JP6267407B1 - ばね力補償を有する加速度センサ - Google Patents

Abstract

本発明は、基板（１１０）上を移動軸（ｘ）に沿って移動可能に、ばね要素（１３０）を用いて取り付けられるセンサ材料（１２０）と、上記センサ材料（１２０）に結合される第１トリム電極（１４０）と、上記基板（１１０）に結合されるとともに、上記第１トリム電極（１４０）に関連付けられる第２トリム電極（１５０）と、を有する加速度センサ（１００）に関する。上記センサ材料が上記移動軸に沿って偏向する際、上記センサ材料（１２０）に作用するばね力が、上記ばね要素（１３０）によって発生する。また、上記センサ材料（１２０）が偏向する際、上記ばね力に対抗する、上記センサ材料（１２０）に作用する静電気力が、上記第１トリム電極（１４０）と上記第２トリム材料（１５０）との間におけるトリム電圧の印加によって、発生する。

Description

本発明は、ばね力補償を有する加速度センサに関する。

加速度を測定するための加速度センサは、様々な用途において使用される。このプロセスにおいて、質量構成要素は、ばね要素を用いて基板の上に取り付けられることが多い。また、加速度が存在する場合、質量構成要素の偏向が測定される。加速度に対する感受性、ひいては感度を増大させるためには、耐衝撃性または横加速度に対する感受性等の他の特性を変化させることなく、ばねのばね剛性をできるだけ低く保つことが望ましい。しかしながら、ばね剛性の低減は、慣用の、概して使い古された製造技術によって制限される。

国際公開第９４／２８４２７号には、調整可能なばね硬度を有するばねによって支持される可動の試験質量を備えている微小電気機械加速度センサが記載されている。

米国特許出願公開第２００５／０００１２７５号には、ばね硬度が電極によって調節可能である、ばねによって保持される試験質量を備えている加速度センサが記載されている。

国際公開第９７／４４６７５号には、振動梁の両側に配置される電極によって振動が発生する振動型トランスデューサが記載されている。

国際公開第９４／２８４２７号 米国特許出願公開第２００５／０００１２７５号 国際公開第９７／４４６７５号

本発明は、低い有効ばね剛性または低いばね硬度を有する加速度センサを提供するという目的に基づいている。

上記目的は、独立請求項の内容によって解決される。さらなる成果は、従属請求項によって定義される。

加速度センサは、基板上を移動軸に沿って移動可能に、ばね要素を用いて取り付けられるセンサ材料と、上記センサ材料に結合される第１トリム電極と、上記基板に結合されるとともに、上記第１トリム電極に関連付けられる第２トリム電極と、を備える。上記センサ材料が上記移動軸に沿って偏向する際、上記センサ材料に作用するばね力が、上記ばね要素によって発生する。また、上記センサ材料が偏向する際、上記ばね力を打ち消す、上記センサ材料に作用する静電気力が、上記第１トリム電極と上記第２トリム電極との間におけるトリム電圧の印加により、発生する。

第１トリム電極と第２トリム電極との間のトリム電圧により、センサ材料に作用するばね力と、ばね力を打ち消す静電気力との両方が、センサ材料が偏向する際に発生する。打ち消す静電気力の発生は、ばね力の発生も生じる際には常に生じるため、これら２つの力は相殺される。そのため、ばね要素のばね定数と、トリム電極対のばね定数とから成るシステムの有効ばね定数を、トリム電圧の設定により、自由に調整することができる。

トリム電圧がない場合、ばね要素によって発生するばね力は、センサ材料を、偏向方向とは反対に退ける。トリム電圧により、後退力は減少し、例えば完全に低減され得る。これは、センサ材料が、ばね剛性を有さないばね要素を介して基板に結合されるようなシステムに相当する。

完全な相殺が起こる値以上にトリム電圧を増加させると、負のばね定数を有するシステムができる。上記システムとは、すなわち、センサ材料の偏向時、静止位置にはもはや戻らず、偏向方向にさらに偏向するようなシステムである。したがって、トリム電極対間にトリム電圧を印加することによって、基板と、ばね要素と、センサ材料とから成るシステムのばね剛性を適宜調整することが可能である。

