(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極構造と第２の電極構造との間に配設された慣性プルーフマスを有する容量センサと、
前記第１の電極構造及び前記第２の電極構造のうちの一方に対し、正充電パルスの供給と負充電パルスの供給とを切換え可能な切換え回路と、
前記切換え回路の切換えを制御して、充電サイクル期間のうちの第１の期間に前記正充電パルス又は前記負充電パルスを前記第１の電極構造に供給し、前記充電サイクル期間のうちの第２の期間に、前記第１の電極構造に供給される充電パルスとは逆極性の充電パルスを前記第２の電極構造に供給することにより、前記容量センサの前記慣性プルーフマスに関するエラー信号を生成するコントローラと、
を備えるシステム。
【請求項２】
前記容量センサの前記第１の電極構造及び前記第２の電極構造から受け取った電荷を測定する測定回路を更に備える請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記充電サイクル期間の間に前記容量センサに適用すべき充電サイクルシーケンス又は放電サイクルシーケンスを記述する前記コントローラ用の少なくとも１つのフレームプロファイルを生成するシーケンサを更に備える請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記シーケンサは、前記容量センサを充電するための４つの電圧及び容量充電サイクルシーケンスを記述する４つのフレームプロファイルを生成し、それら４つの充電サイクルシーケンスは、１つのフレームプロファイルにおいてＶ１／Ｃ１とそれに続くＶ２／Ｃ２を含み、別のフレームプロファイルにおいてＶ２／Ｃ１とそれに続くＶ１／Ｃ２を含み、更に別のフレームプロファイルにおいてＶ１／Ｃ２とそれに続くＶ２／Ｃ１を含み、更に他の別のフレームプロファイルにおいてＶ２／Ｃ２とそれに続くＶ１／Ｃ１を含み、ここで、Ｖ１及びＶ２は実質的に同じ大きさであるが逆極性の電圧であり、Ｃ１は前記慣性プルーフマスに関して前記第１の電極に関連する容量であり、Ｃ２は前記慣性プルーフマスに関して前記第２の電極に関連する容量である、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記コントローラは、次式、
Ｄｉｆｆ＝２Ｃ０（Ｖ１−Ｖ２）＝４Ｃ０Ｖ０
に従って電荷差を確定し、ここで、Ｃ０は、前記慣性プルーフマスの変位がゼロであるときの前記第１又は第２の電極に関連する容量の値であり、Ｖ０は、前記容量センサに印加される略同じ大きさであるが逆の電圧Ｖ１及びＶ２を示す絶対値である、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記コントローラは、次式、
Ｓｕｍ＝２Ｃ０（Ｖ１＋Ｖ２）
に従って電荷の和を確定し、ここで、Ｃ０は、前記慣性プルーフマスの変位がゼロであるときの前記第１又は第２の電極に関連する容量の値であり、Ｖ１及びＶ２は、前記容量センサに印加される略同じであるが逆の電圧である、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記コントローラは、前記切換え回路の切換えを制御して、（ｔ＝Ｔ／２）で特定される前記フレームプロファイルの中心点に対して正及び負の時間方向に計算されたデューティサイクルに従って前記第１の電極構造及び前記第２の電極構造を放電させる、請求項３に記載のシステム。
【請求項８】
充電サイクル期間のうちの第１の期間に容量センサに対し第１の極性構成で充電パルスをプロセッサによって印加すること、
前記充電サイクル期間の前記第１の期間に前記容量センサからの第１の被測定電荷を前記プロセッサによって測定すること、
前記充電サイクル期間のうちの第２の期間に前記容量センサに対し前記第１の極性構成とは逆の極性構成で充電パルスを前記プロセッサによって印加すること、
前記充電サイクル期間の前記第２の期間に前記容量センサからの第２の被測定電荷を前記プロセッサによって測定すること、
前記第１の被測定電荷と前記第２の被測定電荷との電荷差を前記プロセッサによって測定して、前記電荷差を略ゼロに減少させるデューティサイクルを確定すること、
を備える方法。
【請求項９】
前記充電サイクル期間の間に前記容量センサに印加すべき前記第１の極性構成及び前記逆の極性構成を記述する少なくとも１つのフレームプロファイルを生成することを更に備える請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記容量センサを充電するための４つの電圧及び容量充電サイクルシーケンスを記述する４つのフレームプロファイルを生成することを更に備え、それら４つの充電サイクルシーケンスは、１つのフレームプロファイルにおいてＶ１／Ｃ１とそれに続くＶ２／Ｃ２を含み、別のフレームプロファイルにおいてＶ２／Ｃ１とそれに続くＶ１／Ｃ２を含み、更に別のフレームプロファイルにおいてＶ１／Ｃ２とそれに続くＶ２／Ｃ１を含み、更に他の別のフレームプロファイルにおいてＶ２／Ｃ２とそれに続くＶ１／Ｃ１を含み、ここで、Ｖ１及びＶ２は実質的に同じ大きさであるが逆極性の電圧であり、Ｃ１は慣性プルーフマスに関して第１の電極に関連する容量であり、Ｃ２は慣性プルーフマスに関して第２の電極に関連する容量である、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記電荷差を、次式、
Ｄｉｆｆ＝２Ｃ０（Ｖ１−Ｖ２）＝４Ｃ０Ｖ０
に従って確定することを更に備え、ここで、Ｃ０は、前記慣性プルーフマスの変位がゼロであるときの前記第１又は第２の電極に関連する容量の値であり、Ｖ０は、前記容量センサに印加される略同じ大きさであるが逆の電圧Ｖ１及びＶ２を示す絶対値である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記電荷差に基づくコマンドを発行して、前記容量センサに対してＶ１及びＶ２として切換えられる正電圧源及び負電圧源の大きさを調整することを更に備える請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
電荷の和を、次式、
Ｓｕｍ＝２Ｃ０（Ｖ１＋Ｖ２）
に従って確定することを更に備え、ここで、Ｃ０は、前記慣性プルーフマスの変位がゼロであるときの前記第１又は第２の電極に関連する容量の値であり、Ｖ１及びＶ２は、前記容量センサに印加される略同じであるが逆の電圧である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
加速度計であって、
第１の電極構造と第２の電極構造との間に配設された慣性プルーフマスを有する容量センサと、
