JP5972965B2 - 加速度計システムおよび方法 - Google Patents
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Description
（政府契約）
本願発明は、契約番号Ｎ６６００１−０８−Ｃ−２０４５の下、政府支援によってなされた。政府は、本願発明における一定の権利を有する。
本願発明は、契約番号Ｎ６６００１−０８−Ｃ−２０４５の下、政府支援によってなされた。政府は、本願発明における一定の権利を有する。
（技術分野）
本発明は、概して、センサシステムに関し、具体的には、加速度計システムおよび方法に関する。
本発明は、概して、センサシステムに関し、具体的には、加速度計システムおよび方法に関する。
例えば、加速度計等の力平衡検知用計器では、概して、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れる。したがって、多数のタイプの静電気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。静電気および電磁計器では、計器に力を印加する機器によって印加される力は、計器に力を印加する機器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印加さ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。
例えば、静電気力平衡加速度計では、振子慣性質量または試験質量を配置し、それらからの出力を得るために、閉ループシステム内の静電気付勢が、採用される。静電気付勢システムは、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採用する。各電極に一定量の電荷を順次印加するために、制御パルスが採用される。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（例えば、デューティサイクル）を変えることによって、可変の力が慣性質量に印加される。電荷がそれぞれのプレート上で残される時間の量は、ヌル位置に対する慣性質量の変位に基づく。
加速度計バイアスの不確実性は、慣性測定および／またはナビゲーションシステムにおける主要な誤差の原因となり得る。バイアスの不確実性は、ヒステリシスおよび経時的単純推移を含むバイアス対温度特性のオン時の過渡的挙動、非モデル化性、および不安定性のため生じ得る。加速度計バイアスの不確実性の緩和は、慣性測定およびナビゲーションシステムの性能を有意に改善し得る。
加速度計システムは、第１および第２の試験質量を備えているセンサ要素を含むことができ、外部加速に応答して、第１の試験質量は、第１の方向に加速し、第２の試験質量は、第１の方向と反対の第２の方向に加速する。力再平衡コントローラは、少なくとも１つの制御要素に、第１のヌル位置に向かって、第１の試験質量を加速するための第１の力を提供し、少なくとも１つの制御要素に、第２のヌル位置に向かって、第２の試験質量を加速するための第２の力を提供するように、制御信号を印加する。力再平衡コントローラはまた、それぞれの第１および第２のヌル位置に対する、第１および第２の試験質量のそれぞれの変位に関連付けられた反対極性の第１および第２の出力信号を発生させることができる。加速構成要素は、第１および第２の出力信号に基づいて、外部加速を計算する。
本発明の別の実施形態は、加速度計システムの外部加速を測定する方法を含む。本方法は、第１の試験質量に関連付けられている少なくとも１つの制御要素に制御信号を印加し、第１の試験質量に関連付けられている第１のヌル位置に向かって、第１の試験質量を加速するための第１の力を提供することを含む。第１の試験質量は、外部加速に応答して、第１の方向に加速するように構成することができる。本方法はまた、第１のヌル位置に対する第１の試験質量の変位に関連する第１の極性の第１の出力信号を発生させることを含む。本方法はまた、第２の試験質量に関連付けられている少なくとも１つの制御要素に制御信号を印加し、第２の試験質量に関連付けられている第２のヌル位置に向かって、第２の試験質量を加速するための第２の力を提供することを含む。第２の試験質量は、外部加速に応答して、第１の方向と反対の第２の方向に加速するように構成することができる。本方法はまた、第２のヌル位置に対する第２の試験質量の変位に関連する第２の極性の第２の出力信号を発生させることを含む。本方法はさらに、第１の出力信号の大きさと第２の出力信号の大きさとの間の差異を生成することにより、バイアス誤差が実質的にない外部加速を計算することを含む。
本発明の別の実施形態は、加速度計システムを含む。本システムは、第１の試験質量および第２の試験質量を備えているセンサ要素を含む。外部加速に応答して、第１の試験質量は、第１の方向に加速するように構成することができ、第２の試験質量は、第１の方向と反対の第２の方向に加速するように構成することができる。第１の試験質量および第２の試験質量は、第１および第２の試験質量が、実質的に同じ温度およびプロセス変動に対して実質的に同じであるように、実質的に整合された構成要素として製造されることができる。本システムはまた、所定のシーケンスにおいて、電荷パルスを第１の試験質量に関連付けられている少なくとも１つの電極および第２の試験質量に関連付けられている少なくとも１つの電極に交互に印加するように構成される、力再平衡コントローラを含む。電荷パルスは、第１の試験質量に関連付けられている少なくとも１つの電極に印加され、第１の静電気力を提供し、第１の試験質量に関連付けられている第１のヌル位置に向かって、第１の試験質量を加速し、電荷パルスを第２の試験質量に関連付けられている少なくとも１つの電極に印加し、第２の静電気力を提供し、第２の試験質量に関連付けられている第２のヌル位置に向かって、第２の試験質量を加速することができる。力再平衡コントローラはさらに、電荷パルスをそれぞれの第１および第２の試験質量に関連付けられている少なくとも１つの電極に印加することに基づいて、第１のヌル位置に対する第１の試験質量の変位に関連する第１の出力信号および第２のヌル位置に対する第２の試験質量の変位に関連する第２の出力信号を発生させるように構成されることができる。第２の出力信号は、第１の出力信号と反対の極性を有する。本システムはさらに、第１の出力信号の大きさを第２の出力信号の大きさから減算し、バイアス誤差が実質的にない外部加速を計算するように構成される、加速構成要素を含む。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
加速度計システムであって、
第１の試験質量および第２の試験質量を備えているセンサ要素であって、外部加速に応答して、前記第１の試験質量は、第１の方向に加速するように構成され、前記第２の試験質量は、前記第１の方向と反対の第２の方向に加速するように構成されている、センサ要素と、
前記第１の試験質量に関連付けられている少なくとも１つの制御要素に制御信号を印加することにより、前記第１の試験質量に関連付けられている第１のヌル位置に向かって、前記第１の試験質量を加速するための第１の力を提供し、前記第２の試験質量に関連付けられている少なくとも１つの制御要素に制御信号を印加することにより、前記第２の試験質量に関連付けられている第２のヌル位置に向かって、前記第２の試験質量を加速するための第２の力を提供するように構成されている力再平衡コントローラであって、前記力再平衡コントローラは、前記制御信号を前記第１および第２の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの制御要素に印加することに基づいて、前記第１のヌル位置に対する前記第１の試験質量の変位に関連する第１の出力信号と、前記第２のヌル位置に対する前記第２の試験質量の変位に関連する第２の出力信号とを生成するようにさらに構成され、前記第２の出力信号は、前記第１の出力信号と反対の極性を有する、力再平衡コントローラと、
前記第１および第２の出力信号の両方に基づいて、前記外部加速を計算するように構成されている加速構成要素と
を備えている、システム。
（項目２）
前記加速構成要素は、前記第１の出力信号の大きさを前記第２の出力信号の大きさから減算し、前記計算された外部加速におけるバイアス誤差を実質的に相殺するように構成されている、項目１に記載のシステム。
（項目３）
前記加速構成要素は、前記第１の出力信号の大きさと前記第２の出力信号の大きさとの間の差異を規模調整（ｓｃａｌｅ）し、約２の平方根だけ減少された無相関雑音を有する前記外部加速を計算するように構成されている、項目２に記載のシステム。
（項目４）
前記第１の試験質量および前記第２の試験質量は、前記第１および第２の試験質量が、温度およびプロセス変動に対して実質的に同じであるように、実質的に整合された構成要素として製造されている、項目１に記載のシステム。
（項目５）
前記第１の試験質量は、前記第１および第２の方向に、第１の支点を中心として回転するように構成され、前記第２の試験質量は、前記第１および第２の方向に、第２の支点を中心として回転するように構成されている、項目１に記載のシステム。
（項目６）
前記第１の試験質量は、質量中心を備え、前記質量中心は、前記第２の試験質量の図心位置に対する前記第２の試験質量に関連付けられた質量中心のオフセットとほぼ等しくかつ反対の距離だけ、前記第１の試験質量の図心位置からオフセットされている、項目５に記載のシステム。
（項目７）
