｒ４、コンデンサＣ３、Ｃ４、増幅器３０から形成される。次いで、積分済み差信号は、アナログ−デジタル変換器（Ａ／Ｄ）３２に送られ、この変換器は、積分済み差信号をデジタル化し、デジタル化された積分済み差信号を制御論理デバイス１２に送る。

積分済み差信号は、電荷が各電極上で残される時間の量、または充電サイクルシーケンスのデューティサイクルを調整するために、制御論理デバイス１２によって使用される。充電サイクルシーケンスのデューティサイクルは、積分済み差信号と相関される。単一の充電サイクルシーケンスまたは充電サイクルシーケンスのデューティサイクルの２つの部分の差が、加速度の線形の尺度である。少数の充電サイクルシーケンスの後で、有効な加速度値が決定され、制御論理デバイス１２のＩ／Ｏポートに送られる可能性がある。

加速度計に関連する加速度は時間と共に変わる可能性があり、その結果、上記のプロセスは、加速度値を継続的に更新するために繰り返されることを理解されたい。たとえば、加速度計が１０メガヘルツクロックから実行し、Ｉ／Ｏに結合されたデバイスがヘルツまたはキロヘルツ範囲内のある周波数で更新される場合、多数の充電サイクルシーケンスが発生しているはずであるため、加速度読取りの良好な平均が、各Ｉ／Ｏ更新ごとに制御論理デバイス１２によって導出される可能性がある。

制御論理デバイス１２はまた、第１のサンプルアンドホールドデバイス２５を選択するための第１のサンプルアンドホールド制御信号（Ｓ／Ｈ１制御）、および第２のサンプルアンドホールドデバイス２６を選択するための第２のサンプルアンドホールド制御信号（Ｓ／Ｈ２制御）を生成する。負電荷パルスを上部電極プレート２２および下部電極プレート２４に印加するときプレート電圧を反転すると、積分器３０に対する入力の符号が反転し、不安定になることを理解されたい。これが発生するのを防止するために、制御論理デバイス１２は、プレート電圧をサンプリングするためにどのサンプルアンドホールドデバイスを選択するか判定する。たとえば、正電荷パルスおよび正のプレート電圧について、第１のサンプルアンドホールドデバイス２５が上部電極２２をサンプリングするために使用され、第２のサンプルアンドホールドデバイスが下部電極２４をサンプリングするために使用される。負電荷パルスおよび負のプレート電圧について、第２のサンプルアンドホールドデバイス２５が上部電極２２をサンプリングするために使用され、第１のサンプルアンドホールドデバイスが下部電極２４をサンプリングするために使用される。電荷極性が反転されたときサンプルアンドホールドデバイスを切り替えることにより、望ましくない符号反転が打ち消される。望ましくない符号反転を打ち消すために、様々な他の技法（たとえば、論理デバイス）を使用することができることを理解されたい。

制御論理デバイス１２はまた、極性反転直後の第１のサンプリング時間で、サンプルアンドホールドデバイス２５および２６の両方にプレート電圧をサンプリングさせることができ、積分器３０を飽和させることになる、差動増幅器２８が一方のサンプルアンドホールドデバイスから正の信号を、また他方のサンプルアンドホールドデバイスから負の信号を受けるのを防止する。その代わりに、両方のサンプルアンドホールドデバイスに同時にサンプリングさせることにより、積分器３０は、半サイクルについてゼロ入力を受け、これはトランジェントを誘発する可能性があるが、飽和を誘発しない。別法として、制御論理デバイス１２は、正と負の電圧を同時にサンプリングするのを回避するために、１つの充電サイクルシーケンスの間、サンプリングを遅延させることができる。

図２は、図１の加速度計システム１０の電極に正電荷パルスを印加することに関連するタイミング図を示す。このタイミング図は、増幅器１６の入力に送られた電流パルスに対応する電荷パルス波形５０と、リセット制御信号に対応するリセット制御信号波形５２と、電荷パルスの印加後、上部電極プレート２２および下部電極プレート２４の一方または他方で保持された電圧に対応するプレート電圧波形５４とを含めて、複数の波形を含む。また、これらの波形は、第１のサンプルアンドホールドデバイス２５部で、また第２のサンプルアンドホールドデバイス２６部でプレート電圧をサンプリングすることを選択するサンプルアンドホールド制御信号波形５６をも含む。Ａ／Ｄサンプル波形５８は、Ａ／Ｄ変換器３２による積分済み差信号のサンプリングを示す。さらに、上部電極プレート２２への、またそこからの増幅器１６の出力のスイッチングを示す第１のＨスイッチ波形６０と、下部電極プレート２４への、またそこからの増幅器１６の出力のスイッチングを示す第２のＨスイッチ波形６２とが提供される。