上記加速度センサは、上記センサ材料に結合されているセンサ電極と、上記基板に結合されるとともに、上記センサ電極に関連付けられる検出電極とを備えていてもよい。上記移動軸に沿った上記センサ材料の偏向は、上記センサ電極と、関連付けられた上記検出電極との間の検出電圧の変化を通して、または上記センサ電極および関連付けられた上記検出電極における電荷の変化を通して決定され得る。これにより、自由に調整可能なばね硬度を有する加速度センサを駆動すること、および上記加速度センサによって測定された加速度を読み出すことが可能である。

上記センサ電極の一部は、第１トリム電極として形成されていてもよい。また、第１トリム電極として形成される上記センサ電極と上記第２トリム電極との間の上記トリム電圧は、上記センサ材料の偏向を減衰させてもよい。これにより、加速度センサの電極の一部に複数のタスクを与えることが可能になるため、加速度センサは、より小型に形成され得る。センサ電極の一部を第１トリム電極として用いることにより、センサ材料上にさらなる第１トリム電極を取り付けることを回避し得る。

上記第１トリム電極は、上記移動軸に垂直な対称軸に対して対称的に、上記センサ材料上に取り付けられていてもよい。また、上記第２トリム電極は、上記移動軸に垂直な対称軸に対して対称的に、上記基板上に取り付けられていてもよい。トリム電極の配置がこのように完全に対称的に設計されていることにより、センサ材料が偏向しない限り、トリム電極に作用する力は生じ得ない。したがって、第１トリム電極および第２トリム電極の存在は、加速度センサの読み出しを歪曲せず、加速度センサのばね硬度の自由な調整機能に役立つのみである。さらに、このような構成により、製造公差の影響を低減することができる。

上記第１トリム電極および上記第２トリム電極によって発生する上記静電気力は、上記ばね要素によって発生する上記ばね力と等しくてもよい。これにより、センサ材料が偏向しても、センサ材料に効果的に作用してセンサ材料を開始位置に退ける力は存在しない。したがって、現在の励起電極および検出電極に関して自由に位置付けられ得る。これにより、製造公差（バイアス）によって起こる測定動作における歪曲の低減、または完全な阻止が可能になる。

上記第１トリム電極の一部は、くし型電極として形成されていてもよい。また、上記第２トリム電極は、電極板として形成されていてもよい。こうして、電極指が支持するくし型電極として形成されたトリム電極の上記一部と、上記第２トリム電極とは、静電気力を発生させる働きをする平板コンデンサを形成する。このような構成により、ばね力を打ち消す静電気力を発生させることに加えて、加速度の検出のようなさらなる目的のためにも、第１トリム電極を用いることが可能である。したがって、加速度センサをより小型に設計することが可能である。

上記第１トリム電極の一部は、電極板として形成されていてもよい。また、電極板として形成されている上記第１トリム電極は、関連付けられている第２トリム電極とともに、平板コンデンサを形成してもよい。これにより、第１トリム電極および第２トリム電極を簡便に製造することが可能になる。したがって、ばね硬度が自由に調整可能な加速度センサを、簡便かつ低コストで製造できる。

上記センサ材料は、上記検出電圧の設定中、測定される加速度が上記トリム電圧から独立している中立位置に保持されてもよい。実際に存在する加速度は、トリム電圧とは無関係である。したがって、印加されるトリム電圧に関係なく、特定の加速度がセンサ材料によって測定されることが保証される。上記加速度は、検出電極およびセンサ電極を介して決定され得る。また、上記加速度は、上記中立位置とともに、使用される加速度センサの特性であるパラメータ対を構成する。例えば、トリム電極の位置または形状が安定しているかどうか、あるいは加速度センサが損傷しているかどうかは、中立位置および関連付けられる加速度から成る上記パラメータ対から決定され得る。したがって、加速度センサの信頼性を高めることができる。

演算部は、上記センサ材料の第１の位置の、上記センサ材料の第２の位置からの偏差を、上記中立位置に基づいて決定してもよい。第１の位置は、ばね力が上記センサ材料に作用しない位置であり、第２の位置は、上記センサ材料に作用し、上記センサ電極および上記検出電極によって発生する力が存在しない位置である。これにより、製造公差によってもたらされる、機械的ゼロ点（すなわち、ばね力が存在しない場合のセンサ材料の位置）の偏差、ならびに電気的ゼロ点（すなわち、センサ電極および検出電極に起因する力が存在しない場合のセンサ材料の位置）の偏差が、加速度センサを用いた加速度測定の歪曲（バイアス）をもたらすかどうかを、中立位置の決定を通して判定し得る。これにより、加速度センサの信頼性が高まる。