前記第１および第２の試験質量の各々の一部は、前記第１および第２の試験質量の各々に関連付けられた質量中心を、共通軸からオフセットされた等しくかつ反対の距離にシフトするように製造中にエッチングされている、項目６に記載のシステム。
（項目８）
それぞれの第１および第２の試験質量の各々に関連付けられている前記少なくとも１つの制御要素は、前記それぞれの第１および第２の試験質量の各々に関連付けられている少なくとも１つの電極を備え、前記力再平衡コントローラは、
電荷パルスとして前記制御信号を発生させるように構成されているパルス発生器と、
所定のシーケンスにおいて、前記第１の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極と前記第２の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極との間で前記電荷パルスの印加を交互させることにより、それぞれの第１および第２の静電気力として、それぞれの第１および第２の力を発生させるように構成されているマルチプレクサと、
前記第１の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極に関連する第１の測定される電圧に応答して、前記第１の出力信号を発生させ、前記第２の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極に関連する第２の測定される電圧に応答して、前記第２の出力信号を発生させるように構成されているプロセッサと
を備え、前記第１および第２の測定される電圧は、それぞれの第１および第２の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極への前記電荷パルスの交互印加から生じる、項目１に記載のシステム。
（項目９）
前記パルス発生器は、前記第１の出力信号に基づいて、前記第１の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極に対して第１のデューティサイクルで前記電荷パルスを発生させ、前記第２の出力信号に基づいて、前記第２の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極に対して第２のデューティサイクルで前記電荷パルスを発生させるように構成されている、項目８に記載のシステム。
（項目１０）
前記第１および第２の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極の各々は、互に対して電気的に連結されている第１の対の電極と、互に対して電気的に連結されている第２の対の電極とを備え、前記マルチプレクサは、前記電荷パルスを前記第１の対の電極に印加することにより、それぞれの第１および第２の試験質量を第１の方向に加速し、前記電荷パルスを前記第２の対の電極に印加することにより、それぞれの第１および第２の試験質量を前記第１の方向と反対の第２の方向に加速するように構成されている、項目８に記載のシステム。
（項目１１）
加速度計システムの外部加速を測定する方法であって、
第１の試験質量に関連付けられている少なくとも１つの制御要素に制御信号を印加することにより、前記第１の試験質量に関連付けられている第１のヌル位置に向かって、前記第１の試験質量を加速するための第１の力を提供することであって、前記第１の試験質量は、前記外部加速に応答して、第１の方向に加速するように構成されている、ことと、
前記第１のヌル位置に対する前記第１の試験質量の変位に関連する第１の極性の第１の出力信号を発生させることと、
第２の試験質量に関連付けられている少なくとも１つの制御要素に制御信号を印加することにより、前記第２の試験質量に関連付けられている第２のヌル位置に向かって、前記第２の試験質量を加速するための第２の力を提供することであって、前記第２の試験質量は、前記外部加速に応答して、前記第１の方向と反対の第２の方向に加速するように構成されている、ことと、
前記第２のヌル位置に対する前記第２の試験質量の変位に関連する第２の極性の第２の出力信号を発生させることと、
前記第１の出力信号の大きさと前記第２の出力信号の大きさとの間の差異を生成することにより、バイアス誤差が実質的にない前記外部加速を計算することと
を含む、方法。
（項目１２）
前記第１の出力信号の大きさと前記第２の出力信号の大きさとの間の差異を規模調整し、約２の平方根だけ減少された無相関雑音を有する前記外部加速を計算することをさらに含む、項目１１に記載の方法。
（項目１３）
前記第１の試験質量および前記第２の試験質量は、前記第１および第２の試験質量が、温度およびプロセス変動に対して実質的に同じであるように、実質的に整合された構成要素として製造されている、項目１１に記載の方法。
（項目１４）
前記制御信号を印加することは、
電荷パルスを前記第１の試験質量に関連付けられている少なくとも１つの電極に印加することにより、第１の静電気力を提供し、前記ヌル位置に向かって、前記第１の方向に、第１の支点を中心として前記第１の試験質量を回転させることと、
前記電荷パルスを前記第２の試験質量に関連付けられている少なくとも１つの電極に印加することにより、前記第２の極性の第２の静電気力を提供し、前記ヌル位置に向かって、前記第２の方向に、第２の支点を中心として前記第２の試験質量を回転させることと
を含み、
前記第１の試験質量は、前記第２の試験質量の図心位置に対する前記第２の試験質量に関連付けられた質量中心のオフセットとほぼ等しくかつ反対の距離だけ、前記第１の試験質量の図心位置からオフセットされている質量中心を備えている、項目１１に記載の方法。
（項目１５）
前記電荷パルスを印加することは、所定のシーケンスにおいて、前記電荷パルスを、前記第１の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極と前記第２の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極とに交互に印加することを含む、項目１４に記載の方法。
（項目１６）
前記電荷パルスを前記第１の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極に印加することは、前記第１の出力信号に基づく第１のデューティサイクルにおいて、前記電荷パルスを第１の対の電気的に連結されている電極と第２の対の電気的に連結されている電極とに交互に印加することにより、前記ヌル位置に向かって、前記第１の試験質量を加速することを含み、前記第１および第２の対の電気的に連結されている電極は、反対の静電気力を発生させ、前記電荷パルスを前記第２の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極に印加することは、前記第２の出力信号に基づく第２のデューティサイクルにおいて、前記電荷パルスを第３の対の電気的に連結されている電極と第４の対の電気的に連結されている電極とに交互に印加することにより、前記ヌル位置に向かって、前記第２の試験質量を加速することを含み、前記第３および第４の対の電気的に連結されている電極は、反対の静電気力を発生させる、項目１５に記載の方法。
（項目１７）
加速度計システムであって、
第１の試験質量および第２の試験質量を備えているセンサ要素であって、外部加速に応答して、前記第１の試験質量は、第１の方向に加速するように構成され、前記第２の試験質量は、前記第１の方向と 反対の第２の方向に加速するように構成され、前記第１の試験質量および前記第２の試験質量は、前記第１および第２の試験質量が、温度およびプロセス変動に対して実質的に同じであるように、実質的に整合された構成要素として製造されている、センサ要素と、
所定のシーケンスにおいて、電荷パルスを前記第１の試験質量に関連付けられている少なくとも１つの電極と前記第２の試験質量に関連付けられている少なくとも１つの電極とに交互に印加するように構成されている力再平衡コントローラであって、前記電荷パルスは、前記第１の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極に印加されることにより、第１の静電気力を提供し、前記第１の試験質量に関連付けられている第１のヌル位置に向かって、前記第１の試験質量を加速し、前記電荷パルスを前記第２の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極に印加することにより、第２の静電気力を提供し、前記第２の試験質量に関連付けられている第２のヌル位置に向かって、前記第２の試験質量を加速し、前記力再平衡コントローラは、前記電荷パルスをそれぞれの第１および第２の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極に印加することに基づいて、前記第１のヌル位置に対する前記第１の試験質量の変位に関連する第１の出力信号および前記第２のヌル位置に対する前記第２の試験質量の変位に関連する第２の出力信号を発生させるようにさらに構成され、前記第２の出力信号は、前記第１の出力信号と反対の極性を有する、力再平衡コントローラと、
前記第１の出力信号の大きさを前記第２の出力信号の大きさから減算し、バイアス誤差が実質的にない前記外部加速を計算するように構成されている加速構成要素と
を備えている、システム。
（項目１８）