図２のタイミング図では、時間の事例（instance in time）を表すために、大文字の「Ｔ」が使用され、一方、時間間隔を表すために、小文字の「ｔ」が使用される。図２に示されているように、時間Ｔ０では、リセット制御信号がスイッチＳ１に印加され、下部電極プレート２４に、前の充電サイクルシーケンスから下部電極プレート２４上に存在する任意の電圧を放電させる。時間間隔ｔ１（たとえば、５．３８ｍｓ）の終了時には、第１のＨスイッチ波形６０がローになり、一方、第２のＨスイッチ波形６２がハイになり、それにより下部電極プレート２４が増幅器１６の出力から切断され、上部電極プレート２２が増幅器１６の出力に接続される。時間間隔ｔ２（たとえば、５．３８ｍｓ）の終了時には、リセット波形５２がローに遷移し、スイッチＳ１を開かせ、選択された上部電極プレート２２から接地を切断する。リセット波形５２がローに遷移したほんの少し後である時間間隔ｔ３の終了時には、電荷パルス波形５０で示されているように、正電荷パルス（Ｑ）が、電荷パルス期間ｔ４（たとえば、４．８９ｍｓ）の間、上部電極プレート２２に印加される。正電荷パルス（Ｑ）は、正の基準電圧ＶＲＥＦを、切替えシステム１４を介して、演算増幅器１６の負の端子に結合するパルス制御信号および極性選択信号によって印加される。これにより、増幅器１６の入力部、および上部電極プレート２２部で正電荷パルスが生じる。

プレート電圧波形５４に示されているように、上部電極プレート２２上のプレート電圧は、上部電極プレート２２に対するプルーフマス２０の変位に関連する正の電圧レベルＶ１に上昇する。プレート電圧が電圧レベルＶ１に上昇した直後の時間間隔ｔ５の終了時には、第１のサンプルアンドホールド回路２５は、サンプルアンドホールド制御信号波形５６に示されているように、サンプル時間間隔ｔ６の間、上部電極プレート２２上の電圧をサンプリングする。プレート電圧は、時間間隔ｔ８の終了まで上部電極プレート２２上で残る。時間間隔ｔ８は、充電サイクルシーケンスの時間間隔ｔ_ccsの第１の部分を表す。電圧Ｖ１が上部電極プレート２２上で残っている間、一定の静電気力がプルーフマス２０に加えられる。

時間Ｔ９では、リセット信号がスイッチＳ１に印加され、上部電極に、充電サイクルシーケンスの第１の部分から上部電極プレート２２上に存在する電圧Ｖ１を放電させる。時間Ｔ９からの時間間隔ｔ１０の終了時には、第２のＨスイッチ波形６２がローになり、一方、第１のＨスイッチ波形６０がハイになり、それにより上部電極プレート２２が増幅器１６の出力から切断され、下部電極プレート２４が増幅器１６の出力に接続される。Ｔ９からの時間間隔ｔ１１の終了時には、リセット波形５２がローに遷移し、スイッチＳ１を開かせ、選択された下部電極プレート２４から接地を切断する。リセット波形５２がローに遷移したほんの少し後である、Ｔ９からの時間間隔ｔ１２の終了時には、電荷パルス波形５０で示されているように、正電荷パルス（Ｑ）が、電荷パルス期間ｔ１３（たとえば、４．８９ｍｓ）の間、下部電極プレート２４に印加される。正電荷パルス（Ｑ）は、正の基準電圧ＶＲＥＦを演算増幅器１６の負の端子に結合するパルス制御信号および極性選択信号によって印加される。これにより、増幅器１６の入力部、および下部電極プレート２４部で正電荷パルスが生じる。