演算部は、上記中立位置の変化と、ばね力の打ち消しに必要な上記トリム電圧の変化とに基づいて、上記加速度センサのエラーを確認してもよい。これにより、加速度センサの信頼性が高まる。

上記加速度センサは、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）であってもよい。これにより、加速度を測定するための微小電気機械システムにおいても、上述の利点を用いることが可能である。

以下、本発明の、これらの利点および特徴、ならびにさらなる利点および特徴を、以下の添付図面を用いて、実施例に基づき、さらに詳細に説明する。
一実施形態に係る加速度センサの略図を示す。 別の実施形態に係る加速度センサの略図を示す。 別の実施形態に係る加速度センサの略図を示す。 別の実施形態に係る加速度センサの略図を示す。 実施形態に係る加速度センサにおける測定偏向（バイアス）の発現についての略図を示す。 パラメータとしての、異なるトリム電圧における、加速度センサのばね剛性の依存性についての略図を示す。

図１の（ａ）および図１の（ｂ）は、略図において、一実施形態に係る加速度センサ１００を示す。

加速度センサ１００は、基板１１０を備えている。センサ材料１２０は、基板１１０上を移動軸ｘに沿って移動可能に、ばね要素１３０によって取り付けられている。ばね要素１３０は、ばね要素１３０の第１の側において、基板１１０に強固に結合されている。また、ばね要素１３０は、ばね要素１３０の第２の側において、センサ材料１２０に強固に結合されている。ばね要素１３０により、センサ材料１２０が移動軸ｘに沿って偏向することが可能となっている。例えば、ばね要素１３０は、移動軸ｘに対して垂直に伸びる、柔軟性を有する棒状ばねとして形成され得る。柔軟性を有する棒状ばねとして形成されたばね要素１３０は、移動軸ｘに沿った移動は可能とするが、移動軸ｘに垂直な移動は可能にしないものである。しかしながら、ばね要素１３０は、センサ材料１２０の移動軸ｘに沿った偏向を可能とする、他の任意の形状を有していてもよい。

第１トリム電極１４０は、センサ材料１２０に結合される。このプロセスにおいて、第１トリム電極１４０は、センサ材料１２０に強固に結合される。例えば、センサ材料１２０と第１トリム電極１４０とは、一体的に形成され得る。すなわち、第１トリム電極１４０は、センサ材料１２０の一体的な構成要素である。

第２トリム電極１５０は、基板１１０に結合されるとともに、第１トリム電極１４０に関連付けられる。このプロセスにおいて、第２トリム電極１５０は、基板１１０に強固に結合される。例えば、第２トリム電極１５０は、基板１１０の一体的な構成要素であり得る。

第１トリム電極１４０と第２トリム電極１５０との組み合わせは、センサ材料１２０の静止位置において、第１トリム電極１４０および第２トリム電極１５０によって発生する力がセンサ材料１２０に作用しないように、形成される。なぜなら、以下に詳述するように、第１トリム電極と第２トリム電極との組み合わせが、第１トリム電極１４０と第２トリム電極１５０との間に生じる分力を相殺するからである。

第１トリム電極１４０および第２トリム電極１５０は、センサ材料１２０または基板１１０上に対称的に取り付けられる必要はない。例えば、すべての第１トリム電極１４０が、センサ材料１２０の一方の側、またはセンサ材料１２０の一方の端部に位置していてもよい。

図１の（ｂ）に示すように、ばね要素１３０は、移動軸ｘに沿ってセンサ材料を偏向させる際、センサ材料１２０を移動させて開始位置に戻す、ばね力１３５を発生させる。開始位置において、個々のばね要素１３０によって発生した力は相殺されるか、または消失する（機械的ゼロ点）。同時に、以下に説明するように、第１トリム電極１４０と第２トリム電極１５０との間にトリム電圧を印加することにより、センサ材料１２０に作用する静電気力１４５が発生してばね力１３５を打ち消す。

例えば、第１トリム電極１４０と第２トリム電極１５０との間にトリム電圧を印加する。これにより、第１トリム電極１４０は、第１の電荷、例えば負電荷を帯びることが可能であり、第２トリム電極１５０は、第１の電荷と逆の第２の電荷、例えば正電荷を帯びることが可能である。その結果、第１トリム電極１４０と第２トリム電極１５０との間に静電気力が生じる。この静電気力は、第１トリム電極１４０が第２トリム電極１５０に近づく際に増大する。