前記容量センサに対して第１の極性構成で充電パルスを前記第１の電極構造に供給することと、前記容量センサに対して前記第１の極性構成とは逆の極性構成で前記充電パルスを前記第２の電極構造に供給することとを切換え可能な切換え回路と、
充電サイクル期間の間に前記容量センサの前記第１の電極構造及び前記第２の電極構造に供給すべき充電パルスの前記第１の極性構成及び前記逆の極性構成の順序を記述するフレームプロファイルを生成するシーケンサと、
前記シーケンサから受信した前記フレームプロファイルに基づき前記切換え回路の切換えを制御して、前記容量センサの前記慣性プルーフマスに関する加速度計エラー信号を生成するコントローラと、
を備える加速度計。
【請求項１５】
前記充電サイクル期間の間に前記容量センサに印加すべき前記第１の極性構成及び前記逆の極性構成を記述する前記コントローラ用の少なくとも１つのフレームプロファイルを生成するシーケンサを更に備える、請求項１４に記載の加速度計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、モーションセンサに関し、詳しくは、制御電圧及び充電シーケンスを利用して差分容量型モーションセンサの種々のパラメータの性能を最適化するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば加速度計等の力平衡型モーションセンサでは、機器出力信号が、検知される入力状態に比例することが一般に望ましい。したがって、多くのタイプの静電的及び電磁的力平衡型検知機器では、機器出力と機器入力との間の線形関係を得るために特別の手法が必要とされる。静電的及び電磁的機器では、機器フォーサによって印加される力は、フォーサに供給されるフィードバック電圧又は電流に線形に関連しない。更に、機器自体の最適動作のために、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、検知される入力と線形関係を有することが好ましい。そのため、特別な手法が、こうした線形性を得るために使用されてきた。
【０００３】
例えば、静電力平衡型加速度計では、閉ループシステム内において静電的フォーシングが使用されて振り子式慣性マス又はプルーフマスから出力を得る。静電的フォーシングシステムは、シリコン基板からエッチングされた振り子式部材のそれぞれの側に容量性ピックオフ電極を使用する。制御パルスが、各電極に一定量の電荷を順次付与するために使用される。電荷がそれぞれの構造上に残る時間量（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マスに印加される。電荷がそれぞれの構造上に残る時間量は、ヌル位置を基準とする慣性マスの変位に基づく。このタイプのフォーシングシステムは、一般に、サンプル及びホールド回路と、それに続く、それぞれの構造に残る電荷を測定する比較器エラー増幅器を必要とする。同様に、制御パルスは、適切なサンプリングを可能にするため、かなりの期間、構造上に残されるべきであり、そのことが、次に、加速度計の有効性を徐々になくさせる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６６９１５７２号明細書
【特許文献２】米国特許第７６１４３００号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１２／０２６５４８１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本開示は、制御電圧及び充電シーケンスを利用して、差分容量モーションセンサの種々のパラメータの性能を最適化するシステム及び方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一態様では、システムは、第１の電極構造と第２の電極構造との間に配設された慣性プルーフマスを有する容量センサを含む。切換えシステムは、第１の電極構造及び第２の電極構造のうちの一方に対して、正充電パルスの供給と負充電パルスの供給とを切換え可能である。コントローラは、切換え回路の切換えを制御して、充電サイクル期間のうちの第１の期間に正充電パルス又は負充電パルスを第１の電極構造に供給し、充電サイクル期間のうちの第２の期間に、第１の電極構造に供給される充電パルスとは逆極性の充電パルスを第２の電極構造に供給することにより、容量センサの慣性プルーフマスに関するエラー信号を生成する。
【０００７】
別の態様では、方法は、充電サイクル期間のうちの第１の期間に容量センサに対し第１の極性構成で充電パルスを印加することを含む。方法は、充電サイクル期間の第１の期間に容量センサからの第１の被測定電荷を測定することを含む。方法は、充電サイクル期間のうちの第２の期間に容量センサに対し逆の極性構成で充電パルスを印加することを含む。これは、充電サイクル期間の第２の期間に容量センサからの第２の被測定電荷をプロセッサによって測定することを含む。方法は、第１の被測定電荷と第２の被測定電荷との電荷差を測定して、その電荷差を略ゼロに減少させるデューティサイクルを確定することを含む。
【０００８】
更に別の態様では、加速度計は、第１の電極構造と第２の電極構造との間に配設された慣性プルーフマスを有する容量センサを含む。切換え回路は、容量センサに対して第１の電極構造に第１の極性構成で充電パルスを供給することと、容量センサに対する第２の電極構造に第１の極性構成とは逆の極性構成で充電パルスを供給することとを切換え可能である。シーケンサは、充電サイクル期間の間に容量センサの第１の電極構造及び第２の電極構造に供給すべき充電パルスの第１の極性構成及び逆の極性構成の順序を記述するフレームプロファイルを生成する。コントローラは、シーケンサから受信したフレームプロファイルに基づき切換え回路の切換えを制御して、容量センサの慣性プルーフマスに関する加速度計エラー信号を生成する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】制御電圧及び充電シーケンスを利用して、差分容量モーションセンサの種々のパラメータの性能を最適化するシステムの例を示す図である。
【図２】充電シーケンスのフレームプロファイルを生成して、差分容量加速度計の種々のパラメータの性能を最適化するシーケンサの例を示す図である。
【図３】制御電圧及び充電シーケンスを利用して、差分容量加速度計の種々のパラメータの性能を最適化する方法の例を示す図である。
【図４】制御電圧及び充電シーケンスを切換えて、差分容量加速度計の種々のパラメータの性能を最適化する例示的な切換え回路を示す図である。
【図５】差分容量センサについての入力加速度がゼロであるときの例示的な充電フレームプロファイルを示す例示的なタイミング図である。
