(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
容量型加速度計のオープンループ運転の方法において、前記容量型加速度計は、
加えられた加速度に応答して平面内の感知方向で直線的に移動可能なようにフレキシブルなサポート・レッグによって固定基板に取り付けられたほぼ平面状のプルーフ・マスと、
前記プルーフ・マスから延在し、感知方向にほぼ垂直で感知方向に間隔を有した第一及び第二の組の可動容量型電極フィンガと、
感知方向にほぼ垂直で感知方向に間隔を有した第一及び第二の組の固定容量型電極フィンガと、
を含み、
第一の組の固定容量型電極フィンガは第一の組の可動容量型電極フィンガとかみ合うように配置され、第二の組の固定容量型電極フィンガは第二の組の可動容量型電極フィンガとかみ合うように配置され、
ヌル位置が、加えられた加速度がゼロの場合のかみ合わされた固定容量型電極フィンガと可動容量型電極フィンガとの間隔と定義されており、
前記方法は、
加えられた加速度下で可動容量型電極フィンガを含むプルーフ・マスのヌル位置からの偏位を電気的に測定することを含む第一の運転モードと、
前記第一及び第二の組の可動容量型電極フィンガを含むプルーフ・マスをヌル位置から偏位させるために前記第一及び第二の組の固定容量型電極フィンガに静電気力を加えることと、生じた強制偏位を電気的に測定することとを含む第二の運転モードであって、前記第二の運転モードで前記固定容量型電極フィンガに前記静電気力を加えることが、同相のＰＷＭ駆動信号を前記第一の組の固定容量型電極フィンガに印加し、対応する逆位相のＰＷＭ駆動信号を前記第二の組の固定容量型電極フィンガに印加することを含む、第二の運転モードと、
を含み、
前記第二の運転モードの間の時間内で変化するマークスペース比のＰＷＭ駆動信号を印加することを含む、容量型加速度計のオープンループ運転の方法。
【請求項２】
前記第二の運転モードが前記強制偏位を前記静電気力に対して予測される偏位と比較することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記マークスペース比がｙサイクル毎にｘパルスに対して変わり、１≦ｘ＜ｙ、及びｙ＞１である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記マークスペース比が前記ｘパルスに対して１００：０である、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記強制偏位が前記ｙサイクル毎のｘパルスの間は測定されない、請求項３または４に記載の方法。
【請求項６】
前記第二の運転モードの前に初期運転モードを含み、前記初期運転モードは数サイクルの間一定のマークスペース比を有するＰＷＭ信号を印加することを含む、請求項１乃至５のうちのいずれかに記載の方法。
【請求項７】
ユーザ・コマンドで適用されるテストに対して前記第二の運転モードを開始することを含む、請求項１乃至６のうちのいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記加速度計の運転の間は前記第二の運転モードを連続的に適用することを含む、請求項１乃至６のうちのいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は容量型加速度計に関し、特に、オープンループ型の加速度計の感度をテストする方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
加速度計は、運動及び／または振動による加速力を測定するために広く使用される電気機械装置である。容量型加速度計は、地震感知、振動感知、慣性感知及び傾斜感知を含む応用における用途を見出し得る。容量型加速度計は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）として一般的に実装され、シリコンなどの半導体材料から製造され得る。容量型加速度計の一般的なＭＥＭＳ感知構造は、サポートに移動可能に取り付けられ、差動コンデンサを形成するように１つまたは複数の組の固定された電極フィンガとかみ合わされたプルーフ・マスから延在する一組の電極フィンガを備えたプルーフ・マスを含む。ＷＯ２００４／０７６３４０及びＷＯ２００５／０８３４５１は、ＭＥＭＳ装置の感知方向にほぼ垂直に延在する複数のかみ合わされた固定電極フィンガと可動電極フィンガとを含む容量型加速度計の実施例を提供している。感知構造の電極は適した駆動及びピックオフエレクトロニクスに接続される。
【０００３】
クローズドループ構成では、プルーフ・マスが加速度下で移動しないように慣性力をバランスさせる可変の静電気力を生成する変調された電圧信号で固定電極フィンガを駆動するようにエレクトロニクスが調節される。これはフィードバック信号を用い駆動信号を調節することで達成される。ＷＯ２００４／０７６３４０は、駆動信号のパルス幅変調（ＰＷＭ）を用いるクローズドループ構成で運転される加速度計の実施例を提供する。ＰＷＭ信号のマークスペース比を調節して可変のリバランス力を生成することができる。クローズドループ加速度計では感度を制御できるが、必要な駆動エレクトロニクス及びフィードバックループがこの装置の複雑さとコストを増大させる。