このように、センサ材料１２０を偏向する際、力が発生し得る。この力は、センサ材料１２０を、センサ材料１２０に強固に結合されている第１トリム電極１４０を介して、基板１１０に強固に結合されている第２トリム電極１５０へとさらに移動させる。静電気力１４５は、ばね要素１３０によって発生するばね力１３５によって打ち消される。したがって、センサ材料１２０に作用する力は、効果的に減少する。この減少は、加速度センサ１００のばね定数の減少に対応している。

図１の（ａ）および図１の（ｂ）に示すように、第１トリム電極１４０および第２トリム電極１５０は、静電気力１４５が異なる複数の分力から成るように、形成され得る。図１の（ｂ）において、第１トリム電極１４０と第２トリム電極１５０の右側との間に分力が生じる。さらに、当該分力よりも大きい分力が、第１トリム電極１４０と、第２トリム電極１５０のうち圧縮されたばね要素１３０に最も近い側（図１の（ｂ）においては、第２トリム電極の左側）との間に生じる。これは、第１トリム電極１４０と第２トリム電極１５０の左側との間の距離が、第１トリム電極１４０と第２トリム電極１５０の右側との間の距離より短いために起こる。

さらなる実施形態において、第１トリム電極および第２トリム電極が、例えば平板コンデンサの電極対のように、互いに異なるように形成されている。本実施形態によれば、第２トリム電極は、第１トリム電極よりもばね要素１３０の近くに位置する。これは、ばね要素１３０が圧縮される際、第１トリム電極と第２トリム電極との間の距離が短くなることに起因して、ばね力１３５を打ち消す静電気力１４５が発生するようにするためである。センサ材料１２０は移動軸ｘに沿って２方向（図１Ａおよび図１Ｂにおいて、左側および右側）へ移動され得ることから、少なくとも２対の第１トリム電極および第２トリム電極が必要とされる。その結果、静電気力１４５は、個々のトリム電極対間の力から生じる。

したがって、加速度センサ１００のばね硬度またはばね剛性を、第１トリム電極１４０と第２トリム電極１５０との間に印加されるトリム電圧を介して、それぞれ自由に調整することが可能である。このようにして、例えば、ばね力１３５と静電気力１４５とを完全に相殺させることができ、その結果、センサ材料１２０が偏向される際にリセット力が存在しなくなる。しかしながら、静電気力１４５は、ばね力１３５を過剰に相殺する、つまり、ばね力１３５を上回る可能性もある。その結果、センサ材料１２０をわずかに偏向させるだけの場合であっても、静電気力１４５によってセンサ材料１２０が大きく偏向されてしまう。これは、センサ材料１２０の即時の過剰制御につながり得るため、加速度センサ１００を上記方法で操作する場合は、必ず閉ループのリセット電子回路を追加的に用いなければならない。

図２は、センサ材料１２０に結合されている加速度を読み出すためのセンサ電極１６０を有する、加速度センサ１００を示しており、図中、センサ電極１６０は概略的に示されている。センサ電極１６０には、基板１１０に結合されている検出電極１７０が関連付けられており、図中、検出電極１７０は概略的に示されている。センサ電極１６０と検出電極１７０との間の電圧は、移動軸ｘに沿ったセンサ材料１２０の偏向に依存し得る。したがって、上記電圧から、センサ材料１２０の偏向を決定することが可能である。一方、上記偏向から、センサ材料１２０に作用する加速度が決定され得る。

測定完了後、センサ電極１６０および検出電極１７０は、センサ材料１２０を再びリセットするために使用され得る。

しかしながら、センサ電極１６０と検出電極１７０との間に結果として生じる力が、センサ材料１２０に作用する加速力を正確に相殺することによってセンサ材料１２０のリセットに役立つように、センサ電極１６０と検出電極１７０との間の電圧を制御することも可能である。その結果、センサ材料１２０は、常に同じ場所に位置することとなる。この場合、位置の維持に必要なセンサ電極１６０と検出電極１７０との間の電圧は、上記加速度の決定に役立つ。