プレート電圧波形５４に示されているように、下部電極プレート２４上のプレート電圧は、下部電極プレート２４に対するプルーフマス２０の変位に関連する正の電圧レベルＶ２に上昇する。プレート電圧が電圧レベルＶ２に上昇した直後の、時間Ｔ９からの時間間隔ｔ１４の終了時には、第２のサンプルアンドホールド回路２６は、サンプルアンドホールド制御信号波形５６に示されているように、サンプル時間間隔ｔ１５の間、下部電極プレート２４上の電圧をサンプリングする。サンプル時間間隔Ｔ１５の終了のほんの少し後である、時間Ｔ９からの時間間隔ｔ７の終了時には、Ａ／Ｄサンプル波形５８で示されているように、Ａ／Ｄ変換器３２が、積分器３０によって提供される差信号をサンプリングする。積分器３０は、第１のサンプルアンドホールドデバイス２５の上部電極プレート電圧Ｖ１および第２のサンプルアンドホールドデバイス２６からの下部電極プレート電圧Ｖ１の差電圧を提供する差動増幅器２８から差信号を受け取る。プレート電圧Ｖ２は、時間Ｔ９からの時間間隔ｔ１６の終了まで下部電極プレート２４上で残る。時間間隔ｔ１６は、充電サイクルシーケンスの時間間隔ｔ_ccsの第２の部分を表す。次のリセットパルスが下部電極プレート２４に印加される時間Ｔ１７まで、電圧Ｖ２が下部電極プレート２４上で残っている間、一定の静電気力がプルーフマス２０に加えられる。充電サイクルシーケンスの時間間隔ｔ_ccsは一定のままであり、一方、時間間隔ｔ８およびｔ１６は、上部電極と下部電極の間でプルーフマスをゼロにするのに必要とされる力に基づいて変わる。充電サイクルシーケンスの第１の部分の、充電サイクルシーケンスの時間間隔ｔ_ccs（すなわち、時間間隔ｔ８とｔ１６の和）に対する比は、充電サイクルシーケンスのデューティサイクルを表す。充電サイクルシーケンスのデューティサイクルは、プルーフマス２０が受ける加速度を導出するために使用することができる。

図３は、図１の加速度計システム１０の電極に負電荷パルスを印加することに関連するタイミング図を示す。このタイミング図は、増幅器１６の入力に送られた電流パルスに対応する電荷パルス波形７０と、リセット制御信号に対応するリセット制御信号波形７２と、負の電荷パルスの印加後、上部電極プレート２２および下部電極プレート２４の一方または他方で保持された電圧に対応するプレート電圧波形７４とを含めて、複数の波形を含む。また、これらの波形は、第１のサンプルアンドホールドデバイス２５部で、また第２のサンプルアンドホールドデバイス２６部でプレート電圧をサンプリングすることを選択するサンプルアンドホールド制御信号波形７６をも含む。Ａ／Ｄサンプル波形７８は、Ａ／Ｄ変換器３２による積分済み差信号のサンプリングを示す。さらに、上部電極プレート２２への、またそこからの増幅器１６の出力のスイッチングを示す第１のＨスイッチ波形８０と、下部電極プレート２４への、またそこからの増幅器１６の出力のスイッチングを示す第２のＨスイッチ波形８２とが提供される。

図３のタイミング図では、時間の事例を表すために、大文字の「Ｔ」が使用され、一方、時間間隔を表すために、小文字の「ｔ」が使用される。図３に示されているように、時間Ｔ０では、リセット信号がスイッチＳ１に印加され、下部電極プレート２４に、前の充電サイクルシーケンスから下部電極上に存在する任意の電圧を放電させる。時間間隔ｔ１の終了時には、第１のＨスイッチ波形８０がローになり、一方、第２のＨスイッチ波形８２がハイになり、それにより下部電極プレート２４が増幅器１６の出力から切断され、上部電極プレート２２が増幅器１６の出力に接続される。時間間隔ｔ２の終了時には、リセット波形７２がローに遷移し、スイッチＳ１を開かせ、選択された上部電極プレート２２から接地を切断する。リセット波形７２がローに遷移したほんの少し後である時間間隔ｔ３の終了時には、電荷パルス波形７０で示されているように、負電荷パルス（−Ｑ）が、電荷パルス期間ｔ４の間、上部電極プレート２２に印加される。負電荷パルス（−Ｑ）は、負の基準電圧ＶＲＥＦを、演算増幅器１６の負の端子に結合するパルス制御信号および極性選択信号によって印加される。これにより、増幅器１６の入力部、および上部電極プレート２２部で負電荷パルスが生じる。