前記第１の試験質量は、前記第１および第２の方向に、第１の支点を中心として回転するように構成され、前記第２の試験質量は、前記第１および第２の方向に、第２の支点を中心として回転するように構成され、前記第１の試験質量は、質量中心を備え、前記質量中心は、前記第２の試験質量の図心位置に対する前記第２の試験質量に関連付けられた質量中心のオフセットとほぼ等しくかつ反対の距離だけ、前記第１の試験質量の図心位置からオフセットされている、項目１７に記載のシステム。
（項目１９）
前記力再平衡コントローラは、
前記電荷パルスを発生させるように構成されているパルス発生器と、
前記第１の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極に関連する第１の測定される電圧に応答して、前記第１の出力信号を発生させ、前記第２の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極に関連する第２の測定される電圧に応答して、前記第２の出力信号を発生させるように構成されているプロセッサと
を備え、
前記第１および第２の測定される電圧は、前記電荷パルスのそれぞれの第１および第２の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極への交互印加から生じる、項目１７に記載のシステム。
（項目２０）
前記第１および第２の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極の各々は、互に対して電気的に連結されている第１の対の電極と、互に対して電気的に連結されている第２の対の電極とを備え、マルチプレクサが、前記電荷パルスを前記第１の対の電極に印加することにより、それぞれの第１および第２の試験質量を前記第１の方向に加速し、前記電荷パルスを前記第２の対の電極に印加することにより、それぞれの第１および第２の試験質量を前記第２の方向に加速するように構成されている、項目１９に記載のシステム。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
加速度計システムであって、
第１の試験質量および第２の試験質量を備えているセンサ要素であって、外部加速に応答して、前記第１の試験質量は、第１の方向に加速するように構成され、前記第２の試験質量は、前記第１の方向と反対の第２の方向に加速するように構成されている、センサ要素と、
前記第１の試験質量に関連付けられている少なくとも１つの制御要素に制御信号を印加することにより、前記第１の試験質量に関連付けられている第１のヌル位置に向かって、前記第１の試験質量を加速するための第１の力を提供し、前記第２の試験質量に関連付けられている少なくとも１つの制御要素に制御信号を印加することにより、前記第２の試験質量に関連付けられている第２のヌル位置に向かって、前記第２の試験質量を加速するための第２の力を提供するように構成されている力再平衡コントローラであって、前記力再平衡コントローラは、前記制御信号を前記第１および第２の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの制御要素に印加することに基づいて、前記第１のヌル位置に対する前記第１の試験質量の変位に関連する第１の出力信号と、前記第２のヌル位置に対する前記第２の試験質量の変位に関連する第２の出力信号とを生成するようにさらに構成され、前記第２の出力信号は、前記第１の出力信号と反対の極性を有する、力再平衡コントローラと、
前記第１および第２の出力信号の両方に基づいて、前記外部加速を計算するように構成されている加速構成要素と
を備えている、システム。
（項目２）
前記加速構成要素は、前記第１の出力信号の大きさを前記第２の出力信号の大きさから減算し、前記計算された外部加速におけるバイアス誤差を実質的に相殺するように構成されている、項目１に記載のシステム。
（項目３）
前記加速構成要素は、前記第１の出力信号の大きさと前記第２の出力信号の大きさとの間の差異を規模調整（ｓｃａｌｅ）し、約２の平方根だけ減少された無相関雑音を有する前記外部加速を計算するように構成されている、項目２に記載のシステム。
（項目４）
前記第１の試験質量および前記第２の試験質量は、前記第１および第２の試験質量が、温度およびプロセス変動に対して実質的に同じであるように、実質的に整合された構成要素として製造されている、項目１に記載のシステム。
（項目５）
前記第１の試験質量は、前記第１および第２の方向に、第１の支点を中心として回転するように構成され、前記第２の試験質量は、前記第１および第２の方向に、第２の支点を中心として回転するように構成されている、項目１に記載のシステム。
（項目６）
前記第１の試験質量は、質量中心を備え、前記質量中心は、前記第２の試験質量の図心位置に対する前記第２の試験質量に関連付けられた質量中心のオフセットとほぼ等しくかつ反対の距離だけ、前記第１の試験質量の図心位置からオフセットされている、項目５に記載のシステム。
（項目７）
前記第１および第２の試験質量の各々の一部は、前記第１および第２の試験質量の各々に関連付けられた質量中心を、共通軸からオフセットされた等しくかつ反対の距離にシフトするように製造中にエッチングされている、項目６に記載のシステム。
（項目８）
それぞれの第１および第２の試験質量の各々に関連付けられている前記少なくとも１つの制御要素は、前記それぞれの第１および第２の試験質量の各々に関連付けられている少なくとも１つの電極を備え、前記力再平衡コントローラは、
電荷パルスとして前記制御信号を発生させるように構成されているパルス発生器と、
所定のシーケンスにおいて、前記第１の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極と前記第２の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極との間で前記電荷パルスの印加を交互させることにより、それぞれの第１および第２の静電気力として、それぞれの第１および第２の力を発生させるように構成されているマルチプレクサと、
前記第１の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極に関連する第１の測定される電圧に応答して、前記第１の出力信号を発生させ、前記第２の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極に関連する第２の測定される電圧に応答して、前記第２の出力信号を発生させるように構成されているプロセッサと
を備え、前記第１および第２の測定される電圧は、それぞれの第１および第２の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極への前記電荷パルスの交互印加から生じる、項目１に記載のシステム。
（項目９）
前記パルス発生器は、前記第１の出力信号に基づいて、前記第１の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極に対して第１のデューティサイクルで前記電荷パルスを発生させ、前記第２の出力信号に基づいて、前記第２の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極に対して第２のデューティサイクルで前記電荷パルスを発生させるように構成されている、項目８に記載のシステム。
（項目１０）
前記第１および第２の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極の各々は、互に対して電気的に連結されている第１の対の電極と、互に対して電気的に連結されている第２の対の電極とを備え、前記マルチプレクサは、前記電荷パルスを前記第１の対の電極に印加することにより、それぞれの第１および第２の試験質量を第１の方向に加速し、前記電荷パルスを前記第２の対の電極に印加することにより、それぞれの第１および第２の試験質量を前記第１の方向と反対の第２の方向に加速するように構成されている、項目８に記載のシステム。
（項目１１）
加速度計システムの外部加速を測定する方法であって、
第１の試験質量に関連付けられている少なくとも１つの制御要素に制御信号を印加することにより、前記第１の試験質量に関連付けられている第１のヌル位置に向かって、前記第１の試験質量を加速するための第１の力を提供することであって、前記第１の試験質量は、前記外部加速に応答して、第１の方向に加速するように構成されている、ことと、
前記第１のヌル位置に対する前記第１の試験質量の変位に関連する第１の極性の第１の出力信号を発生させることと、
第２の試験質量に関連付けられている少なくとも１つの制御要素に制御信号を印加することにより、前記第２の試験質量に関連付けられている第２のヌル位置に向かって、前記第２の試験質量を加速するための第２の力を提供することであって、前記第２の試験質量は、前記外部加速に応答して、前記第１の方向と反対の第２の方向に加速するように構成されている、ことと、
前記第２のヌル位置に対する前記第２の試験質量の変位に関連する第２の極性の第２の出力信号を発生させることと、
前記第１の出力信号の大きさと前記第２の出力信号の大きさとの間の差異を生成することにより、バイアス誤差が実質的にない前記外部加速を計算することと
を含む、方法。
（項目１２）
前記第１の出力信号の大きさと前記第２の出力信号の大きさとの間の差異を規模調整し、約２の平方根だけ減少された無相関雑音を有する前記外部加速を計算することをさらに含む、項目１１に記載の方法。
（項目１３）
前記第１の試験質量および前記第２の試験質量は、前記第１および第２の試験質量が、温度およびプロセス変動に対して実質的に同じであるように、実質的に整合された構成要素として製造されている、項目１１に記載の方法。