図２にも示されるセンサ材料１２０の位置の実際の変化によって起こる、センサ電極１６０と検出電極１７０との間の電圧の変化の読み出しは、大抵、作動中において開ループにより実現される。一方、センサ材料１２０は、閉ループにより定位置に配置される。

一実施形態によれば、移動軸ｘに沿った偏向の場合において電極間の隙間が小さくなる、センサ電極１６０および検出電極１７０から成る少なくとも一つの電極対、ならびに同様の偏向の場合に電極間の隙間が大きくなる、少なくとも一つの電極対が存在する。別の実施形態によれば、センサ電極１６０の一部および検出電極１７０の一部を加速度の測定に用いる一方、別の部分をセンサ材料１２０のリセットに用いる。

センサ電極１６０および検出電極１７０は、センサ材料１２０または基板１１０上に、対称的に取り付けられる必要はない。例えば、すべてのセンサ電極１６０がセンサ材料１２０の一方の側、またはセンサ材料１２０の一方の端部に位置していてもよい。

加速度センサ１００を閉ループにより作動させる場合、測定中にセンサ材料１２０が取る位置を、自由に決定できる構成であれば好都合である。しかしながら、ばね要素１３０によって発生するばね力に起因して、通常は上記構成とはならない。なぜなら、ばね要素１３０およびセンサ材料１２０のシステムは、すべてのばね力１３５が相殺されるか、またはゼロまで低減される、特定の機械的ゼロ点を有するからである。しかしながら、ばね力１３５を打ち消すか、またはばね力１３５を完全に相殺さえする静電気力１４５は、第１トリム電極１４０と第２トリム電極１５０との間に印加されるトリム電圧によって発生する。このため、作動中のセンサ材料１２０の位置は、閉ループを用いることによって、機械的ゼロ点の位置から一層独立して、または完全に自由に決定され得る。これにより、加速度センサ１００が、より簡単な方法で作動可能になる。

さらには、静電気力１４５によるばね力１３５相殺に起因して、加速度センサ１００の個々の構成要素の、温度変動による相対移動が、加速度センサ１００の測定結果に与える影響は小さくなる。温度変動により、加速度センサ１００の個々の構築構成要素の膨張または収縮が起こり得る。これは通常、システムの機械的ゼロ点のずれとして起こり、ばね力１３５が相殺されない場合には、加速度センサ１００の測定結果の歪曲にもつながる。温度変化による膨張または収縮は、ヒステリシス効果の対象になる。したがって、相殺を行うトリム電圧なしでは、同一の温度において測定結果にばらつきが生じる可能性がある。これは、温度変動に起因する機械的ゼロ点のずれに対して、システムはあまり反応しないか、または完全に無反応にさえなることから、静電気力１４５によるばね力１３５のほとんど完全な相殺によって打ち消すことができる。したがって、加速度センサ１００の信頼性が高まる。

図３に、微小電気機械（ＭＥＭＳ）としての、加速度センサ２００の一実施形態を示す。加速度センサ２００は、基板２１０、センサ材料２２０、ばね要素２３０、第１トリム電極２４０、第２トリム電極２５０、センサ電極２６０、および検出電極２７０を有する。

加速度センサ２００のセンサ電極２６０の一部は、第１トリム電極２４０として形成されている。図３において、第１トリム電極２４０として形成されているセンサ電極２６０は、ばね要素２３０の最も近くに位置するセンサ電極２６０である。但し、さらなる実施形態によれば、他のセンサ電極２６０も、第１トリム電極２４０として形成され得る。さらに、第２トリム電極２５０が、センサ電極２６０と検出電極２７０との間に配置される。第１トリム電極２４０と第２トリム電極２５０との間のトリム電圧は、ばね要素２３０によって発生するばね力の相殺に貢献するだけでなく、センサ材料２２０の振動を減衰させる。したがって、同時に、第２トリム電極２５０は減衰電極として働く。

第１トリム電極２４０の一部はくし型電極として形成されており、その電極指は、対応する検出電極２７０の電極指とかみ合う。第１トリム電極２４０における、検出電極２７０の電極指とは反対の側は、電極板として形成されている第２トリム電極２５０とともに、平板コンデンサを形成する。したがって、第１トリム電極２４０は、その電極指によりセンサ電極２６０として機能する。また、第１トリム電極２４０は、その背面側により、第２トリム電極２５０の電極板に対する対向電極板として機能する。このため、加速度センサ２００の個々の電極へ、複数のタスクを課すことが可能である。したがって、第１トリム電極２４０は、加速度センサ２００に存在する加速度の検出、および加速度センサ２００のばね剛性の調整のために働く。第２トリム電極２５０は、加速度センサ２００の加速度によって誘発されるセンサ材料１２０の振動の減衰、および加速度センサのばね剛性の調整のために働く。これにより、加速度センサ２００の作動に必要な構成要素の数を最小限に抑えることができ、また、加速度センサ２００を小型かつ低コストとなるように設計できる。