【図６】差分容量センサについての入力加速度がゼロであるときの例示的な充電フレームプロファイルを示す例示的なタイミング図である。
【図７】差分容量センサについての入力加速度がゼロであるときの例示的な充電フレームプロファイルを示す例示的なタイミング図である。
【図８】差分容量センサについての入力加速度がゼロであるときの例示的な充電フレームプロファイルを示す例示的なタイミング図である。
【図９】差分容量センサについての入力加速度が正のほぼフルスケールであるときの例示的な充電フレームプロファイルを示す例示的なタイミング図である。
【図１０】差分容量センサについての入力加速度が正のほぼフルスケールであるときの例示的な充電フレームプロファイルを示す例示的なタイミング図である。
【図１１】差分容量センサについての入力加速度が正のほぼフルスケールであるときの例示的な充電フレームプロファイルを示す例示的なタイミング図である。
【図１２】差分容量センサについての入力加速度が正のほぼフルスケールであるときの例示的な充電フレームプロファイルを示す例示的なタイミング図である。
【図１３】差分容量センサについての入力加速度が負のほぼフルスケールであるときの例示的な充電フレームプロファイルを示す例示的なタイミング図である。
【図１４】差分容量センサについての入力加速度が負のほぼフルスケールであるときの例示的な充電フレームプロファイルを示す例示的なタイミング図である。
【図１５】差分容量センサについての入力加速度が負のほぼフルスケールであるときの例示的な充電フレームプロファイルを示す例示的なタイミング図である。
【図１６】差分容量センサについての入力加速度が負のほぼフルスケールであるときの例示的な充電フレームプロファイルを示す例示的なタイミング図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本開示は、制御電圧及び充電シーケンスを利用して、差分容量モーションセンサの種々のパラメータの性能を最適化するシステム及び方法に関する。システムは、差分容量センサを利用して、移動物体の加速度を確定するコントローラを含む。線形化アプローチが、センサの導出される位置エラー信号に関してセンサの非線形静電的フォーシング関数のために提供される。大きさが等しいが極性が逆の２つの電圧源が、同じ充電サイクル期間において利用され、センサの非線形性を軽減し、また同様に、関連するセンサエレクトロニクスのパラメータエラーを軽減するように容量を充電するエラー信号を生成するデジタル制御式フォーシング関数が提供される。充電サイクル期間中に同じ極性の充電パルスを印加する従来のシステムと対照的に、同じ充電サイクル期間中に逆の充電パルスを印加することによって、１つのセンサ容量は、エラー信号を生成するため、対向する容量に電荷を付与する前に放電される必要がない。これは、従来のサンプル及びホールド回路無しでセンサエラー信号を測定することを可能にする。その理由は、エラー信号が、センサ電荷測定値を確定する前に直前の電荷を保持することなくセンサから直接測定され得るからである。
【００１１】
逆極性の電圧及び充電パルスの組合せがセンサに印加され、センサ切換えを実施するために使用される電子コンポーネントが、電荷漏洩及び電荷漏洩に伴うセンサフォーシング関数のエラーをもたらす作用に対して感度を低くさせられる。例示的な方法は、適切な時間におけるセンサの接続及び切断による信号サンプリングを利用し、センサは、１次制御ループがモーション信号をモニターすることを可能にすると共に、２次制御ループが絶対スケールファクタ及びスケールファクタ非対称性補正を可能にする。方法はまた、逆極性の対称パルスが複数のシーケンスにわたって印加される（例えば、１つのシーケンスではプラス及びマイナス、また、別のシーケンスではマイナス及びプラス）ことを可能にすることによって、フルスケールの力がセンサの移動要素に作用するのを軽減し、２つの逆極性の電圧及び２つのセンサ容量の種々の置換が用いられる。
【００１２】
図１は、制御電圧及び充電シーケンスを利用して、差分容量モーションセンサの種々のパラメータの性能を最適化するシステム１００の例を示す。システム１００は、差分容量センサ（ＤＣＳ）１１０を含み、差分容量センサ（ＤＣＳ）１１０は、振り子（Ｐ）（慣性プルーフマスとも呼ばれる）に関して形成される第１のキャパシタ（Ｃ１）及び振り子に関して形成される第２のキャパシタ（Ｃ２）を有する。コントローラ１２０が使用されて、正及び負の電圧が第１及び第２のキャパシタＣ１及びＣ２にそれぞれ印加されるよう指令することによって振り子Ｐの移動を制御し得る。図示するように、コントローラ１２０は、正及び負の電圧をＤＣＳ１１０に印加するコマンドを切換え回路１３０に発行し、正及び負の電圧は、それぞれの充電サイクル期間中に印加されて、ＤＣＳ１１０から加速度を確定する。
【００１３】
本明細書において、充電サイクル期間は、充電電圧がセンサに印加され、センサからのエラー信号が確定される１つの期間を指す。充電サイクルシーケンスは、充電サイクル期間中にセンサに印加される充電パルスを指す。充電サイクルシーケンスは、一方のパルスが１つの極性であり他方のパルスが逆の極性である少なくとも２つの充電パルスがそのシーケンスで印加されることを常に記述する。充電サイクルシーケンスは、図２に関して以下でより詳細に述べるフレームプロファイルにおいて述べる。１つの充電サイクルシーケンスを記述する１つのフレームプロファイルは、充電サイクル期間ごとに実行される。複数の充電サイクル期間にわたる複数のフレームプロファイルの実行は、フレームシーケンスと呼ばれる。
【００１４】
測定回路１４０は、コントローラ１２０からの指令される正及び負の印加電圧コマンドに基づいて第１のキャパシタＣ１及び第２のキャパシタＣ２に付与される電荷（Ｑ）を確定する。測定回路１４０は、フィードバックキャパシタＣＱと、電荷Ｑの指示を行うためにアナログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄ）１６０を駆動する出力電圧ＶＱを有する積分器１５０とを含み得る。従来システムの場合と同様にＤＣＳ１１０の充電状態を確定するため、サンプル及びホールド回路は測定回路１４０によって使用されない。同様に、サンプルとホールドとの間の出力の差を測定するための電圧比較器等の他の回路要素もまた、測定回路１４０によって使用されない。その理由は、逆極性の充電パルスの印加が単一の充電サイクル期間中にＤＣＳ１１０に適用された後に、電荷測定がＡ／Ｄ１６０によって直接行われるからである。
【００１５】