（項目１４）
前記制御信号を印加することは、
電荷パルスを前記第１の試験質量に関連付けられている少なくとも１つの電極に印加することにより、第１の静電気力を提供し、前記ヌル位置に向かって、前記第１の方向に、第１の支点を中心として前記第１の試験質量を回転させることと、
前記電荷パルスを前記第２の試験質量に関連付けられている少なくとも１つの電極に印加することにより、前記第２の極性の第２の静電気力を提供し、前記ヌル位置に向かって、前記第２の方向に、第２の支点を中心として前記第２の試験質量を回転させることと
を含み、
前記第１の試験質量は、前記第２の試験質量の図心位置に対する前記第２の試験質量に関連付けられた質量中心のオフセットとほぼ等しくかつ反対の距離だけ、前記第１の試験質量の図心位置からオフセットされている質量中心を備えている、項目１１に記載の方法。
（項目１５）
前記電荷パルスを印加することは、所定のシーケンスにおいて、前記電荷パルスを、前記第１の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極と前記第２の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極とに交互に印加することを含む、項目１４に記載の方法。
（項目１６）
前記電荷パルスを前記第１の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極に印加することは、前記第１の出力信号に基づく第１のデューティサイクルにおいて、前記電荷パルスを第１の対の電気的に連結されている電極と第２の対の電気的に連結されている電極とに交互に印加することにより、前記ヌル位置に向かって、前記第１の試験質量を加速することを含み、前記第１および第２の対の電気的に連結されている電極は、反対の静電気力を発生させ、前記電荷パルスを前記第２の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極に印加することは、前記第２の出力信号に基づく第２のデューティサイクルにおいて、前記電荷パルスを第３の対の電気的に連結されている電極と第４の対の電気的に連結されている電極とに交互に印加することにより、前記ヌル位置に向かって、前記第２の試験質量を加速することを含み、前記第３および第４の対の電気的に連結されている電極は、反対の静電気力を発生させる、項目１５に記載の方法。
（項目１７）
加速度計システムであって、
第１の試験質量および第２の試験質量を備えているセンサ要素であって、外部加速に応答して、前記第１の試験質量は、第１の方向に加速するように構成され、前記第２の試験質量は、前記第１の方向と 反対の第２の方向に加速するように構成され、前記第１の試験質量および前記第２の試験質量は、前記第１および第２の試験質量が、温度およびプロセス変動に対して実質的に同じであるように、実質的に整合された構成要素として製造されている、センサ要素と、
所定のシーケンスにおいて、電荷パルスを前記第１の試験質量に関連付けられている少なくとも１つの電極と前記第２の試験質量に関連付けられている少なくとも１つの電極とに交互に印加するように構成されている力再平衡コントローラであって、前記電荷パルスは、前記第１の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極に印加されることにより、第１の静電気力を提供し、前記第１の試験質量に関連付けられている第１のヌル位置に向かって、前記第１の試験質量を加速し、前記電荷パルスを前記第２の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極に印加することにより、第２の静電気力を提供し、前記第２の試験質量に関連付けられている第２のヌル位置に向かって、前記第２の試験質量を加速し、前記力再平衡コントローラは、前記電荷パルスをそれぞれの第１および第２の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極に印加することに基づいて、前記第１のヌル位置に対する前記第１の試験質量の変位に関連する第１の出力信号および前記第２のヌル位置に対する前記第２の試験質量の変位に関連する第２の出力信号を発生させるようにさらに構成され、前記第２の出力信号は、前記第１の出力信号と反対の極性を有する、力再平衡コントローラと、
前記第１の出力信号の大きさを前記第２の出力信号の大きさから減算し、バイアス誤差が実質的にない前記外部加速を計算するように構成されている加速構成要素と
を備えている、システム。
（項目１８）
前記第１の試験質量は、前記第１および第２の方向に、第１の支点を中心として回転するように構成され、前記第２の試験質量は、前記第１および第２の方向に、第２の支点を中心として回転するように構成され、前記第１の試験質量は、質量中心を備え、前記質量中心は、前記第２の試験質量の図心位置に対する前記第２の試験質量に関連付けられた質量中心のオフセットとほぼ等しくかつ反対の距離だけ、前記第１の試験質量の図心位置からオフセットされている、項目１７に記載のシステム。
（項目１９）
前記力再平衡コントローラは、
前記電荷パルスを発生させるように構成されているパルス発生器と、
前記第１の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極に関連する第１の測定される電圧に応答して、前記第１の出力信号を発生させ、前記第２の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極に関連する第２の測定される電圧に応答して、前記第２の出力信号を発生させるように構成されているプロセッサと
を備え、
前記第１および第２の測定される電圧は、前記電荷パルスのそれぞれの第１および第２の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極への交互印加から生じる、項目１７に記載のシステム。
（項目２０）
前記第１および第２の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極の各々は、互に対して電気的に連結されている第１の対の電極と、互に対して電気的に連結されている第２の対の電極とを備え、マルチプレクサが、前記電荷パルスを前記第１の対の電極に印加することにより、それぞれの第１および第２の試験質量を前記第１の方向に加速し、前記電荷パルスを前記第２の対の電極に印加することにより、それぞれの第１および第２の試験質量を前記第２の方向に加速するように構成されている、項目１９に記載のシステム。
本発明は、概して、センサシステムに関し、具体的には、加速度計システムおよび方法に関する。加速度計システムは、第１の試験質量および第２の試験質量を備えているセンサ要素を含む。第１および第２の試験質量は、試験質量が、プロセスおよび温度変動に対して、実質的に同じであるように製造されることができるように、微小電気機械素子（ＭＥＭＳ）プロセスにおいて、整合された構成要素として製造されることができる。試験質量は、第１の試験質量が、外部加速に応答して、第１の方向に加速し、第２の試験質量が、外部加速に応答して、第１の方向と反対の第２の方向に加速するように配置されることができる。例えば、第１および第２の試験質量は、回転軸を画定する、それぞれの支点を有することができ、そのそれぞれの回転軸から、等しくかつ反対の距離だけオフセットされているそれぞれの質量中心を有することができる。その結果、第１および第２の試験質量は、外部加速に応答して、反対回転極性において、そのそれぞれの支点を中心として回転することができる。
加速度計システムはまた、信号発生器およびマルチプレクサを含む、力再平衡コントローラを含むことができる。信号発生器は、制御信号を発生させることができ、マルチプレクサは、所定のシーケンスにおいて、それぞれの第１および第２の試験質量に関連付けられる、第１および第２の組の制御要素に制御信号を印加することができる。例えば、第１および第２の組の制御要素の各々は、制御信号が、電荷パルスとして連続して印加され得る、第１および第２の対の電気的に連結されている電極を含むことができる。制御信号は、したがって、力を発生させ、それぞれのヌル位置に向かって、それぞれの第２および第１の方向に、第１および第２の試験質量を加速し、試験質量を再平衡化する。第１および第２の試験質量に関連付けられた力は、したがって、互に対して反対の極性を有する。
力再平衡コントローラはまた、第１および第２の試験質量に作用するそれぞれの力に関連付けられる、第１および第２の出力信号を発生させることができるプロセッサを含む。出力信号は、第１および第２の試験質量を再平衡化するために、第１および第２の組の制御要素への制御信号の印加の持続時間を制御するように実装されることができる。加えて、出力信号は、出力信号に基づいて外部加速を計算し得る、Ｋａｌｍａｎフィルタ等の加速構成要素に提供されることができる。例えば、加速構成要素は、第１の出力信号の大きさを第２の出力信号の大きさから減算し、差異を再規模調整（ｒｅｓｃａｌｅ）し（例えば、２で除算し）、外部力を計算することができる。第１および第２の試験質量に関連付けられたバイアス誤差は、試験質量の運動の極性から独立しているので、バイアス誤差の影響は、第１および第２の出力信号の大きさ間の差異を計算することに基づいて、実質的に相殺されることができる。その結果、バイアス誤差は、外部加速の計算において、実質的に緩和されることができる。