図４に示す、ＭＥＭＳ加速度センサ３００の別の実施形態によれば、加速度の読み出しを、ばね硬度の調整から切り離すことが可能である。この目的のため、加速度センサ３００は、基板３１０、センサ材料３２０、ばね要素３３０、第１トリム電極３４０、第２トリム電極３５０、センサ電極３６０、および検出電極３７０を有している。

第１トリム電極３４０は、移動軸ｘに垂直な対称軸に対して対称的に、センサ材料に取り付けられている。また、第２トリム電極は、移動軸ｘに垂直な、上記と同じ対称軸に対して対称的に、基板に取り付けられている。図４に示すように、センサ電極３６０および検出電極３７０は、第１トリム電極３４０および第２トリム電極３５０とは切り離して配置され得る。
第１トリム電極３４０および第２トリム電極３５０が対称的に設計されているため、トリム電極３４０と第２トリム電極３５０との間の電極間の隙間を、確実に完全対称に設計できる。したがって、センサ材料３２０が偏向しない限り、センサ材料３２０に結果的に作用する力は生じない。センサ材料３２０の特定の箇所（例えば、センサ材料３２０の中心）にトリム電極３４０およびトリム電極３５０が集中しているため、製造公差の影響をさらに低減できる。

さらに、図３において第２トリム電極２５０により示される減衰電極を、図４の加速度センサ３００に、切り離して統合することが可能である。それぞれの場合において個別に設定できる読み出し電圧、減衰電圧、およびトリム電圧によって、加速度センサ３００は制御、減衰、読み出し、およびトリミングに対して高い柔軟性を達成することができる。

図４に示すトリム電極３４０およびトリム電極３５０は、電極板として形成されており、平板コンデンサを構成する。これにより、加速度センサ３００を簡便かつ低コストで製造することが可能になる。さらなる実施形態によれば、平板コンデンサとして形成される第１トリム電極３４０および第２トリム電極３５０は、センサ材料３２０上の別の箇所（例えば、センサ材料３２０の縁部、センサ材料３２０の一方の側のみ、またはセンサ材料３２０の任意の箇所）にも取り付けられ得る。

図５は、センサ材料１２０の機械的静止位置が、例えば製造公差に起因するセンサ材料１２０の電気的静止位置（すなわち、センサ電極１６０および検出電極１７０から結果的に受ける力が存在しない、センサ材料１２０の位置）とは異なる場合における、加速度センサ１００を示している。機械的静止位置および電気的静止位置に加え、トリム静止位置も存在する。トリム静止位置においては、第１トリム電極１４０と第２トリム電極１５０との間に作用する力がない、または作用する力がそれぞれ相殺される。以下の説明において、便宜上、機械的静止位置はトリム静止位置と一致すると想定する。

図５において、複数のばね要素１３０の長さが同一であることと、第２トリム電極１５０の間における第１トリム電極１４０の中央位置とを通して概略的に表されているように、センサ材料１２０は、機械的静止位置（またはそれぞれトリム静止位置）にある。機械的静止位置（またはそれぞれのトリム静止位置）においては、ばね要素１３０、第１トリム電極１４０、および第２トリム電極１５０によって移動軸ｘに沿った力がセンサ材料１２０に加わることはない。

しかしながら、製造公差に起因して、機械的静止位置が、センサ電極１６０の位置および検出電極１７０の位置によって決定される電気的静止位置とは異なる場合が、たびたび起こる。これは、図５において、センサ電極１６０と検出電極１７０との間の距離が異なることを通して、概略的に表されている。センサ電極１６０および検出電極１７０は、図５において、単純な電極板として示されている。しかしながら、さらなる実施形態によれば、センサ電極１６０および検出電極１７０は、図２および図３に示すように、くし型電極の形状であってもよく、またはくし型電極と電極板との混合であってもよい。