プレート電圧波形７４に示されているように、上部電極プレート２２上のプレート電圧は、上部電極プレート２２に対するプルーフマス２０の変位に関連する負の電圧レベル−Ｖ１に下降する。プレート電圧が電圧レベル−Ｖ１に下降した直後の時間間隔ｔ５の終了時には、第２のサンプルアンドホールド回路２６は、サンプルアンドホールド制御信号波形７６に示されているように、サンプル時間間隔ｔ６の間、上部電極プレート２２上の電圧をサンプリングする。

制御論理デバイス１２は、上部電極プレートおよび下部電極プレートに印加される電荷パルスの極性に基づいて、どの電極のためにどのサンプルアンドホールドデバイスを使用するかの選択を切り替える。電荷極性が反転されたときサンプルアンドホールドデバイスを切り替えることにより、望ましくない符号反転が打ち消される。たとえば、正電荷パルスについては、第１のサンプルアンドホールドデバイス２５が上部電極プレート２２をサンプリングし、第２のサンプルアンドホールドデバイス２６が下部電極プレート２４をサンプリングする。しかし、負電荷パルスについては、第２のサンプルアンドホールドデバイス２６が上部電極プレート２２をサンプリングし、第１のサンプルアンドホールドデバイス２４が下部電極プレート２４をサンプリングする。望ましくない符号反転を打ち消すために、様々な他の技法を使用することができることを理解されたい。

プレート電圧−Ｖ１は、時間間隔ｔ８の終了まで上部電極プレート２２上で残る。時間間隔ｔ８は、充電サイクルシーケンスの時間間隔ｔ_ccsの第１の部分を表す。電圧が上部電極プレート２２上で残っている間、一定の静電気力がプルーフマス２０に加えられる。時間Ｔ９では、リセット信号がスイッチＳ１に印加され、上部電極プレート２２に、充電サイクルシーケンスの第１の部分から上部電極プレート２２上に存在する電圧−Ｖ１を放電させる。時間Ｔ９からの時間間隔ｔ１０の終了時には、第２のＨスイッチ波形８２がローになり、一方、第１のＨスイッチ波形８０がハイになり、それにより上部電極プレート２２が増幅器１６の出力から切断され、下部電極プレート２４が増幅器１６の出力に接続される。Ｔ９からの時間間隔ｔ１１の終了時には、リセット波形７２がローに遷移し、スイッチＳ１を開かせ、選択された下部電極プレート２４から接地を切断する。リセット波形７２がローに遷移したほんの少し後である、Ｔ９からの時間間隔ｔ１２の終了時には、電荷パルス波形７０で示されているように、負電荷パルス（−Ｑ）が、電荷パルス期間ｔ１３（たとえば、４．８９ｍｓ）の間、下部電極プレート２４に印加される。負電荷パルス（−Ｑ）は、負の基準電圧−ＶＲＥＦを演算増幅器１６の負の端子に結合するパルス制御信号および極性選択信号によって印加される。これにより、増幅器１６の入力部で、下部電極プレート２４部で負電荷パルスが生じる。

プレート電圧波形７４に示されているように、下部電極プレート２４上のプレート電圧は、下部電極プレート２４に対するプルーフマス２０の変位に関連する負の電圧レベル−Ｖ２に下降する。プレート電圧が電圧レベル−Ｖ２に下降した直後の、時間Ｔ９からの時間間隔ｔ１４の終了時には、第１のサンプルアンドホールド回路２５は、サンプルアンドホールド制御信号波形７６に示されているように、サンプル時間間隔ｔ１５の間、下部電極プレート２４上の電圧をサンプリングする。サンプル時間間隔Ｔ１５の終了のほんの少し後である、時間Ｔ９からの時間間隔ｔ７の終了時には、Ａ／Ｄサンプル波形７８で示されているように、Ａ／Ｄ変換器３２が、積分器３０によって提供される差信号をサンプリングする。積分器３０は、第２のサンプルアンドホールドデバイス２６の上部電極プレート電圧−Ｖ１および第１のサンプルアンドホールドデバイス２５からの下部電極プレート電圧−Ｖ２の差電圧を提供する差動増幅器２８から差信号を受け取る。プレート電圧−Ｖ２は、時間Ｔ９からの時間間隔ｔ１６の終了まで下部電極プレート２４上で残る。時間間隔ｔ１６は、充電サイクルシーケンスの時間間隔ｔ_ccsの第２の部分を表す。次のリセットパルスが下部電極２４に印加される時間Ｔ１７まで、電圧−Ｖ２が下部電極プレート２４上で残っている間、一定の静電気力がプルーフマス２０に加えられる。充電サイクルシーケンスの時間間隔ｔ_ccsは一定のままであり、一方、時間間隔ｔ８およびｔ１６は、上部電極と下部電極の間でプルーフマスをゼロにするのに必要とされる力に基づいて変わる。充電サイクルシーケンスの第１の部分の、充電サイクルシーケンスの時間間隔ｔ_ccs（すなわち、時間間隔ｔ８とｔ１６の和）に対する比は、充電サイクルシーケンスのデューティサイクルを表す。充電サイクルシーケンスのデューティサイクルは、プルーフマス２０が受ける加速度を導出するために使用することができる。