図１は、本発明のある側面による、加速度計システム１０の実施例を図示する。加速度計システム１０は、ナビゲーションおよび／またはガイドシステムのため等、種々の用途のいずれかにおいて実装されることができる。したがって、加速度計システム１０は、信号ＡＣＣとして、図１の実施例に示される、加速度計システム１０に作用する外部加速を計算するように構成することができる。本明細書において説明される場合、外部加速は、加速度計システム１０に印加される外部力から生じる、加速度計システム１０の加速として定義され、重力ならびに他の外部力から生じる加速を含むことができる。したがって、加速度計システム１０は、計算された加速ＡＣＣが、バイアス誘発誤差が実質的にないように、バイアスを実質的に緩和するように構成されることができる。
加速度計システム１０は、センサ要素１２を含む。センサ要素１２は、第１の試験質量１４および第２の試験質量１６を含む。加えて、センサ要素１２はまた、第１の試験質量１４に関連付けられている第１の組の電極１８と、第２の試験質量１６に関連付けられている第２の組の電極２０とを含む。図１の実施例では、第１の試験質量１４および第１の組の電極１８は、それぞれ、試験質量１および電極１として指定され、第２の試験質量１６および第２の組の電極２０は、試験質量２および電極２として指定されている。実施例として、第１および第２の試験質量１４および１６は、第１および第２の試験質量１４および１６が、プロセスおよび温度変動に対して、実質的に同じであるように製造され得るように、ＭＥＭＳプロセスにおいて、整合された構成要素として製造されることができる。
第１および第２の試験質量１４および１６は、第１の試験質量１４が、外部加速に応答して、第１の方向に加速し、第２の試験質量１６が、外部加速に応答して、第１の方向と反対の第２の方向に加速するように配置されることができる。例えば、第１および第２の試験質量１４および１６は、回転軸において同一線上であるそれぞれの支点を有することができ、回転軸から等しくかつ反対の距離だけオフセットされる、それぞれの質量中心を有することができる。その結果、第１および第２の試験質量１４および１６は、外部加速に応答して、反対回転極性において支点を中心として回転することができる。
加速度計システム１０はまた、力再平衡コントローラ２２を含む。力再平衡コントローラ２２は、パルス発生器２４およびマルチプレクサ２６を含む。パルス発生器２４は、実質的に等しい大きさおよび極性の電荷パルスを発生させるように構成され、マルチプレクサ２６は、所定のシーケンスにおいて、電荷パルスを組の電極１８および２０に提供し、静電気力を発生させ、第１および第２の試験質量１４および１６をそれぞれのヌル位置に向かって加速するように（すなわち、第１および第２の試験質量１４および１６を再平衡化するように）構成される。本明細書において説明される場合、ヌル位置は、それぞれの第１または第２の試験質量１４および１６がゼロ変位にある、第１および第２の試験質量１４および１６のうちのそれぞれのものに関連付けられたリセット位置を説明し得る。実施例として、それぞれのヌル位置は、反対極性ベクトルのいずれの外部加速も、互に対して、反対方向に、第１の試験質量１４および第２の試験質量１６を加速し得るように、第１および第２の試験質量１４および１６が、実質的に同一平面上にある位置であることができる。
実施例として、マルチプレクサ２６は、パルス発生器２４によって発生された電荷パルスを第１の組の電極１８のうちの少なくとも１つ、次いで、第１の組の電極１８のうちの少なくとも別の１つに交互に提供し、反対極性の交互静電気力を発生させることができる。その結果、第１の試験質量１４は、第１および第２の方向に、交互に加速され、各電荷パルス印加時、第１の試験質量１４をヌル位置に向かって位置付ける。マルチプレクサ２６は、次いで、電荷パルスを第２の組の電極２０のうちの少なくとも１つ、次いで、第２の組の電極２０のうちの少なくとも別の１つに交互に提供し、反対極性の交互静電気力を発生させることができる。その結果、第２の試験質量１６は、第１および第２の方向に交互に加速され、各電荷パルス印加時、第２の試験質量１６をヌル位置に向かって位置付ける。
それぞれの組の電極１８および２０とそれぞれの第１および第２の試験質量１４および１６との間の容量結合の結果、第１および第２の試験質量１４および１６の相対的変位の指標である電圧が、それぞれの組の電極１８および２０で発生される。図１の実施例では、電圧は、電圧Ｖ１および電圧Ｖ２として示される。電圧Ｖ１およびＶ２の各々は、第１および第２の組の電極１８および２０の各々の別個の電極（例えば、対の電極）に対応する複数の電圧に対応し得ることを理解されたい。電圧Ｖ１およびＶ２の各々は、したがって、それぞれの組の電極１８および２０に対する第１および第２の試験質量１４および１６の変位（すなわち、容量差）に比例し得る。故に、電圧Ｖ１およびＶ２は、第１および第２の試験質量１４および１６の相対的変位の大きさの指標を提供することができる。
力再平衡コントローラ２２はまた、プロセッサ２８を含む。プロセッサ２８は、パルス発生器２４と通信し、第１および第２の試験質量１４および１６の適切な再平衡のために、電荷パルスのデューティサイクルを設定するように構成される。具体的には、電荷パルスの印加に基づいて静電気力が提供される時間周期が長いほど、第１および第２の試験質量１４および１６のうちのそれぞれの１つが、より多く、加速され得る。その結果、プロセッサ２８は、組の電極１８および２０の各々への電荷パルスの交互印加の間のデューティサイクルを設定し、外部加速の存在下でも、第１および第２の試験質量１４および１６をそのそれぞれのヌル位置に向かって、適切に再平衡化することができる。加えて、プロセッサ２８は、外部加速から生じるような第１および第２の試験質量１４および１６の変位に対応する、電圧Ｖ１およびＶ２に基づいて、組の出力信号ＰＭ１およびＰＭ２を発生させるように構成されることができる。図１の実施例では、出力信号ＰＭ１およびＰＭ２は、加速構成要素３０に提供される。実施例として、加速構成要素３０は、Ｋａｌｍａｎフィルタとして構成されることができる。加速構成要素３０は、したがって、出力信号ＰＭ１およびＰＭ２に基づいて、外部加速の大きさを計算するように構成されることができる。計算された外部加速は、図１の実施例では、信号ＡＣＣとして、示される。
バイアスの不確実性が、いくつかの要因から生じる可能性があり、典型的加速度計システムでは、外部加速の計算における誤差をもたらし得る。実施例として、機械的バイアスの不確実性は、試験質量の製造条件に基づいて、存在する可能性があり、または、同様に、加速を計算する電子システムから生じる可能性がある。加えて、バイアスの不確実性は、温度に伴って、または経時的に、変化し得る。
加速度計システム１０では、電圧Ｖ１およびＶ２は、互に対して反対極性を有する。なぜなら、電圧Ｖ１およびＶ２の各々は、それぞれのヌル位置に向かって再平衡化するために、外部加速に応答して、互に対して反対極性方向に、第１および第２の試験質量１４および１６を加速するように、反対極性の静電気力に関連付けられているからである。しかしながら、電圧Ｖ１およびＶ２に影響を及ぼし得るような、第１および第２の試験質量１４および１６ならびに力再平衡コントローラ２２の電子機器から生じるバイアスの不確実性は、第１および第２の試験質量１４および１６の運動の極性から独立した極性を有する。その結果、加速構成要素３０は、出力信号ＰＭ１および出力信号ＰＭ２の大きさ間の差異を計算するように構成されることができる。故に、バイアスの不確実性から生じるいかなる誤差も、結果として生じる差異から取り除かれ、外部加速の大きさの約２倍を示す、差異が残る。加速構成要素３０は、したがって、差異を再規模調整し（例えば、２で除算し）、実際の外部加速ＡＣＣを計算することができる。
第１および第２の試験質量１４および１６を再平衡化する、反対極性静電気力に関連付けられた大きさを有する出力信号ＰＭ１およびＰＭ２の減算の結果、加速構成要素３０は、したがって、バイアス誤差が実質的にない外部加速ＡＣＣを計算することができる。したがって、加速度計システム１０は、バイアスの不確実性に対して、自己較正する。出力信号ＰＭ１とＰＭ２との間のそのような差異は、第１および第２の試験質量１４および１６の製造整合に基づくセンサ要素１２と、それぞれの電圧Ｖ１およびＶ２に基づく出力信号ＰＭ１およびＰＭ２の発生のために共通プロセッサ２８とに作用する外部加速の２倍に関連付けられ、したがって、加速構成要素３０による外部加速ＡＣＣの単純計算をもたらすことができる。加えて、加速構成要素３０は、同様に、出力信号ＰＭ１およびＰＭ２を合計して、外部加速を相殺し、したがって、総バイアス誤差の大きさに関連付けられた合計を残すことができる。さらに、単一試験質量の代わりに、第１および第２の試験質量１４および１６の両方を実装することによって、加速度計システム１０における無相関雑音は、実質的に２の平方根だけ減少され得る。
図２は、本発明のある側面による、センサ要素５０の実施例を図示する。センサ要素５０は、図１の実施例におけるセンサ要素１２に対応し得る。したがって、図２の実施例の以下の説明では、図１の実施例を参照する。
センサ要素５０は、センサ本体５６に連結された第１の試験質量５２および第２の試験質量５４を含む。図２の実施例では、第１の試験質量５２は、識別子「１」で示され、第２の試験質量５４は、識別子「２」で示され、したがって、図１の実施例における第１および第２の試験質量１４および１６に対応する。したがって、前述と同様に、第１および第２の試験質量５２および５４は、第１および第２の試験質量５２および５４が、プロセスおよび温度変動に対して、実質的に同じように製造され得るように、ＭＥＭＳプロセスにおいて、整合された構成要素として製造されることができる。