コントローラ１２０内のシーケンサ１７０は、フレームシーケンス（例えば４つの充電サイクルシーケンス）にわたって第１のキャパシタＣ１及び第２のキャパシタＣ２に関して印加される逆極性の電圧の順序を循環させる。例えば、１つの充電サイクル期間では、Ｃ２が最初に正にパルス印加され、次いで、Ｃ２が同じ期間中に負にパルス印加される。別の充電サイクル期間では、Ｃ２が最初に正にパルス印加され、それに続いて、Ｃ１が負にパルス印加される。更に別の充電サイクル期間では、Ｃ１が最初に負にパルス印加され、それに続いて、Ｃ２が正にパルス印加される、等である。コントローラ１２０は、ＤＣ（Ｙ）で示すデューティサイクル出力コマンドを切換え回路１３０に発行する。デューティサイクル出力コマンドは、Ｃ１及びＣ２に付与される電荷によるＶＱからのエラー信号に基づいており、５０％デューティサイクルは、モーション（例えば、加速度）が現在のところ検出されないことを示す。
【００１６】
正又は負の電圧が所与の充電サイクル期間中に第１のキャパシタＣ１に印加される場合、逆極性の正又は負の電圧が同じ充電サイクル期間中に第２のキャパシタＣ２に印加される。Ｃ１及びＣ２に対する正又は負の電圧の印加は、充電サイクル期間中に取除かれて、測定回路１４０による第１及び第２のキャパシタの電荷Ｑの確定を可能にし、また、振り子Ｐの移動を制御するデューティサイクルＤＣ（Ｙ）の確定を可能にする。切換え回路１３０は、制御可能な電圧源Ｖ＋ＳＲＣ及びＶ−ＳＲＣを含む。電圧源からの出力は、切換えられて、Ｃ１及びＣ２に印加される正及び負の電圧を供給する。Ｖ＋ＳＲＣからの切換えられた出力はＶ１として示され、Ｖ−ＳＲＣからの切換えられた出力はＶ２として示される。切換えられる電圧Ｖ１及びＶ２は、Ｖ０と呼ばれる絶対電圧値（例えば、両方の電圧源は極性によらず１０ボルトの値に保持される）に厳密に保持されるべきである。
【００１７】
ＤＣＳ１１０は、ＤＣＳのＣ１に関連する上部電極構造とＣ２に関連する下部電極構造との間に配設されるプルーフマス（例えば、振り子Ｐ）を含む。本明細書において、構造という用語は、２つのプレートの一方を指すことができ、振り子が、上部電極プレートと下部電極プレートとの間に配設されて、例えば、２つのキャパシタＣ１及びＣ２を形成する。別の例では、構造という用語は、１つのキャパシタに関連する複数の交互配置された上側櫛指状部及び別のキャパシタに関連する複数の下側櫛指状部を有する櫛型構成を含むことができ、キャパシタは、振り子の移動に応答してその容量を変化させる。
【００１８】
プルーフマスは、上部電極構造及び下部電極構造に密接するがわずかに離間して配置され、それにより、第１のキャパシタＣ１は上部電極構造とプルーフマスから形成され、第２のキャパシタＣ２は下部電極構造とプルーフマスから形成される。一例では、システム１００は、切換え回路１３０として働くアナログの特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を含み得る。システム１００はまた、例えばコントローラ１２０として働くフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）含み得る。コントローラ１２０の第１の制御ループは、充電サイクル期間中にＣ１及びＣ２に付与される電荷（又は電圧）のデューティサイクルＤＣ（Ｙ）を調整することによって、振り子ＰをＤＣＳ１１０内で実質的に中心に保持するように確立される。ＤＣＳ１１０を制御するため、Ｃ１の上部電極及びＣ２の下部電極は、切換え回路１３０の内部の切換え回路によって正又は負電圧Ｖ１又はＶ２に結合される。
【００１９】
動作中、コントローラ１２０は、充電サイクル期間にわたってＶ１及びＶ２（正及び負）極性の電圧のそれぞれの量子化パルス再平衡型（ＰＲＢ）シーケンス又はパルスオンデマンド（ＰＯＤ）シーケンスを生成するように切換え回路１３０に指令する。コントローラ１２０は、Ｃ１及びＣ２のそれぞれの各構造に対して充電サイクル期間の過程にわたる異なる時間にそれぞれの正及び負の電圧Ｖ１及びＶ２を指令する。それぞれの各期間中に、積分器１５０は、充電サイクル期間の異なる時間中にＣ１及びＣ２上に蓄積される電荷（Ｑ）に関連する電圧ＶＱを生成する。電荷の間の差に応じて、コントローラ１２０は、この差を利用して、実質的にゼロのＣ１とＣ２との間の電荷差（したがって、振り子Ｐが静止状態にあることを示す）を達成するために必要とされる適切な充電サイクルデューティサイクルを、Ｖ１又はＶ２に充電されたいずれかのキャパシタについて生成する。したがって、適切な信号を生成し、正又は負の入力加速度の反対側の電極構造にその信号を印加することによって、１次制御ループは、振り子Ｐを調整することができ、それにより、振り子は、各充電サイクル期間中にそれぞれの各構造から実質的に同じ距離のままになる（中心配置される）。
【００２０】
図２に関して以下で示され述べられるように、シーケンサ１７０は、切換え回路１３０を制御するため代替の充電サイクルシーケンスを示す種々のフレームプロファイルを一フレームシーケンスにわたって生成し得る。Ｖ１が正の電圧を示し、Ｖ２が負の電圧を示す場合、Ｖ１／Ｃ１、Ｖ１／Ｃ２、Ｖ２／Ｃ１、及びＶ２／Ｃ２を示す４つの充電サイクルシーケンス（例えば、１フレーム当たり１つの充電サイクルシーケンス）が可能である。しかし、任意の所与の充電サイクル期間内に、キャパシタＣ１及びＣ２のそれぞれは、逆極性の電圧によって充電される（例えば、パルス印加される）。代替の充電サイクルシーケンスを記述する４つのフレームシーケンスは、順番に実行され得るか、また、以下で述べるように、ランダムに繰返されるか又は実行され得る。充電シーケンスをランダムに実行する場合、４サイクルフレームシーケンスにおいてＶ１／Ｃ１、Ｖ１／Ｃ２、Ｖ２／Ｃ１、及びＶ２／Ｃ２を示す４つ全ての充電の組合せが、その組合せの中の任意の所与の１つの充電を繰返す前に実行され得る。
【００２１】
１つ又は複数の２次制御ループ１８０は、コントローラ１２０によって実行され得る。２次制御ループ１８０は、例えば４つの連続する充電及び放電サイクルにわたって電荷データを蓄積することによってＤＣＳ１１０の絶対測定範囲及びスケールファクタを調節し安定化することが可能である。データを蓄積した後、コントローラ１２０は、Ｖ＋及びＶ−として示される電圧調整コマンドを切換え回路１３０に発行して、電圧源Ｖ＋ＳＲＣ及びＶ−ＳＲＣをそれぞれ増加又は減少させ得る。積分器１５０は、それぞれの連続する充電サイクル期間中にＶ１／Ｃ１、Ｖ１／Ｃ２、Ｖ２／Ｃ１、及びＶ２／Ｃ２の間のそれぞれの電荷を測定する。それぞれの連続する充電サイクルシーケンスのＶ１／Ｃ１、Ｖ１／Ｃ２、Ｖ２／Ｃ１、及びＶ２／Ｃ２の間のそれぞれの電荷値は、次に、Ａ／Ｄ変換器１６０に送信され、Ａ／Ｄ変換器１６０は、電荷のデジタル表現をコントローラ１２０に供給する。コントローラ１２０は、蓄積された電荷の和及び差の推定を実施して、２次制御ループ１８０用のエラー信号を生成し得る。
【００２２】