図４は、加速度計の加速度（μＧ）誤差対時間（時）のグラフ９０を示す。第１の線９２は、正電荷パルスが上部電極および下部電極に継続的に印加されたときの、経時的な加速度誤差の正の増加を示し、一方、第２の線９６は、負電荷パルスが上部電極および下部電極に継続的に印加されたときの、経時的な加速度誤差の負の増加を示す。第１の線９２と第２の線９６は共に、標準的なダブルワイド温度サイクルの後、室温で保持されたとき、経時的な等しい、反対向きの加速度誤差を示す。第３の線９４は、極性が迅速に、たとえば１００ヘルツごとに反転されたときの加速度誤差を示す。第３の線９４に示されているように、加速度誤差は、約９０％低減される。○９３および×９７は、極性がゆっくり反転されたときを示す。この場合、加速度誤差が蓄積するが、効果の兆候（the sign of the effect）は、電荷の符号によって決まることがわかる。したがって、第３の線９４に示されているように、電荷の極性を迅速に反転することにより、電荷の蓄積が平均化され、無視できるものになる。

上述の上記構造上および機能上の特徴に鑑みて、本発明の様々な態様による方法は、図５を参照して、よりよく理解されるであろう。説明を簡単にするために、図５の方法は、逐次実行されるものとして示され、述べられているが、いくつかの態様は、本発明に従って、本明細書で示され述べられているものと異なる順序で、かつ／または他の態様と同時に存在することができるので、本発明は、例示されている順序によって制限されないことを理解されたい。さらに、本発明の態様による方法を実施するために、例示されている特徴すべてが必要とされるものではない可能性がある。

図５は、加速度計など力平衡計器内で誤差を緩和するための方法を示す。力平衡計器は、対向する第１の電極プレートと第２の電極プレートとの間に配置されたプルーフマスを含む。この方法は、電荷の極性が選択される１００で始まる。電荷の極性は、正電荷で始めることができ、あるいは、電荷の極性は、負電荷で始めることができる。１１０では、第１の電極プレート（たとえば、上部電極）が、選択された電荷極性でパルスを受け、プルーフマスに対する第１の電極プレートの変位に関連する電圧レベルを第１の電極プレートが達成したほんの少し後で、第１の電極プレートの電圧がサンプリングされる。１２０では、充電サイクルシーケンスの第１の部分が完了した後で、第１の電極プレートが放電される。次いで、この方法は、１３０に進む。

１３０では、第２の電極プレート（たとえば、下部電極）が、選択された電荷極性でパルスを受け、プルーフマスに対する第２の電極プレートの変位に関連する電圧レベルを第２の電極プレートが達成したほんの少し後で、第２の電極プレートの電圧がサンプリングされる。１４０では、充電サイクルシーケンスの第２の部分が完了した後で、第２の電極プレートが放電される。次いで、この方法は、１５０に進む。１５０では、第１および第２の電極プレートに対するプルーフマスの変位を示す、第１の電極プレートおよび第２の電極プレートの差電圧が計算される。次いで、この方法は１６０に進み、プルーフマスが受ける加速度を良好に示すデューティサイクルを設定するために、計算された差電圧を時間の経過につれて集計する。集計された差電圧は、充電サイクルシーケンスのデューティサイクルを調整し、充電サイクルシーケンスの第１の部分および第２の部分の時間間隔を決定するために使用される。これは、プルーフマスをゼロにするのに必要な力を示し、プルーフマスの加速度を決定するために使用することができる。次いで、この方法は、１７０に進む。