第１および第２の試験質量５２および５４は、屈曲５８を介して、センサ本体５６に連結されるように示される。屈曲５８は全て、軸６０の付近に、実質的に同一線上にある態様で、適応性を提供するように配置される。図２の実施例では、軸６０は、デカルト座標系６２に従って、＋／−Ｙ−軸で示される。その結果、第１および第２の試験質量５２および５４は、＋Ｚ方向または−Ｚ方向における加速に応答して、軸６０を中心として回転するように構成される。図２の実施例では、第１の試験質量５２の回転は、第２の試験質量５４の回転に対して、実質的に等しくあることができ、反対極性を有することができる。例えば、第１の試験質量５２は、距離「Ｄ」だけ、軸６０からオフセットされる質量中心６４を有することができる。同様に、第２の試験質量５４は、同様に、距離「Ｄ」だけ、軸６０からオフセットされるが、第１の試験質量５２の質量中心６４に対して、第２の試験質量５４の反対側にある質量中心６６を有することができる。ほぼ等しくかつ反対の質量中心６４および６６の結果、第１および第２の試験質量５２および５４は、外部加速に応答して、実質的に等しくかつ反対の極性において、軸６０を中心として回転することができる。
図２の実施例では、オフセットされた質量中心６４および６６は、第１および第２の試験質量５２および５４の製造から生じるように示される。具体的には、第１の試験質量５２は、第１の試験質量５２の製造の間等、第１の試験質量５２内にエッチングされた空洞６８を含むように示される。同様に、第２の試験質量５４は、第２の試験質量５４の製造の間等、第２の試験質量５４内にエッチングされた空洞７０を含むように示される。空洞６８および７０のエッチングの結果、第１および第２の試験質量５２および５４の質量中心６４および６６は、それぞれの空洞６８および７０と反対方向に、Ｘ−軸に沿って、軸６０上に位置する、近似図心位置からオフセットされる。故に、等しくかつ反対の質量中心６４および６６と、第１および第２の試験質量５２および５４の実質的製造整合とに基づいて、屈曲５８を介する軸６０を中心とした第１および第２の試験質量５２および５４のそれぞれの回転は、外部加速に応答して、ほぼ等しくかつ反対極性を伴う。
センサ要素５０は、図２の実施例に限定されることを意図するものではないことを理解されたい。例えば、第１および第２の試験質量５２および５４は、図２の実施例に示されるセンサ本体５６の形状、配向、または場所に限定されることが意図されず、代わりに、外部力に応答して、反対極性に、実質的に等しい加速を提供するための種々の異なる方法のいずれかで配置され得る。加えて、質量中心６４および６６が、軸６０からオフセットされる態様は、それぞれの空洞６８および７０のエッチングに限定されず、代わりに、第１および第２の試験質量５２および５４の各々を、実質的に等しくかつ反対の方法において、一端がより短いまたはより厚くなるように製造する等、異なる製造技法から生じ得る。さらに、センサ要素５０は、共通軸（すなわち、軸６０）を中心とするそれぞれの第１および第２の試験質量５２および５４の回転を実装するように限定されず、代わりに、非同一線上である支点を有し得る。したがって、センサ要素５０は、種々の方法の任意のもので構成されることができる。
図３は、本発明のある側面による、センサ要素１００の別の実施例を図示する。センサ要素１００は、図２の実施例のデカルト座標系６２のＸＺ−平面に直交する＋Ｙ方向から見た断面図において示され、したがって、同様に、図３の実施例でも、デカルト座標系１０２で示される。センサ要素１００はまた、センサ本体１０６と、図２の実施例における第１および第２の試験質量５２および５４に対応し得る、第１の試験質量１０８および第２の試験質量１１０とを封入する、センサ筐体１０４を含む。実施例として、センサ筐体１０４は、ガスで充填され、センサ要素１００内に減衰および速度残留を提供することができる。
加えて、センサ要素１００は、センサ筐体１０４の内部表面に連結される、第１の対の電気的に連結されている電極１１２および第２の対の電気的に連結されている電極１１４を含む。図３の実施例に示される電極１１２および１１４は、第２の試験質量１１０の上方および下方に位置することができる。したがって、センサ要素１００はまた、センサ筐体１０４の内部の合計８つの電極のために、同様に、第１の試験質量１０８の上方および下方に位置する、２対の電気的に連結されている電極（図示せず）を含むことができる。以下により詳細に説明されるように、第１および第２の対の電極１１２および１１４は、図１の実施例におけるパルス発生器２４から発生されるような電荷パルスが提供され、第１および第２の試験質量１０８および１１０を再平衡化するための静電気力を発生させることができる。
図３の実施例では、外部力ＦＡＣＣは、―Ｚ方向に、センサ要素１００に印加されるように示される。外部力ＦＡＣＣは、したがって、―Ｚ方向に、センサ要素１００の外部加速を提供する。―Ｚ方向における外部加速に応答して、第１および第２の試験質量１０８および１１０の各々は、反対極性方向に回転する。図３の実施例では、第１の試験質量１０８の回転は、第１の試験質量１０８の支点が延在する軸からオフセットされる質量中心を有する、第１の試験質量１０８に基づく、時計回り方向における回転ＲＯＴ１として示され、第２の試験質量１１０の回転は、実質的に等しくかつ反対の第１の試験質量１０８である質量中心を有する、第２の試験質量１１０に基づく、反時計回り方向における回転ＲＯＴ２として示される。図３の実施例では、第１および第２の試験質量１０８および１１０は、それぞれのヌル位置が、センサ本体１０６と実質的に同一平面上にある位置であり得るので、それぞれのヌル位置に示されていないことを理解されたい。代わりに、第１および第２の試験質量１０８および１１０は、外部力ＦＡＣＣに応答して加速され、センサ要素１００の外部加速から生じるそれぞれの回転を図示するように示されている。
センサ要素１００は、図３の実施例に限定されることを意図しないことを理解されたい。例えば、第１および第２の試験質量１０８および１１０の力の再平衡は、静電気力を発生させるための電荷パルスの電極への印加を意図しない。例えば、センサ要素１００は、それぞれの制御要素において、他のタイプの制御信号を受信し、それぞれの第１および第２の試験質量１０８および１１０を再平衡化するための力を発生させることができる。実施例として、センサ要素１００は、第１および第２の試験質量１０８および１１０を再平衡化するための電磁気または他のタイプの力を実装することができる。したがって、センサ要素１００は、種々の方法の任意のものおいて構成されることができる。
図４は、本発明のある側面による、試験質量１０８の実施例図１５０を図示する。試験質量１０８は、―Ｚ方向にセンサ要素１００の外部加速を生じさせる外部力ＦＡＣＣに応答して、回転ＲＯＴ１によって示されるように、支点１５２を中心として回転するように示されている（図３の実施例参照）。前述のように、試験質量１０８は、支点１５２からオフセットされる質量中心を有する試験質量１０８に基づいて、時計回り回転ＲＯＴ１を有するように示されている。その結果、試験質量１０８は、第２の電気的に連結されている電極１１４より短い距離だけ、第１の電気的に連結されている電極１１２からオフセットされるように示されている。
図４の実施例では、ヌル位置は、試験質量１０８が、対の電極１１２および１１４両方からほぼ等距離である位置として、１５４に示されている。試験質量１０８をヌル位置１５４に向かって再平衡化するために、図１の実施例における力再平衡コントローラ２２等の力再平衡コントローラは、それぞれの対の電極１１２および１１４に印加される、電荷パルスＣＨ＿ＡおよびＣＨ＿Ｂを発生させることができる。電荷パルスＣＨ＿ＡおよびＣＨ＿Ｂは、電荷パルスＣＨ＿ＡおよびＣＨ＿Ｂが、実質的に等しい大きさを有し、静電気力を提供し、ヌル位置１５４に向かって（すなわち、反時計回り方向に）、試験質量１０８を再平衡化するために十分なデューティサイクル（例えば、プロセッサ２８によって設定されるように）に基づいて、所定のシーケンスにおいて、第１の対の電極１１２と第２の対の電極１１４との間で時分割されるように、共通パルス発生器（例えば、パルス発生器２４）から発生され得ることを理解されたい。
電荷パルスＣＨ＿Ａを第１の対の電極１１２に印加すると、電圧Ｖ１＿１が、第１の対の電極１１２上に誘発される。電圧Ｖ１＿１は、電荷パルスＣＨ＿Ａの印加から生じる静電気力が提供される場合、第１の対の電極１１２と試験質量１０８との間に形成される容量差に基づく。具体的には、第１の対の電極１１２に対して試験質量１０８によって形成される静電気容量は、試験質量１０８と第１の対の電極１１２との間のギャップに反比例し、電荷パルスＣＨ＿Ａの電荷は、静電気容量に電圧Ｖ１＿１を乗じたものに等しい。したがって、電圧Ｖ１＿１は、第１の対の電極１１２と試験質量１０８との間のギャップに比例し、したがって、センサ要素１００の外部加速から生じる試験質量１０８の変位に関連付けられることができる。同様に、電荷パルスＣＨ＿Ｂを第２の対の電極１１４に印加すると、電圧Ｖ１＿２が、第２の対の電極１１４上に誘発される。電圧Ｖ１＿２は、同様に、第１の対の電極１１２と試験質量１０８との間のギャップに比例し得、したがって、センサ要素１００の外部加速から生じる試験質量１１０の変位に関連付けられることができる。