したがって、センサ材料１２０は機械的に静止しているが、読み出し回路は、検出電極１７０に対するセンサ電極１６０の相対位置から、移動軸ｘに沿った加速度がすでに存在すると判断する。これは通常、測定結果の歪曲（バイアス）につながり、正確な測定が達成されるべき場合には修正が必要となる。

既に説明したように、加速度センサ１００が閉ループにより作動される際、センサ材料１２０は特定の位置に保持される。第１トリム電極１４０と第２トリム電極１５０との間に印加されるトリム電圧を用いて加速度システム全体のばね硬度を低下させることにより、上記位置をより自由に選択することが可能になる。例えば、センサ電極１６０および検出電極１７０の測定システムがセンサ材料１２０のいかなるずれも検出し得ないように、すなわち加速度センサ１００が例えば電気的ゼロ点で作動できるように、上記位置を設定することが可能になる。

しかしながら、別の実施形態によれば、センサ材料１２０がトリム静止位置にある状態で加速度センサ１００を作動させることも可能である。これは、機械的静止位置が、例えば製造公差に起因して、トリム静止位置に一致しない場合にも可能である。上述の閉ループを用いることによって、センサ材料をトリム静止位置に保持するリセット力が、センサ電極１６０および検出電極１７０により発生する。この時、正しい測定結果を得るために、電気的静止位置に対する偏差量が、コンピュータを用いて計算される。

他方、さらなる偏向に必要な加速度がトリム電圧から独立している中立位置に、センサ材料１２０の位置が保持されるように、センサ電極１６０と検出電極１２０との間に印加される電圧を介してセンサ材料１２０の位置を変化させることが可能である。上記位置は、概して、機械的ゼロ点と一致している。中立位置および対応する加速度は、加速度センサ１００の機能性の確認に役立つ特徴的なパラメータ対をともに形成する。特に、計算部によって電気的ゼロ点からの機械的ゼロ点の偏差を決定することができ、これにより、測定結果の歪曲、すなわちバイアスを決定および相殺することができる。

これは、例えば、図６に示す線図に基づき可能である。図６は、小さな偏向のためのトリム電圧の依存性における、センサ材料１２０を偏向するために必要な力Ｆの、場所ｘに対する依存性を示している。トリム電圧が印加されない場合、依存関係は、実線で示すように生じる。トリム電圧を増加させると、上記実線は、点線で示す通り、矢印Ａの動きに沿って中立点Ｎの周りを回転する。特定のトリム電圧において、発生した静電気力１４５がばね力１３５を完全に相殺し、これにより、偏向に必要な力Ｆが場所ｘから独立するようになる（図６における水平の点線Ｈ）。

そうすると、ｘ座標が中立位置に対応する中立点Ｎは、バイアスを決定するために使用され得る。必要とされる力Ｆの量および場所ｘは、センサ電極１６０および検出電極１７０の読み出しシステムに関して決定されるため、機械的ゼロ点と電気的ゼロ点との間のずれは、Ｎのｘ値と完全に一致する。このようにして、中立点Ｎの検出を通してバイアスを決定または制御することができる。

さらに、中立点Ｎを用いて、加速度センサ１００のエラーの有無を確認することができる。この目的のため、中立点Ｎは、加速度センサが作動される際、初めに決定される。中立点Ｎの位置が水平方向に変化する場合、これは、電極構造が変化していること、つまり、トリム電極１４０およびトリム電極１５０の位置または形状が不安定であること、もしくはセンサの電気的静止位置および検出電極が変化したこと、を意味する。しかしながら、中立点Ｎが垂直方向に変化する場合、電極構造（トリム電極１４０、トリム電極１５０、センサ電極１６０、および検出電極１７０）は、安定している。したがって、機械力に基づく変化は、例えば加速度センサ１００に用いられる材料の結晶構造のずれを引き起こす。

したがって、本発明に係る加速度センサは、加速度センサのばね硬度またはばね剛性を自由に調整することが可能であるのみではない。この自由な調整機能を有することから、例えば上記中立点Ｎのような、加速度センサの作動にとって重要なパラメータを決定することができ、加速度センサの信頼性が高まる。

Claims (10)