１７０では、この方法は、充電サイクル時間が完了しているかどうか判定する。たとえば、充電サイクル時間は、単一の充電サイクルシーケンスとすることができる。あるいは、充電サイクル時間は、複数の充電サイクルシーケンスを含むことができる。充電サイクル時間が完了していない場合（いいえ）、この方法は、１１０に戻り、選択された極性の電荷パルスを第１および第２の電極に送ることを続行する。充電サイクル時間が完了している場合（はい）、この方法は、１８０に進む。１８０では、選択された極性が、正から負、または負から正に変更される。さらに、電極プレートのサンプリングが少なくとも１つの充電サイクルシーケンスだけ遅延され、それにより、大きな差電圧が誤って計算されることがない。別法として、サンプルアンドホールドデバイスは、選択されたプレート、および半サイクル遅延された充電サイクルシーケンスを共にサンプリングすることができる。次いで、この方法は、１１０に戻り、次の充電サイクル時間が完了するまで、変更された極性を有する電荷パルスを送る。

上述したものは、本発明の例示的な実施を含む。当然ながら、本発明について述べるために、構成要素または方法の、考え得るあらゆる組合せについて述べることは可能でないが、本発明の多数の他の組合せおよび入換えが可能であることを、当業者なら理解するであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲内に入るそのような改変、修正、変形をすべて包含するものとする。

本発明の一態様による加速度計システムの概略図である。 図１の加速度計の電極に正電荷パルスを印加することに関連するタイミング図である。 図１の加速度計の電極に負電荷パルスを印加することに関連するタイミング図である。 慣性プルーフマスをゼロにするために電荷パルスを使用する加速度計システムの加速度（μＧ）誤差対時間（時）のグラフである。 本発明の一態様による、力平衡計器内で誤差を緩和するための方法を示す図である。

Claims (27)