図５は、本発明のある側面による、試験質量１１０の実施例図２００を図示する。試験質量１１０は、―Ｚ方向にセンサ要素１００の外部加速を生じさせる外部力ＦＡＣＣに応答する回転ＲＯＴ２によって示されるように、支点２０２を中心として回転するように示されている（図３の実施例参照）。前述のように、試験質量１１０は、第１の試験質量１０８と等しくかつ反対に支点２０２からオフセットされる質量中心を有する、試験質量１１０に基づいて、反時計回り回転ＲＯＴ２を有するように実装される。その結果、試験質量１１０は、図４の実施例における第１の試験質量１０８と、それぞれの対の電極１１２および１１４との間隔と反対の態様において、第２の対の電気的に連結されている電極２０６より短い距離だけ、第１の対の電気的に連結されている電極２０４からオフセットされるように示される。第１および第２の対の電極２０４および２０６は、したがって、それぞれ、試験質量１１０および１０８に対して、第２および第１の対の電極１１４および１１２の場所に対応する。
試験質量１１０をヌル位置２０８に再平衡化するために、力再平衡コントローラは、電荷パルスＣＨ＿ＡおよびＣＨ＿Ｂをそれぞれの対の電極２０４および２０６に印加することができる。電荷パルスＣＨ＿ＡおよびＣＨ＿Ｂは、所定のシーケンスにおいて、図５の実施例における、対の電極２０４および２０６に交互に多重化される（例えば、マルチプレクサ２６を介して）、パルス発生器２４から等の図４の実施例における電極１１２および１１４に印加されるものと同一の電荷パルスＣＨ＿ＡおよびＣＨ＿Ｂであることができることを理解されたい。前述の図４の実施例と同様に、電荷パルスＣＨ＿ＡおよびＣＨ＿Ｂは、実質的に等しい大きさを有することができ、静電気力を提供し、ヌル位置２０８に向かって（すなわち、時計回り方向に）、試験質量１１０を再平衡化するために十分なデューティサイクル（例えば、プロセッサ２８によって設定されるように）に基づいて、所定のシーケンスにおいて、第１の対の電極１１２と第２の対の電極１１４との間で時分割されることができる。
前述の図４の実施例と同様に、電荷パルスＣＨ＿Ａを第２の対の電極２０６に印加すると、電圧Ｖ２＿１が、第２の対の電極２０６上に誘発される。同様に、電荷パルスＣＨ＿Ｂを第１の対の電極２０４に印加すると、電圧Ｖ２＿２が、第１の対の電極２０４上に誘発される。電圧Ｖ２＿１およびＶ２＿２は、試験質量１１０とそれぞれの第２および第１の対の電極２０６および２０４との間に形成される、容量ギャップに基づく。したがって、図４および５の実施例に示されるように、電圧Ｖ１＿１およびＶ２＿２は、ほぼ等しいはずであり、電圧Ｖ１＿２およびＶ２＿１は、ほぼ等しいはずである。しかしながら、試験質量１０８および１１０の一方または両方に関連付けられたバイアスは、互に対して、電圧Ｖ１＿１およびＶ２＿２または電圧Ｖ１＿２およびＶ２＿１の大きさに影響を及ぼし得る。
図１の実施例における力再平衡コントローラ２２は、電圧Ｖ１＿１およびＶ１＿２に基づく出力信号ＰＭ１と、電圧Ｖ２＿１およびＶ２＿２に基づく出力信号ＰＭ２を発生させることができる。その結果、試験質量１０８および１１０の一方または両方から生じるバイアスは、バイアスが、それぞれの試験質量１０８および１１０の回転の極性から独立しているように、実質的に同じ様に、試験質量１０８および１１０に影響を及ぼすことができる。したがって、出力信号ＰＭ１およびＰＭ２は、加速構成要素３０に提供されることができ、そのような加速構成要素３０が、出力信号ＰＭ１の大きさを出力信号ＰＭ２の大きさから減算し（または、その逆）、センサ要素１００の外部加速を計算することができる。出力信号ＰＭ１およびＰＭ２の大きさに影響を及ぼすバイアスは、同一の極性を有するため、出力信号ＰＭ１とＰＭ２との間に差異を適用することは、バイアスを実質的に相殺し、バイアス誤差が実質的にない外部加速の規模調整された（ｓｃａｌｅｄ）大きさをもたらすことができる。故に、本明細書に説明される加速度計システムは、典型的加速度計システムより実質的に正確であることができる。
前述のこのような構造および機能特徴に照らして、本発明の種々の側面による方法論が、図６を参照して、より理解されるであろう。説明の単純化の目的のために、図６の方法論は、連続して実行するように図示および説明されるが、本発明は、図示される順序によって限定されず、いくつかの側面は、本発明に従って、異なる順序で、および／または本明細書に図示および説明される以外の側面と並行して、生じ得ることを理解および認識されたい。さらに、図示される特徴の全てが、本発明のある側面による、方法論を実装するために要求されなくてもよい。
図６は、加速度計システムの外部加速を測定する方法２５０を図示する。２５２では、制御信号が、第１の試験質量に関連付けられている少なくとも１つの制御要素に印加され、第１の試験質量に関連付けられている第１のヌル位置に向かって、第１の試験質量を加速するための第１の力を提供し、第１の試験質量は、外部加速に応答して、第１の方向に加速されるように構成される。２５４では、第１のヌル位置に対する第１の試験質量の変位に関連する第１の極性の第１の出力信号が、発生される。２５６では、制御信号が、第２の試験質量に関連付けられている少なくとも１つの制御要素に印加され、第２の試験質量に関連付けられている第２のヌル位置に向かって、第２の試験質量を加速するための第２の力を提供し、第２の試験質量は、外部加速に応答して、第１の方向と反対の第２の方向に加速するように構成される。２５８では、第２のヌル位置に対する第２の試験質量の変位に関連する第２の極性の第２の出力信号が、発生される。第１および第２の試験質量は、プロセスおよび温度変動によって、実質的に同様に影響されるように、整合された構成要素として製造されることができる。第１および第２の方向は、それぞれの支点からの質量中心において、等しくかつ反対のオフセットに基づいて、反対回転方向にあり得る。
２６０では、第１の出力信号の大きさと第２の出力信号の大きさとの間の差異が生成され、バイアス誤差が実質的にない外部加速を計算する。第１および第２の試験質量の一方または両方におけるバイアスは、それぞれの試験質量の回転移動に関わらず、同一の極性を有し、したがって、出力信号にほぼ等しい態様で影響を及ぼす。したがって、出力信号を減算するステップは、外部加速におけるバイアス誤差を実質的に相殺することができる。
上述のものは、本発明の実施例である。当然ながら、本発明を説明する目的のために、構成要素または方法論のあらゆる想定可能な組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者は、本発明の多くのさらなる組み合わせおよび順列が可能であることを認識するであろう。故に、本発明は、添付の請求項の精神および範囲内にある、あらゆるそのような改変、修正、および変形例を包含することが意図される。
Claims (13)
- 加速度計システムであって、
第１の試験質量および第２の試験質量を備えているセンサ要素であって、外部加速に応答して、前記第１の試験質量は、第１の方向に加速するように構成され、前記第２の試験質量は、前記第１の方向と反対の第２の方向に加速するように構成されている、センサ要素と、
前記第１の試験質量に関連付けられている第１の対の電極であって、互に対して電気的に連結されている第１の対の電極と、前記第１の試験質量に関連付けられている第２の対の電極であって、互に対して電気的に連結されている第２の対の電極とに制御信号を印加することにより、前記第１の試験質量に関連付けられている第１のヌル位置に向かって、前記第１の試験質量を加速するための第１の力を提供し、前記第２の試験質量に関連付けられている第１の対の電極であって、互に対して電気的に連結されている第１の対の電極と、前記第２の試験質量に関連付けられている第２の対の電極であって、互に対して電気的に連結されている第２の対の電極とに制御信号を印加することにより、前記第２の試験質量に関連付けられている第２のヌル位置に向かって、前記第２の試験質量を加速するための第２の力を提供するように構成されている力再平衡コントローラであって、前記力再平衡コントローラは、前記制御信号をそれぞれの第１および第２の試験質量に関連付けられている前記第１および第２の対の電極に印加することに基づいて、前記第１のヌル位置に対する前記第１の試験質量の変位に関連する第１の出力信号と、前記第２のヌル位置に対する前記第２の試験質量の変位に関連する第２の出力信号とを生成するようにさらに構成され、前記第２の出力信号は、前記第１の出力信号と反対の極性を有する、力再平衡コントローラと、
前記制御信号を前記第１の対の電極に印加することにより、それぞれの第１および第２の試験質量を第１の方向に加速し、前記制御信号を前記第２の対の電極に印加することにより、それぞれの第１および第２の試験質量を前記第１の方向と反対の第２の方向に加速するように構成されているマルチプレクサと、
前記第１および第２の出力信号の両方に基づいて、前記外部加速を計算するように構成されている加速構成要素と
を備えており、
前記加速構成要素は、前記第１の出力信号の大きさを前記第２の出力信号の大きさから減算し、その結果の差異を規模調整して、バイアス誤差が実質的に相殺されるようにするように構成されており、
前記計算された外部加速は、約２の平方根だけ減少された無相関雑音を有する、システム。 - 前記第１の試験質量および前記第２の試験質量は、実質的に整合された構成要素である、請求項１に記載のシステム。
- 前記第１の試験質量は、前記第１および第２の方向に、第１の支点を中心として回転するように構成され、前記第２の試験質量は、前記第１および第２の方向に、第２の支点を中心として回転するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