蓄積された推定は、コントローラ１２０によって利用されて、Ｖ１及びＶ２の発生を考慮する切換え回路１３０によってＶ＋ＳＲＣ及び／又はＶ−ＳＲＣ基準電圧を調整し得る。Ｖ１又はＶ２はスケールファクタに依存するため、スケールファクタは、ＤＣＳ１１０の絶対測定範囲を調節し、したがって、安定した設定点を設けることによってチップ容量、温度、公差、及び経年変化の変動を補償することができ、安定した設定点は、したがって、例えばチップ容量の任意の初期公差並びに温度及び経年変化に伴う任意の変化に無関係であることになる。Ｖ＋基準振幅電圧とＶ−基準振幅電圧との間に対称性を設けるため、２次制御ループ１８０はまた、スケールファクタ対称性を制御することが可能である。すなわち、Ｖ＋及びＶ−が、逆極性を有する実質的に同じ電圧（例えば、＋５Ｖ及び−５Ｖ）であることを保証することが図３に関して以下で述べられる。
【００２３】
処理する前に、少数の機械的／電気的関係が、以下の式で提供される。振り子Ｐの変位ｘと、変位ｘからの結果として生じる振り子の力と、フォーシング関数のデューティサイクルｙから生じるデルタ電荷Δｑが確定され得る。そのため、例えばＣ１が電圧Ｖ１に充電され、Ｃ２が電圧Ｖ２に充電される場合（又は、その逆も同様である）、２つのキャパシタの共通の中心電極で観測可能な、結果として生じるデルタ電荷Δｑ（例えば、電荷差）は、以下に基づいて確定され得る。
【００２４】
Ｃ１＝Ｃ０／（１＋ｘ／ｄ）  …式１
Ｃ２＝Ｃ０／（１＋ｘ／ｄ）  …式２
ここで、ｄは、キャパシタ構造間の距離であり、Ｃ０は、ｘがゼロに等しいときのＣ１又はＣ２の容量である。Ｃ１が電圧Ｖ１に充電され、Ｃ２が電圧Ｖ２に充電される場合、振り子Ｐに接続される２つのキャパシタの共通の中心電極で観測可能な、結果として生じるデルタ電荷Δｑは、
Δｑ＝Ｖ１Ｃ１＋Ｖ２Ｃ２＝Ｃ０［Ｖ１／（１＋ｘ／ｄ）＋Ｖ２／（１＋ｘ／ｄ）］  …式３
として示される。
【００２５】
ここで、Ｖ１＝Ｖ０及びＶ２＝−Ｖ０と仮定すると、観測されるデルタ電荷は、
Δｑ＝−Ｖ０Ｃ１×２×ｘ／ｄ／（１−（ｘ／ｄ）２）＝−ｋ１・ｘ／ｄ／（１−（ｘ／ｄ）２）  …式４
に簡略化された表現となる。ここで、ｋ１＝２Ｖ０Ｃ０である。
【００２６】
システム１００は、充電及び放電が実施されている間の振り子Ｐの変位によるＣ１及びＣ２の差に起因する出力電圧の的確な検出を可能にする。このエラー信号が処理され利用されて、入力加速度を相殺し、振り子をそのヌル位置に保持するための静電力の量子化パルス再平衡型（ＰＲＢ）又はパルスオンデマンド（ＰＯＤ）制御を可能にするため切換え回路１３０内のスイッチを制御し、それにより、システム１００について加速度を確定し得る。切換え回路１３０は、スイッチ、電力フィルタリング、並びに、調節用の制御可能な基準電圧源Ｖ＋ＳＲＣ及びＶ−ＳＲＣを含み、また同様に、別々に示す積分器１５０及びＡ／Ｄ変換器１６０並びに他の補助機能を含み得る。
【００２７】
充電サイクル期間にわたるＣ１及びＣ２を充電するシーケンス並びに信号サンプリングは、各充電サイクル期間中にＣ１及びＣ２上に置かれる絶対電荷の測定を可能にするように制御される。キャパシタ上に置かれるこれらの電荷は、その後、最初に接続された電圧源を取除くことによってフレーム期間のフォーシング期間中に不変に保たれる。電荷がどれくらいあるかを知ること及び電荷を一定に維持することは、力が今や振り子の変位に無関係になるため、振り子のパラメータの線形化についての必要性を軽減する。図２及び３は、絶対測定範囲並びにそれと共に機器スケールファクタ及びスケールファクタ対称性を設定し安定化させるための２次制御回路１８０がエレクトロニクス及びＤＣＳ１１０内の温度及び経年変化作用を補償するため、これがどのように達成され使用されるかについての説明を行う。
【００２８】
図２は、差分容量モーションセンサの種々のパラメータの性能を最適化するため、充電シーケンスのフレームプロファイルを生成するシーケンサ２００の例を示す。シーケンサ２００は、図１に関して上述したコントローラと共に使用されて、各充電サイクル期間中に容量センサに供給される逆極性の電圧を生成するように切換え回路に指令し得る。シーケンサ２００は、フレームプロファイル２１０〜２４０に示すフレームプロファイルの反復パターン（例えば、１、２、３、４、１、２、３、４）又はランダムパターン（例えば、１、３、４、２、４、２、１、３）を実行する。各プロファイルは、センサのそれぞれのキャパシタに印加される逆極性の電圧の少なくとも１つのセットを含む充電サイクルシーケンス、及び、振り子（検知又は移動マス）を静止状態に維持するため振り子を平衡させるための、計算されたデューティサイクルＤＣ（ｙ）に基づく放電シーケンスを含む。例えば、こうした電圧は、（ｔ＝Ｔ／２）で規定されるフレームプロファイルの中心点に対して正及び負の時間方向に計算されたデューティサイクルに従って第１の電極構造及び第２の電極構造を放電させるように、コントローラが切換え回路の切換えを制御するときに生成され得る。
【００２９】
４つより多いか又は少ないフレームプロファイル２１０〜２４０が、シーケンサ２００によって順番に配列され、コントローラによって実行され得るが、４つのフレームプロファイルが、キャパシタ構造及び電圧源の組合せの種々の充電サイクルシーケンスが周期的に実行されることを可能にし、それが、類似の／反復的なフォーシングパターンが使用される場合に、経時的に起こり得るパラメータエラーを克服する。フレームプロファイル２１０〜２４０によって特定される充電サイクルシーケンスは、１つのフレームプロファイルにおいてＶ１／Ｃ１とそれに続くＶ２／Ｃ２を含み、別のフレームプロファイルにおいてＶ２／Ｃ１とそれに続くＶ１／Ｃ２を含み、別のフレームプロファイルにおいてＶ１／Ｃ２とそれに続くＶ２／Ｃ１を含み、別のフレームプロファイルにおいてＶ２／Ｃ２とそれに続くＶ１／Ｃ１を含む。ここで、Ｖ１及びＶ２は実質的に同じ大きさであるが逆極性の電圧である。
【００３０】
以下、フレームシーケンスとして実行され得る４つの例示的なフレームプロファイルについて説明する。ここで、Ｃｏｍは、それぞれのフレームプロファイル内で充電サイクルシーケンスの１つの部分を実行するコマンドを指す。図３に関して以下で述べるように、幾つかのフレームプロファイルを実行した後、２次ループが実行されて、フォーシング電圧Ｖ１及びＶ２の調整を可能にし得る。簡潔にするため、以下の例示的なフレームプロファイルは、フレームプロファイルの開始時にキャパシタを充電することに関連するデータの取得を示すだけである。しかし、必要とされるデューティサイクルＤＣ（ｙ）を達成するための更なるユーティリティが、キャパシタがフレームプロファイル内で放電される時点又はフレームプロファイル内の他の所望の時間に関連するデータを同様に取得し処理することによって獲得される場合がある。