1. 加速度センサ（１００）であって、
   基板（１１０）上を移動軸（ｘ）に沿って移動可能に、ばね要素（１３０）を用いて取り付けられるセンサ材料（１２０）と、
   上記センサ材料（１２０）に結合される第１トリム電極（１４０）と、
   上記基板（１１０）に結合されるとともに、上記第１トリム電極（１４０）に関連付けられる第２トリム電極（１５０）と、を備えており、
   上記センサ材料（１２０）が上記移動軸（ｘ）に沿って偏向する際、上記センサ材料（１２０）に作用するばね力（１３５）が、上記ばね要素（１３０）によって発生し、
   上記センサ材料（１２０）が偏向する際、上記ばね力（１３５）に対抗する、上記センサ材料（１２０）に作用する静電気力（１４５）が、上記第１トリム電極（１４０）と上記第２トリム電極（１５０）との間におけるトリム電圧の印加によって発生し、
   上記第１トリム電極（２４０）の一部は、くし型電極として形成されており、上記第２トリム電極（２５０）は、電極板として形成されており、
   上記くし型電極の電極指を支持するくし型電極として形成されている、上記第１トリム電極（２４０）の各領域は、関連付けられている上記第２トリム電極（２５０）とともに、上記静電気力（１４５）を発生させるのに適した平板コンデンサを形成することを特徴とする、加速度センサ（１００）。
2. 上記センサ材料（１２０）に結合されるセンサ電極（１６０）と、
   上記基板（１１０）に結合されるとともに、上記センサ電極（１６０）に関連付けられる検出電極（１７０）と、を備えており、
   上記移動軸（ｘ）に沿った上記センサ材料（１２０）の偏向は、上記センサ電極（１６０）と、関連付けられた上記検出電極（１７０）との間の検出電圧の変化を通して、または上記センサ電極（１６０）および関連付けられた上記検出電極（１７０）における電荷の変化を通して決定され得ることを特徴とする、請求項１に記載の加速度センサ（１００）。
3. 上記センサ電極（２６０）の一部は、第１トリム電極（２４０）として形成されており、
   第１トリム電極（２４０）として形成されている上記センサ電極（２６０）と上記第２トリム電極（２５０）との間の上記トリム電圧は、上記センサ材料（２２０）の偏向を減衰させることを特徴とする、請求項２に記載の加速度センサ（２００）。
4. 上記第１トリム電極（２４０、３４０）は、上記移動軸（ｘ）に垂直な対称面に対して対称的に、上記センサ材料（２２０、３２０）上に配置されており、
   上記第２トリム電極（２５０、３５０）は、上記移動軸（ｘ）に垂直な対称軸に対して対称的に、上記基板（２１０）上に配置されていることを特徴とする、上記請求項１から３のいずれか１項に記載の加速度センサ（２００、３００）。
5. 上記第１トリム電極（１４０）および上記第２トリム電極（１５０）によって発生する上記静電気力（１４５）は、上記ばね要素（１３０）によって発生する上記ばね力（１３５）と等しいことを特徴とする、上記請求項１から４のいずれか１項に記載の加速度センサ（１００）。
6. 上記第１トリム電極（３４０）の一部は、電極板として形成されており、
   電極板として形成されている上記第１トリム電極（３４０）、および関連付けられている上記第２トリム電極（３５０）は、平板コンデンサを形成することを特徴とする、上記請求項１から５のいずれか１項に記載の加速度センサ（３００）。
7. 上記センサ材料（１２０）は、上記検出電圧を設定する間、さらなる偏向のために必要な加速度が上記トリム電圧から独立している中立位置に、上記検出電圧の設定を通して保持されることを特徴とする、請求項２から６のいずれか１項に記載の加速度センサ（１００）。
8. 演算部は、ばね力が上記センサ材料（１２０）に作用しない、上記センサ材料（１２０）の第１の位置の、上記センサ電極および上記検出電極によって発生する力が上記センサ材料（１２０）に作用しない、上記センサ材料（１２０）の第２の位置からの偏差を、上記中立位置に基づいて決定することを特徴とする、請求項７に記載の加速度センサ（１００）。
9. 演算部は、上記中立位置の変化とばね力の打ち消しに必要な上記トリム電圧の変化とに基づいて、上記加速度センサ（１００）のエラーを確認することを特徴とする、請求項７または８に記載の加速度センサ（１００）。
10. 上記加速度センサ（１００）は、微小電気機械システムであることを特徴とする、上記請求項１から９のいずれか１項に記載の加速度センサ（１００）。

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