- 前記第１の試験質量は、質量中心を備え、前記質量中心は、前記第２の試験質量の図心位置に対する前記第２の試験質量に関連付けられた質量中心のオフセットとほぼ等しくかつ反対の距離だけ、前記第１の試験質量の図心位置からオフセットされている、請求項３に記載のシステム。
- 前記力再平衡コントローラは、
電荷パルスとして前記制御信号を発生させるように構成されているパルス発生器を備え、
前記マルチプレクサは、所定のシーケンスにおいて、前記第１の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極と前記第２の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極との間で前記電荷パルスの印加を交互させることにより、それぞれの第１および第２の静電気力として、それぞれの第１および第２の力を発生させるようにさらに構成されており、
前記力再平衡コントローラは、
前記第１の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極に関連する第１の測定される電圧に応答して、前記第１の出力信号を発生させ、前記第２の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極に関連する第２の測定される電圧に応答して、前記第２の出力信号を発生させるように構成されているプロセッサをさらに備え、前記第１および第２の測定される電圧は、それぞれの第１および第２の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極への前記電荷パルスの交互印加から生じる、請求項１に記載のシステム。 - 前記パルス発生器は、前記第１の出力信号に基づいて、前記第１の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極に対して第１のデューティサイクルで前記電荷パルスを発生させ、前記第２の出力信号に基づいて、前記第２の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極に対して第２のデューティサイクルで前記電荷パルスを発生させるように構成されている、請求項５に記載のシステム。
- 加速度計システムの外部加速を測定する方法であって、
第１の試験質量に関連付けられている少なくとも１つの電極に電荷パルスを印加することにより、前記第１の試験質量に関連付けられている第１のヌル位置に向かって、前記第１の試験質量を加速するための第１の静電気力を提供することであって、前記第１の試験質量は、前記外部加速に応答して、第１の方向に加速して、前記第１のヌル位置に向かって第１の支点を中心として前記第１の試験質量を回転させるように構成されている、ことと、
前記第１のヌル位置に対する前記第１の試験質量の変位に関連する第１の極性の第１の出力信号を発生させることと、
所定のシーケンスにおいて、前記電荷パルスを、前記第１の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極に印加することと交互に、第２の試験質量に関連付けられている少なくとも１つの電極に前記電荷パルスを印加することにより、前記第２の試験質量に関連付けられている第２のヌル位置に向かって、前記第２の試験質量を加速するための第２の静電気力を提供することであって、前記第２の試験質量は、前記外部加速に応答して、前記第１の方向と反対の第２の方向に加速して、前記第２のヌル位置に向かって、前記第２の方向に、第２の支点を中心として前記第２の試験質量を回転させるように構成されている、ことと、
前記第２のヌル位置に対する前記第２の試験質量の変位に関連する第２の極性の第２の出力信号を発生させることと、
前記第１の出力信号の大きさと前記第２の出力信号の大きさとの間の差異を生成することにより、バイアス誤差が実質的にない前記外部加速を計算することと
を含み、
前記第１の試験質量は、前記第２の試験質量の図心位置に対する前記第２の試験質量に関連付けられた質量中心のオフセットとほぼ等しくかつ反対の距離だけ、前記第１の試験質量の図心位置からオフセットされている質量中心を備えている、方法。 - 前記第１の試験質量および前記第２の試験質量は、前記第１および第２の試験質量が、温度およびプロセス変動に対して実質的に同じであるように、実質的に整合された構成要素として製造されている、請求項７に記載の方法。
- 前記電荷パルスを前記第１の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極に印加することは、前記第１の出力信号に基づく第１のデューティサイクルにおいて、前記電荷パルスを第１の対の電気的に連結されている電極と第２の対の電気的に連結されている電極とに交互に印加することにより、前記ヌル位置に向かって、前記第１の試験質量を加速することを含み、前記第１および第２の対の電気的に連結されている電極は、反対の静電気力を発生させ、前記電荷パルスを前記第２の試験質量に関連付けられている前記少なくとも１つの電極に印加することは、前記第２の出力信号に基づく第２のデューティサイクルにおいて、前記電荷パルスを第３の対の電気的に連結されている電極と第４の対の電気的に連結されている電極とに交互に印加することにより、前記ヌル位置に向かって、前記第２の試験質量を加速することを含み、前記第３および第４の対の電気的に連結されている電極は、反対の静電気力を発生させる、請求項７に記載の方法。
- 加速度計システムであって、
第１の試験質量および第２の試験質量を備えているセンサ要素であって、外部加速に応答して、前記第１の試験質量は、第１の方向に加速するように構成され、前記第２の試験質量は、前記第１の方向と反対の第２の方向に加速するように構成され、前記第１の試験質量および前記第２の試験質量は、実質的に整合された構成要素である、センサ要素と、
所定のシーケンスにおいて、電荷パルスを前記第１の試験質量に関連付けられている第１の対の電極と前記第２の試験質量に関連付けられている第２の対の電極とに交互に印加するように構成されている力再平衡コントローラであって、前記電荷パルスは、前記第１の対の電極に印加されることにより、第１の静電気力を提供し、前記第１の試験質量に関連付けられている第１のヌル位置に向かって、前記第１の試験質量を加速し、前記電荷パルスを前記第２の対の電極に印加することにより、第２の静電気力を提供し、前記第２の試験質量に関連付けられている第２のヌル位置に向かって、前記第２の試験質量を加速し、前記力再平衡コントローラは、前記電荷パルスを前記第１および第２の対の電極に印加することに基づいて、前記第１のヌル位置に対する前記第１の試験質量の変位に関連する第１の出力信号および前記第２のヌル位置に対する前記第２の試験質量の変位に関連する第２の出力信号を発生させるようにさらに構成され、前記第２の出力信号は、前記第１の出力信号と反対の極性を有する、力再平衡コントローラと、
前記第１の出力信号の大きさを前記第２の出力信号の大きさから減算し、バイアス誤差が実質的にない前記外部加速を計算するように構成されている加速構成要素と
を備えており、
前記第１の試験質量は、第１の平面表面と、前記第１の平面表面と対向する第２の平面表面とを備えており、前記第２の試験質量は、第１の平面表面と、前記第１の平面表面と対向する第２の平面表面とを備えており、
前記第１の対の電極のうちの第１の電極は、前記第１の試験質量の前記第１の平面表面と対向して配置され、前記第１の対の電極のうちの第２の電極は、前記第１の試験質量の前記第２の平面表面と対向して配置され、前記第２の対の電極のうちの第１の電極は、前記第２の試験質量の前記第１の平面表面と対向して配置され、前記第２の対の電極のうちの第２の電極は、前記第２の試験質量の前記第２の平面表面と対向して配置されている、システム。 - 前記第１の試験質量は、前記第１および第２の方向に、第１の支点を中心として回転するように構成され、前記第２の試験質量は、前記第１および第２の方向に、第２の支点を中心として回転するように構成され、前記第１の試験質量は、質量中心を備え、前記質量中心は、前記第２の試験質量の図心位置に対する前記第２の試験質量に関連付けられた質量中心のオフセットとほぼ等しくかつ反対の距離だけ、前記第１の試験質量の図心位置からオフセットされている、請求項１０に記載のシステム。
- 前記力再平衡コントローラは、
前記電荷パルスを発生させるように構成されているパルス発生器と、
前記第１の試験質量に関連付けられている前記第１の対の電極に関連する第１の測定される電圧に応答して、前記第１の出力信号を発生させ、前記第２の試験質量に関連付けられている前記第２の対の電極に関連する第２の測定される電圧に応答して、前記第２の出力信号を発生させるように構成されているプロセッサと
を備え、
前記第１および第２の測定される電圧は、前記電荷パルスのそれぞれの第１および第２の試験質量に関連付けられている前記第１および第２の対の電極への交互印加から生じる、請求項１０に記載のシステム。 - マルチプレクサが、前記電荷パルスを前記第１の対の電極に印加することにより、前記第１の試験質量を前記第１の方向に加速し、前記電荷パルスを前記第２の対の電極に印加することにより、前記第２の試験質量を前記第２の方向に加速するように構成されている、請求項１２に記載のシステム。
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