【００３１】
［フレームプロファイル１］
初期条件：Ｃ１及びＣ２は、サイクル（フレームレート）の開始時に電荷を持たない
Ｃｏｍ１１：ｔ＝０にて、電圧源Ｖ＋に接続して、キャパシタＣ１をＶ１に充電する
Ｃｏｍ２１：ｔ＝ｔ１にて、キャパシタＣ１から電圧源Ｖ＋を外し、Ｃ１をフローティング状態に維持する
Ｃｏｍ３１：ｔ＝ｔ２にて、Ｃ１上の電荷ｑ１１＝Ｖ１Ｃ１を示す出力電圧Ｖｑ１１＝Ｖ１Ｃ１／Ｃｑを測定する
Ｃｏｍ４１：ｔ＝ｔ３にて、電圧源Ｖ−に接続して、キャパシタＣ２をＶ２に充電する
Ｃｏｍ５１：ｔ＝ｔ４にて、キャパシタＣ２から電圧源Ｖ−を外し、Ｃ２をフローティング状態に維持する
Ｃｏｍ６１：ｔ＝ｔ５にて、デルタ電荷Δｑ１を示す出力電圧ＶΔｑ１＝Ｖｑ１１＋Ｖ２Ｃ２／Ｃｑを測定する
Ｃｏｍ７１：上記測定Ｖｑ２２＝Ｖ２Ｃ２／Ｃｑ＝Ｖｑ１１＋ＶΔｑ１を使用してＣ２上の電荷ｑ２２を計算する
Ｃｏｍ８１：ＶΔｑ１を使用して、主フィードバックループを閉じるのに必要なデューティサイクルｙ１を計算し、必要なｙ１に従ってＣ１及びＣ２を放電させることによりΔｑ＝０を達成する
このフレームプロファイル１の第１のサイクルは、Δｑ１及び電荷Ｖ１Ｃ１の測定値及びＶ２Ｃ２の計算値を生成する。
【００３２】
［フレームプロファイル２］
初期条件：Ｃ１及びＣ２は、サイクル（フレームレート）の開始時に電荷を持たない
Ｃｏｍ１２：ｔ＝０にて、電圧源Ｖ＋に接続して、キャパシタＣ２をＶ１に充電する
Ｃｏｍ２２：ｔ＝ｔ１にて、キャパシタＣ２から電圧源Ｖ＋を外し、Ｃ２をフローティング状態に維持する
Ｃｏｍ３２：ｔ＝ｔ２にて、Ｃ２上の電荷ｑ１２＝Ｖ１Ｃ２を示す出力電圧Ｖｑ１２＝Ｖ１Ｃ２／Ｃｑを測定する
Ｃｏｍ４２：ｔ＝ｔ３にて、電圧源Ｖ−に接続して、キャパシタＣ１をＶ２に充電する
Ｃｏｍ５２：ｔ＝ｔ４にて、キャパシタＣ１から電圧源Ｖ−を外し、Ｃ１をフローティング状態に維持する
Ｃｏｍ６２：ｔ＝ｔ５にて、デルタ電荷Δｑ２を示す出力電圧ＶΔｑ２＝Ｖｑ１２＋Ｖ２Ｃ１／Ｃｑを測定する
Ｃｏｍ７２：上記測定Ｖｑ２１＝Ｖ２Ｃ１／Ｃｑ＝Ｖｑ１２＋ＶΔｑ２を使用してＣ１上の電荷ｑ２１を計算する
Ｃｏｍ８２：ＶΔｑ２を使用して、主フィードバックループを閉じるのに必要なデューティサイクルｙ２を計算し、必要なｙ２に従ってＣ１及びＣ２を放電させることによりΔｑ＝０を達成する
このフレームプロファイル２の第２のサイクルは、Δｑ２及び電荷Ｖ１Ｃ２の測定値及びＶ２Ｃ１の計算値を生成する。
【００３３】
［フレームプロファイル３］
初期条件：Ｃ１及びＣ２は、サイクル（フレームレート）の開始時に電荷を持たない
Ｃｏｍ１３：ｔ＝０にて、電圧源Ｖ−に接続して、キャパシタＣ１をＶ２に充電する
Ｃｏｍ２３：ｔ＝ｔ１にて、キャパシタＣ１から電圧源Ｖ−を外し、Ｃ１をフローティング状態に維持する
Ｃｏｍ３３：ｔ＝ｔ２にて、Ｃ１上の電荷ｑ２１＝Ｖ２Ｃ１を示す出力電圧Ｖｑ２１＝Ｖ２Ｃ１／Ｃｑを測定する
Ｃｏｍ４３：ｔ＝ｔ３にて、電圧源Ｖ＋に接続して、キャパシタＣ２をＶ１に充電する
Ｃｏｍ５３：ｔ＝ｔ４にて、キャパシタＣ２から電圧源Ｖ＋を外し、Ｃ２をフローティング状態に維持する
Ｃｏｍ６３：ｔ＝ｔ５にて、デルタ電荷Δｑ３を示す出力電圧ＶΔｑ３＝Ｖｑ２１＋Ｖ１Ｃ２／Ｃｑを測定する
Ｃｏｍ７３：上記測定Ｖｑ１２＝Ｖ１Ｃ２／Ｃｑ＝Ｖｑ２１＋ＶΔｑ３を使用してＣ２上の電荷ｑ１２を計算する
Ｃｏｍ８３：ＶΔｑ３を使用して、主フィードバックループを閉じるのに必要なデューティサイクルｙ３を計算し、必要なｙ３に従ってＣ１及びＣ２を放電させることによりΔｑ＝０を達成する
このフレームプロファイル３の第３のサイクルは、Δｑ３及び電荷Ｖ２Ｃ１の測定値及びＶ１Ｃ２の計算値を生成する。
【００３４】
［フレームプロファイル４］
初期条件：Ｃ１及びＣ２は、サイクル（フレームレート）の開始時に電荷を持たない
Ｃｏｍ１４：ｔ＝０にて、電圧源Ｖ−に接続して、キャパシタＣ２をＶ２に充電する
Ｃｏｍ２４：ｔ＝ｔ１にて、キャパシタＣ２から電圧源Ｖ−を外し、Ｃ２をフローティング状態に維持する
Ｃｏｍ３４：ｔ＝ｔ２にて、Ｃ２上の電荷ｑ２２＝Ｖ２Ｃ２を示す出力電圧Ｖｑ２２＝Ｖ２Ｃ２／Ｃｑを測定する
Ｃｏｍ４４：ｔ＝ｔ３にて、電圧源Ｖ＋に接続して、キャパシタＣ１をＶ１に充電する
Ｃｏｍ５４：ｔ＝ｔ４にて、キャパシタＣ１から電圧源Ｖ＋を外し、Ｃ１をフローティング状態に維持する
Ｃｏｍ６４：ｔ＝ｔ５にて、デルタ電荷Δｑ４を示す出力電圧ＶΔｑ４＝Ｖｑ２２＋Ｖ１Ｃ１／Ｃｑを測定する
Ｃｏｍ７４：上記測定Ｖｑ１１＝Ｖ１Ｃ１／Ｃｑ＝Ｖｑ２２＋ＶΔｑ４を使用してＣ１上の電荷ｑ１１を計算する
Ｃｏｍ８４：ＶΔｑ４を使用して、主フィードバックループを閉じるのに必要なデューティサイクルｙ４を計算し、必要なｙ４に従ってＣ１及びＣ２を放電させることによりΔｑ＝０を達成する
このフレームプロファイル４の第４のサイクルは、Δｑ４及び電荷Ｖ２Ｃ２の測定値及びＶ１Ｃ１の計算値を生成する。
【００３５】
上述した構造的特徴及び機能的特徴を考慮して、本発明の種々の態様による方法が図３を参照してよりよく認識される。説明を簡略化するため、方法は順番に実行されるものとして示され述べられるが、幾つかの態様が、本発明に従って、本明細書で示され述べられる他の態様と異なる順序で及び／又は同時に起こる可能性があるため、示す順序によって制限されないことが理解され認識される。更に、示す全ての特徴が、本発明の或る態様による方法を実装するために必要とされない場合がある。本方法の種々の行為は、本明細書で述べる種々の行為又はコマンドを実行するための実行可能命令を持つように構成されるプロセッサ、コンピュータ、及び／又はコントローラ等によって自動的に実行され得る。
【００３６】
図３は、制御電圧及び充電シーケンスを利用して、差分容量モーションセンサの種々のパラメータの性能を最適化する方法３００の例を示す。３１０にて、方法３００は、実行される次のフレームプロファイルを得ることを含む。図２に関して先に述べたように、フレームプロファイルは、充電サイクルシーケンス及び測定期間を記述し、各充電サイクル期間中に、等しい電圧及び逆の電圧が容量センサの各容量構造に印加される。３２４にて、方法３００は、プロファイルにて特定される第１のセンサ構造に或る電圧を印加する。幾つかのプロファイルでは、キャパシタＣ１が最初に特定され、他のプロファイルでは、キャパシタＣ２が最初に特定される。方法３００の３３０にて、印加電圧が（例えば、図１の切換え回路１３０によって）取除かれ、センサ構造上の電荷が（例えば、図１の測定回路１４０によって）測定される。通常、図２に関して上述したように、電圧が取除かれるときとセンサ上の電荷が測定されるときとの間の時間遅延が充電サイクル期間内に存在する。
【００３７】