1. 対向する電極プレート間に配置された慣性プルーフマスをゼロ・ポジションに設定するために電荷パルスを使用する力平衡計器システムであって、
   第１の電極プレートと第２の電極プレートの間に配置された慣性プルーフマスと、
   正電荷パルスと負電荷パルスのうちの１つを前記第１の電極プレートと前記第２の電極プレートのうちの１つに送る、切替え可能な切替えシステムと、
   第１の充電サイクル時間の間、前記第１の電極プレートおよび前記第２の電極プレートに、交互に正電荷パルスを送るように、また、第２の充電サイクル時間の間、前記第１の電極プレートおよび前記第２の電極プレートに、交互に負電荷パルスを送るように、前記切替えシステムの切替えを制御する制御論理デバイスと
   を備えることを特徴とする力平衡計器システム。
2. 前記第１の充電サイクル時間は、１つの充電サイクルシーケンスであり、前記第２のサイクル時間は、１つの充電サイクルシーケンスであることを特徴とする請求項１に記載の力平衡計器システム。
3. 前記第１の充電サイクル時間は、複数の充電サイクルシーケンスであり、前記第２の充電サイクル時間は、複数の充電サイクルシーケンスであることを特徴とする請求項１に記載の力平衡計器システム。
4. 前記切替えシステムが、正電荷パルスを送るために正の基準電圧に結合され、負電荷パルスを送るために負の基準電圧に結合されることを特徴とする請求項１に記載の力平衡計器システム。
5. 前記切替えシステムの第１の部分から電荷パルスを受け取り、前記電荷パルスを前記上部電極プレートと下部電極プレートのうちの１つに送ることを選択する前記切替えシステムの第２の部分に前記電荷パルスを送る演算増幅器をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の力平衡計器システム。
6. 前記第１の電極プレートが、電荷パルスに応答して前記プルーフマスに対する前記第１の電極プレートの変位を示す電圧に充電され、前記第２の電極プレートが、電荷パルスに応答して前記第２の電極プレートに対する前記プルーフマスの変位を示す電圧に充電されることを特徴とする請求項１に記載の力平衡計器システム。
7. 第１のサンプルアンドホールドデバイスと、
   第２のサンプルアンドホールドデバイスと、
   前記第１のサンプルアンドホールドデバイスによってサンプリングされた第１の電圧、および前記第２のサンプルアンドホールドデバイスによってサンプリングされた第２の電圧に基づいて差電圧を送る差動増幅器とをさらに備え、
   正電荷パルスの印加中に、前記第１のサンプルアンドホールドデバイスが、前記第１の電極プレート上の電圧をサンプリングし、前記第２のサンプルアンドホールドデバイスが、前記第２の電極プレート上の電圧をサンプリングし、負電荷パルスの印加中に、前記第２のサンプルアンドホールドデバイスが、前記第１の電極プレート上の電圧をサンプリングし、前記第１のサンプルアンドホールドデバイスが、前記第２の電極プレート上の電圧をサンプリングし、前記差動増幅器の出力の望ましくない符号反転を緩和することを特徴とする請求項６に記載の力平衡計器システム。
8. 前記第１のサンプルアンドホールドデバイスおよび前記第２のサンプルアンドホールドデバイスは、正電荷パルスと負電荷パルスのうちの１つを印加する極性変更の後で、第１の充電サイクルシーケンスの間、前記第１の電極プレートと前記第２の電極プレートのうちの１つをサンプリングし、半サイクルの充電サイクルシーケンスの間、前記差動増幅器からゼロ出力を送ることを特徴とする請求項７に記載の力平衡計器システム。
9. 前記第１のサンプルアンドホールドデバイスおよび前記第２のサンプルアンドホールドデバイスが、正電荷パルスと負電荷パルスのうちの１つを印加する極性変更の後で、第１の充電サイクルシーケンスの間、使用不能にされることを特徴とする請求項７に記載の力平衡計器システム。
10. 前記差動増幅器によって送られる差電圧を積分する積分器と、
    前記積分済み差信号をデジタル化し、前記デジタル化された積分済み差信号を制御論理デバイスに送るアナログ−デジタル変換器であって、前記制御論理デバイスが、前記デジタル化された積分済み差信号に基づいて、充電サイクルシーケンスのデューティサイクルを制御する、アナログ−デジタル変換器と
    をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の力平衡計器システム。
11. 前記充電サイクルシーケンスのデューティサイクルを制御することは、電圧が前記第１の電極プレート上で保持される時間の量、および電圧が前記第２の電極プレート上で保持される時間の量を制御することを含むことを特徴とする請求項１０に記載の力平衡計器システム。
12. 複数の正電荷パルスが、前記第１の電極プレートおよび前記第２の電極プレートに交互に送られ、複数の負電荷パルスが、前記第１の電極プレートおよび前記第２の電極プレートに交互に送られることを特徴とする請求項１に記載の力平衡計器システム。
13. 第１の電極プレートと第２の電極プレートの間に配置された慣性プルーフマスを有する力平衡計器であって、
    正電荷パルスと負電荷パルスのうちの１つを送るための手段と、
    前記第１の電極プレートおよび前記第２の電極プレートに、選択された極性の電荷パルスを前記第１の電極プレートおよび前記第２の電極プレートの間で交互に印加するための手段と、
    前記印加するための手段によって正電荷パルスを印加するための充電サイクル時間および負電荷パルスを印加するための充電サイクル時間を制御するための手段と
    を備えることを特徴とする計器。
14. 充電サイクル時間は、単一の充電サイクルシーケンスと複数の充電サイクルシーケンスのうちの１つであることを特徴とする請求項１３に記載の計器。
15. 電荷パルスによって誘導された電極プレート上の第１の電圧をサンプリングするための第１の手段と、
    電荷パルスによって誘導された電極プレート上の第２の電圧をサンプリングするための第２の手段と、
    前記第１の電圧と前記第２の電圧との差に関連する差電圧を生成するための手段と、