方法３００の３３４にて、３２４で印加された電圧と逆極性の電圧が第２のセンサ構造に印加される。そのため、Ｃ１が、３２４で印加される電圧を有する場合、Ｃ２は、３３４で印加される逆極性の電圧を有することになる。Ｃ２が、３２４で印加される電圧を有する場合、Ｃ１は、３３４で印加される逆極性の電圧を有することになる、等である。方法３００の３４０にて、印加電圧が、（例えば、図１の切換え回路１３０によって）第２のセンサ構造から取除かれ、Ｃ１及びＣ２のセンサ構造上の結果として得られる電荷差が（例えば、図１の測定回路１４０によって）測定される。通常、図２に関して上述したように、電圧が取除かれるときとセンサ上の電荷差が測定されるときとの間の時間遅延が充電サイクル期間内に存在する。
【００３８】
３４４にて、方法３００は、第１の測定電荷と第２の測定電荷との電荷差を測定すること、及び、電荷差をほぼゼロに減少させる（例えば、デルタＱ＝０）デューティサイクルを確定することを含む。３５０にて、方法３００は、充電／放電サイクルが終了したかどうかを判定する。３５０におけるこの判定は、通常、充電シーケンスを記述する４つのフレームプロファイルが実行された後に変化する。そのため、例えば４つの（又は他の所定の数の）フレームシーケンスが実行されなかった場合、方法は、３１０に戻るように進み、図示する１次制御ループを実行し続ける。３５０にて充電シーケンスが終了した（例えば、４つのフレームプロファイルが実行された）場合、方法は、３５４に進み、２次制御ループの実行を開始する。
【００３９】
方法３００の３５４にて、充電の組合せＶ１、Ｖ２、Ｃ１、及びＣ２にわたる電荷差の確定が行われる。ここで、Ｖ１及びＶ２は、同じ大きさであるが逆の電圧である。４つの連続するサイクルについてのＶ１及びＶ２に関連する電荷の差は、以下の例の場合と同様に計算され得る。平均して、Δｑ＝０（例えば、電荷差がほぼゼロである）が１次制御ループによって確立されるという条件下で、以下の仮定が行われ得る。
【００４０】
Ｄｉｆｆ＝（Ｖ１Ｃ１＋Ｖ１Ｃ２）−（Ｖ２Ｃ１＋Ｖ２Ｃ２）＝Ｖ１（Ｃ１＋Ｃ２）−Ｖ２（Ｃ１＋Ｃ２）  …式５
上記式１及び式２並びにｘ／ｄ＜＜１によって、Ｃ１＋Ｃ２＝２Ｃ０になるよう近似が行われることで、
Ｄｉｆｆ＝２Ｃ０（Ｖ１−Ｖ２）  …式６
が得られる。そして、Ｖ２＝−Ｖ１＝Ｖ０によって、更に、
Ｄｉｆｆ＝４Ｃ０Ｖ０＝４Ｑ０  …式７
が得られる。
【００４１】
平均して、これは、１次制御ループが、平均してｘ／ｄ＜＜１（Δｑ＝０）を可能にするのに十分な帯域幅で動作する場合の有効な条件として、Δｑ＝０に関する有効な仮定にされ得る。
【００４２】
方法３００の３６０にて、上記条件が、２次低帯域幅制御ループに関して施行されて、Ｖ１＝Ｖ０（Ｖ０はＶ１及Ｖ２の大きさ）が実質的にいつでも満たされることを確保するようＶ＋を調整し得る。これは、測定範囲及びスケールファクタが、チップ容量Ｃ０の変動を補償するように電圧Ｖ０を選択することによって設定されうることを確立する。Ｃ０が作製公差を有し、また同様に、温度及び経年変化によって変化するため、Ｖ＋及びＶ＋と共にＶ０を制御することによって、測定範囲及びスケールファクタは、チップ容量初期公差並びに温度及び経年変化による変化に無関係になるように選択され制御され得る。別の例では、Ｖ−が３６０にて調整されることができ、Ｖ＋は、その後、以下で述べるその後の行為において調整されることになる。
【００４３】
方法３００の３６４にて、充電の組合せＶ１、Ｖ２、Ｃ１、及びＣ２にわたる電荷差の確定が行われる。ここで、Ｖ１及びＶ２は、同じ大きさであるが逆の電圧である。この例示的な２次ループでは、例えば、４つの連続するフレームプロファイル中に配備される全ての電荷の和を計算する。
【００４４】
平均して、Δｑ＝０が１次制御ループによって確立されるという条件下で、以下の仮定が行われ得る。
Ｓｕｍ＝Ｖ１Ｃ１＋Ｖ１Ｃ２＋Ｖ２Ｃ１＋Ｖ２Ｃ２＝Ｖ１（Ｃ１＋Ｃ２）＋Ｖ２（Ｃ１＋Ｃ２）＝２Ｃ０（Ｖ１＋Ｖ２）  …式８
ここで、Ｖ１がＶ０に等しくなるようにＶ＋が制御され、Ｖ２が−Ｖ０に等しくなるようにＶ−が制御される場合、以下の条件式、
Ｓｕｍ＝２Ｃ０（Ｖ０−Ｖ０）＝０  …式９
が得られる。
【００４５】
上記条件が、２次低帯域幅制御ループに関して施行されて、Ｖ２＝−Ｖ１＝−Ｖ０が実質的にいつでも施行されることを確立するよう、３７０にてＶ−を調整し得る。Ｖ−が３６０にて調整された場合、Ｖ＋は、３７０で調整されて、式９に基づいてスケールファクタ対称性を提供し得る。３７０にて、２次制御ループが実行され終了した後、方法は、３１０に戻るように進んで、次のフレームプロファイルを取出す。図示しないが、方法３００はまた、期間の中心を基準にする放電時点を、その期間の開始及び終了に向かう正及び負の方向にデューティサイクルＤＣ（ｙ）に従って調整することを含み得る。こうして、方法は、移動マスに対する加速作用を相殺して、移動マスを電極の間に中心配置された状態に維持するための、必要とされる正又は負の残差電荷力を生成し得る。
【００４６】
図４は、制御電圧及び充電シーケンスを利用して、差分容量加速度計の種々のパラメータの性能を最適化する例示的な切換え回路４００を示す。回路４００は、上部構造（ＴＰ）４１６及び下部構造（ＢＰ）４１８を有する差分容量センサ４１４からの電荷を積分する積分器回路４１０を含む。パドル４２０は、上述した慣性マス又は振り子を示す。センサ４１４の種々の平面は、上部電極（ＴＥ）、上部シールド（ＴＳ）、パドル電極（ＰＥ）、下部シールド（ＢＳ）、及び下部電極（ＢＥ）を含む。センサ４１４の種々の寄生容量は４３０で示される。切換えネットワーク４４０が設けられて、４５０の電圧源Ｖ−及び４６０の電圧源Ｖ＋を上部及び下部電極４１６及び４１８にそれぞれ切換える。
【００４７】
図５〜１６は、差分容量センサについて異なる入力加速度を有する例示的な充電サイクルシーケンスを示す例示的なタイミング図を示す。例は、ゼロ、正、及び負のセンサ入力加速度について４つの連続する充電サイクルシーケンスについての考えられる充電シーケンスを示す。これらのシーケンスは、上述したように、加速度、絶対スケールファクタ、及びスケールファクタ対称性について１次及び２次制御ループを制御する信号の取得を可能にする。
【００４８】