    電荷が前記第１の電極プレート上で保持される時間の量、および電荷が前記第２の電極プレート上で保持される時間の量を、前記差電圧に基づいて制御するための手段と
    をさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載の計器。
16. 第１の電圧をサンプリングするための前記第１の手段は、正電荷パルスについて前記第１の電極プレート上で誘導された電圧をサンプリングし、負電荷パルスについて前記第２の電極プレート上で誘導された電圧をサンプリングし、第２の電圧をサンプリングするための前記第２の手段は、正電荷パルスについて前記第２の電極プレート上で誘導された電圧をサンプリングし、負電荷パルスについて前記第１の電極プレート上で誘導された電圧をサンプリングすることを特徴とする請求項１５に記載の計器。
17. 第１の電圧をサンプリングするための前記第１の手段および第２の電圧をサンプリングするための前記第２の手段は共に、正電荷パルスと負電荷パルスのうちの１つを印加する極性変更の後で、第１の充電サイクルシーケンスの間、前記第１の電極プレートと前記第２の電極プレートのうちの１つをサンプリングし、半サイクルの充電サイクルシーケンスの間、差電圧を生成するための前記手段からゼロ出力を送ることを特徴とする請求項１５に記載の計器。
18. 第１の電圧をサンプリングするための前記第１の手段および第２の電圧をサンプリングするための前記第２の手段が、正電荷パルスと負電荷パルスのうちの１つを印加する極性変更の後で、第１の充電サイクルシーケンスの間、使用不能にされることを特徴とする請求項１５に記載の計器。
19. 前記第１の電極プレートおよび前記第２の電極プレートに、選択された極性の電荷パルスを印加するための前記手段は、複数の電荷パルスを、前記第１の電極プレートおよび前記第２の電極プレートに交互に印加することを特徴とする請求項１５に記載の計器。
20. 第１の電極プレートと第２の電極プレートの間に配置された慣性プルーフマスをゼロ・ポジションに設定するために電荷パルスを使用する力平衡計器内で誤差を緩和するための方法であって、
    第１の充電サイクル時間の間、前記第１の電極プレートおよび前記第２の電極プレートに、交互に第１の極性の電荷パルスを印加すること、
    前記第１の充電サイクル時間の各充電サイクルシーケンスについて、前記第１の電極プレートおよび前記第２の電極プレート上で前記第１の極性の前記電荷パルスによって誘導された電圧間の第１の差電圧を決定すること、
    前記第１の充電サイクル時間の前記充電サイクルシーケンスに関連するデューティサイクルを設定するために、時間の経過につれて前記第１の差電圧を集計すること、
    前記第１の充電サイクル時間の完了後、前記電荷パルスの前記極性を第２の極性の電荷パルスに切り替えること、
    第２の充電サイクル時間の間、前記第１の電極プレートおよび前記第２の電極プレートに、交互に前記第２の極性の電荷パルスを印加すること、
    前記第２の充電サイクル時間の各充電サイクルシーケンスについて、前記第１の電極プレートおよび前記第２の電極プレート上で前記第２の極性の前記電荷パルスによって誘導された電圧間の第２の差電圧を決定すること、および、
    前記第２の充電サイクル時間の前記充電サイクルシーケンスに関連するデューティサイクルを設定するために、時間の経過につれて前記第２の差電圧を集計すること
    を含むことを特徴とする方法。
21. 前記第１の充電サイクル時間は、１つの充電サイクルシーケンスであり、前記第２のサイクル時間は、１つの充電サイクルシーケンスであることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
22. 前記第１の充電サイクル時間は、複数の充電サイクルシーケンスであり、前記第２の充電サイクル時間は、複数の充電サイクルシーケンスであることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
23. 第１の極性の前記電荷パルスは、正電荷パルスであり、第２の極性の前記電荷パルスは、負電荷パルスであることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
24. 前記第１の充電サイクル時間および前記第２の充電サイクル時間に関連する前記設定されたデューティサイクルの少なくとも１つに基づいて、前記第１の電極プレートと前記第２の電極プレートの間の前記プルーフマスをゼロ・ポジションに設定するための力の尺度を決定することをさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
25. 前記電荷パルスの前記極性を第２の極性に切り替えた後で、少なくとも１つの半充電サイクルシーケンスを遅延することをさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
26. 前記第１の極性の前記電荷パルスによって誘導された電圧間の差電圧を決定することは、
    前記第１の電極プレート上で誘導された第１の電圧をサンプリングすること、
    前記第２の電極プレート上で誘導された第２の電圧をサンプリングすること、および、
    前記第２の電圧を前記第１の電圧から減算すること
    を含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
27. 前記第２の極性の前記電荷パルスによって誘導された電圧間の差電圧を決定することは、
    前記第１の電極プレート上で誘導された第１の電圧をサンプリングすること、
    前記第２の電極プレート上で誘導された第２の電圧をサンプリングすること、および、
    前記第１の電圧を前記第２の電圧から減算すること
    を含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。

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