例えば約１０ｋＨｚ（１００マイクロ秒）のフレームレート及び１０ビット（１０２４ステップ／フレーム）の所望の分解能を仮定すると、約１０ＭＨｚ（１００ナノ秒）のクロック周波数が供給され得る。他の時間フレーム及びレートも可能である。Ｒｏｎ＝１ｋΩの抵抗及びＣｌｏａｄ＝１００ｐＦ（チップ容量Ｃ０と浮遊／寄生容量を組合せたもの）に関する全切換えを仮定することは、（Ｔｑ）＝Ｒｏｎ＊Ｃｌｏａｄ＝１００ナノ秒の充電／放電時定数をもたらす。そのため、信号が、所与の充電サイクル期間内で約５０ｐｐｍに安定化するのに約１０（Ｔｑ）期間程度かかり得る。これは、フレームプロファイルによって特定される所与の充電サイクルシーケンスのｔ０とｔ１との間の時間並びにｔ３とｔ４との間の時間が約１マイクロ秒（１０クロックサイクル）程度であるべきであることを示す。これは、充電サイクルシーケンスの開始時の充電について２％よりわずかに大きい不安定範囲、及び、シーケンスの終了時の放電の安定化について約２％の不安定範囲をもたらし、加速度測定のために９５％よりわずかに大きい使用可能なフレームレートを残し得る。しかし、異なる設定条件下で、充電サイクルシーケンスの９５％より大きい利用が達成され得る。
【００４９】
図５〜８は、差分容量センサについての入力加速度がゼロであるときの例示的な充電サイクルシーケンスを示す例示的なタイミング図を示す。Ｖ１／Ｃ１、Ｖ２／Ｃ２、及びＶＱを示す信号は垂直軸上に示され、時間は水平軸に沿って示される。図５は、加速度がゼロであるときのＶ１／Ｃ１及びＶ２／Ｃ２の充電サイクルシーケンスを示す。図５に示すように、ｔ＝ｔ０＝０にて、電源Ｖ＋を接続して、キャパシタＣ１をＶ１に充電する。ｔ＝ｔ１にて、キャパシタＣ１から電圧源Ｖ＋を外し、Ｃ１をフローティング状態に維持する。ｔ＝ｔ２にて、Ｃ１上の電荷ｑ１１＝Ｖ１Ｃ１を示す出力電圧Ｖｑ１１＝Ｖ１Ｃ１／Ｃｑを測定する。ｔ＝ｔ３にて、電圧源Ｖ−に接続して、キャパシタＣ２をＶ２に充電する。ｔ＝ｔ４にて、キャパシタＣ２から電圧源Ｖ−を外し、Ｃ２をフローティング状態に維持する。ｔ＝ｔ５にて、デルタ電荷Δｑ１を示す出力電圧ＶΔｑ１＝Ｖｑ１１＋Ｖ２Ｃ２／Ｃｑを測定する。ＶΔｑ１に基づいてデューティサイクルＤＣ（Ｙ）を計算し、時間ｔ６＝（１＋Ｙ）Ｔ／２にてＣ１を放電させ、時間ｔ７＝ｔ３＋（１−Ｙ）Ｔ／２にてＣ２を放電させる。ここで、Ｔは１フレーム期間についての持続時間に等しい。
【００５０】
図６は、加速度がゼロであるときのＶ１／Ｃ２及びＶ２／Ｃ１の充電サイクルシーケンスを示す。ｔ＝ｔ０＝０にて、電源Ｖ＋を接続して、キャパシタＣ２をＶ１に充電する。ｔ＝ｔ１にて、キャパシタＣ２から電圧源Ｖ＋を外し、Ｃ２をフローティング状態に維持する。ｔ＝ｔ２にて、Ｃ２上の電荷ｑ１２＝Ｖ１Ｃ２を示す出力電圧Ｖｑ１２＝Ｖ１Ｃ２／Ｃｑを測定する。ｔ＝ｔ３にて、電圧源Ｖ−に接続して、キャパシタＣ１をＶ２に充電する。ｔ＝ｔ４にて、キャパシタＣ１から電圧源Ｖ−を外し、Ｃ１をフローティング状態に維持する。ｔ＝ｔ５にて、デルタ電荷Δｑ２を示す出力電圧ＶΔｑ２＝Ｖｑ１２＋Ｖ２Ｃ１／Ｃｑを測定する。ＶΔｑ２に基づいてデューティサイクルＤＣ（Ｙ）を計算し、時間ｔ６＝（１＋Ｙ）Ｔ／２にてＣ２を放電させ、時間ｔ７＝ｔ３＋（１−Ｙ）Ｔ／２にてＣ１を放電させる。ここで、Ｔは１フレーム期間についての持続時間に等しい。
【００５１】
図７は、加速度がゼロであるときのＶ２／Ｃ１及びＶ１／Ｃ２の充電サイクルシーケンスを示す。ｔ＝ｔ０＝０にて、電圧源Ｖ−に接続して、キャパシタＣ１をＶ２に充電する。ｔ＝ｔ１にて、キャパシタＣ１から電圧源Ｖ−を外し、Ｃ１をフローティング状態に維持する。ｔ＝ｔ２にて、Ｃ１上の電荷ｑ２１＝Ｖ２Ｃ１を示す出力電圧Ｖｑ２１＝Ｖ２Ｃ１／Ｃｑを測定する。ｔ＝ｔ３にて、電圧源Ｖ＋に接続して、キャパシタＣ２をＶ１に充電する。ｔ＝ｔ４にて、キャパシタＣ２から電圧源Ｖ＋を外し、Ｃ２をフローティング状態に維持する。ｔ＝ｔ５にて、デルタ電荷Δｑ３を示す出力電圧ＶΔｑ３＝Ｖｑ２１＋Ｖ１Ｃ２／Ｃｑを測定する。ＶΔｑ３に基づいてデューティサイクルＤＣ（Ｙ）を計算し、時間ｔ６＝（１＋Ｙ）Ｔ／２にてＣ１を放電させ、時間ｔ７＝ｔ３＋（１−Ｙ）Ｔ／２にてＣ２を放電させる。ここで、Ｔは１フレーム期間についての持続時間に等しい。
【００５２】
図８は、加速度がゼロであるときのＶ２／Ｃ２及びＶ１／Ｃ１の充電サイクルシーケンスを示す。ｔ＝０にて、電圧源Ｖ−に接続して、キャパシタＣ２をＶ２に充電する。ｔ＝ｔ１にて、キャパシタＣ２から電圧源Ｖ−を外し、Ｃ２をフローティング状態に維持する。ｔ＝ｔ２にて、Ｃ２上の電荷ｑ２２＝Ｖ２Ｃ２を示す出力電圧Ｖｑ２２＝Ｖ２Ｃ２／Ｃｑを測定する。ｔ＝ｔ３にて、電圧源Ｖ＋に接続して、キャパシタＣ１をＶ１に充電する。ｔ＝ｔ４にて、キャパシタＣ１から電圧源Ｖ＋を外し、Ｃ１をフローティング状態に維持する。ｔ＝ｔ５にて、デルタ電荷Δｑ４を示す出力電圧ＶΔｑ４＝Ｖｑ２２＋Ｖ１Ｃ１／Ｃｑを測定する。ＶΔｑ４に基づいてデューティサイクルＤＣ（Ｙ）を計算し、時間ｔ６＝（１＋Ｙ）Ｔ／２にてＣ２を放電させ、時間ｔ７＝ｔ３＋（１−Ｙ）Ｔ／２にてＣ１を放電させる。ここで、Ｔは１フレーム期間についての持続時間に等しい。
【００５３】
図９〜１２は、差分容量センサについての入力加速度が、正のほぼフルスケールであるときの例示的な充電サイクルシーケンスを示す例示的なタイミング図を示す。簡潔にするため、充電、デューティサイクル計算、及び放電サイクルシーケンスは、図５〜８に関して上述したものと実質的に同じであり、したがって、電圧印加及び時間の説明は省略される。図９は、加速度が正のほぼフルスケールであるときのＶ１／Ｃ１及びＶ２／Ｃ２の充電サイクルシーケンスを示し、図１０は、加速度が正のほぼフルスケールであるときのＶ１／Ｃ２及びＶ２／Ｃ１の充電サイクルシーケンスを示す。図１１は、加速度が正のほぼフルスケールであるときのＶ２／Ｃ１及びＶ１／Ｃ２の充電サイクルシーケンスを示し、図１２は、加速度が正のほぼフルスケールであるときのＶ２／Ｃ２及びＶ１／Ｃ１の充電サイクルシーケンスを示す。
【００５４】
図１３〜１６は、差分容量センサについての入力加速度が、負のほぼフルスケールであるときの例示的な充電サイクルシーケンスを示す例示的なタイミング図を示す。図１３は、加速度が負のほぼフルスケールであるときのＶ１／Ｃ１及びＶ２／Ｃ２の充電サイクルシーケンスを示し、図１４は、加速度が負のほぼフルスケールであるときのＶ１／Ｃ２及びＶ２／Ｃ１の充電サイクルシーケンスを示す。図１５は、加速度が負のほぼフルスケールであるときのＶ２／Ｃ１及びＶ１／Ｃ２の充電サイクルシーケンスを示し、図１６は、加速度が負のほぼフルスケールであるときのＶ２／Ｃ２及びＶ１／Ｃ１の充電サイクルシーケンスを示す。
【００５５】
上述した説明は例である。コンポーネント及び方法の考えられる全ての組合せを述べることが可能であるのではなく、多くの更なる組合せ及び置換が可能であることを当業者は認識し得る。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲を含む本出願の範囲に入る全てのこうした変更、修正、及び変形を包含することが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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