【０００４】
加速度計のオープンループ運転では、プルーフ・マスが、加速度下で自由に動くことができ、この動きは、加速度を表示する電圧を生成するために修正することができる出力（「ピックオフ」）信号を生成する。エレクトロニクスは、一定の正弦波信号または矩形波信号で固定電極フィンガを駆動するように配置される。オープンループ型の加速度計は、その設計の単純性から低価格の装置を提供するためにしばしば選択される。
【０００５】
加速度計の感度は、出力信号の変化に対する加速度の変化の比率である。加速度に対する加速度計の感度は、設定された信号（したがって、設定された動き）が設定された加速度を表示するように一定であると仮定される。しかし、実際の感度は使用する間に変化し得る。例えば、万一プルーフ・マスが使用の際に機械的に破損された場合、加速度計の感度は変わるはずである。加速度計は、ばね質量系であり、偏位が質量（プルーフ・マス及び可動フィンガの）とサポート・レッグの剛性の両方に依存する。出力電圧はプルーフ・マス及び加速度計の利得（例えば、可動フィンガの数や大きさ）の変位に依存し、これは、誤差が出力に入り得る２つの方法があることを意味している。
【０００６】
例えば、プルーフ・マスの電極フィンガまたはサポート・レッグが万一割れた場合、設定された加速度によって生成された電気的出力または偏位量は、フィンガ／レッグの剛性の変化及びゲイン変化の両方に起因する変位の変化によって変わるであろう。しかし、エレクトロニクスは、電気的または機械的な感度の変化に気づかず、したがって、不正確な測定を生じさせるであろう。したがって、使用の際に加速度計の感度をテストできることが望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
現在のオープンループ型の加速度計では、例えば、電気的ピックオフ信号の完全性をチェックするために加速度感知システムのエレクトロニクスのチェックを行うことができる。しかし、このチェックは物理的測定の終了時点で行われるので、加速度計の機械的感度の変化を考慮することができない。
【０００８】
加速度計に必要な感度は、加速度計の用途及び使用時のｇ範囲に依存する。低ｇ用途では、感度の変化はより大きな影響を持つであろう。例えば、自動車用途では、加速度計は、いつエアバッグが必要とされるのかを決めるのに用いられても良い。加速度計のサポート・レッグ／ばね（または他のプルーフ・マスの他の装備）に万一クラックがある時は、ほんの小さな加速度で大きな偏位を引き起こし、不必要にエアバッグを作動させ得る。これは危険であり、加速度計の感度を知り、使用の際に感度のいかなる変化も検出できることが重要である。
【０００９】
本開示は、オープンループ構成で運転される容量型加速度計の感度試験を提供しようと努める。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示の第一の態様によれば、容量型加速度計のオープンループ運転の方法が提供される。該容量型加速度計は、
加えられた加速度に応答して平面内の感知方向で直線的に移動可能なようにフレキシブルなサポート・レッグによって固定基板に取り付けられたほぼ平面状のプルーフ・マスと、
該プルーフ・マスから延在し、感知方向にほぼ垂直で感知方向に間隔を有した第一及び第二の組の可動容量型電極フィンガと、
感知方向にほぼ垂直で延在し感知方向に間隔を有した第一及び第二の組の固定容量型電極フィンガと、
を含み、
第一の組の固定容量型電極フィンガは第一の組の可動容量型電極フィンガとかみ合うように配置され、第二の組の固定容量型電極フィンガは第二の組の可動容量型電極フィンガとかみ合うように配置され、
ヌル位置が、加えられた加速度がゼロの場合のかみ合わされた固定容量型電極フィンガと可動容量型電極フィンガとの間隔と定義されており、
該方法は、
加えられた加速度下で可動容量型電極フィンガを含むプルーフ・マスのヌル位置からの偏位を電気的に測定することを含む第一の運転モードと、
前記第一及び第二の組の可動容量型電極フィンガを含む前記プルーフ・マスをヌル位置から偏位させるために前記第一及び第二の組の固定容量型電極フィンガに静電気力を加えることと、生じた強制偏位を電気的に測定することとを含む第二の運転モードと、
を含む。
【００１１】
本開示によれば、第一の運転モードで、プルーフ・マスと可動容量型電極フィンガは、加えられた加速度下で自由に偏位し得る。可動電極フィンガを含むプルーフ・マスの偏位を電気的に測定して、加えられた加速度を決定することができる。これは、静電気のリバランス力が加えられない標準のオープンループ型の加速度計の運転モードに対応する。
【００１２】
しかし、本開示によれば、該方法は、静電気力を用いて可動容量型電極フィンガを含むプルーフ・マスの予測可能な偏位をヌル位置から離し、次いで、この偏位を電気的に測定して使用時の感度をテストすることができる第二の運転モードをさらに提供する。この第二の運転モードは、加速度計の感度をその場でテストできるようにすることができる内蔵テスト（ＢＩＴ）を表す。このようなＢＩＴは、例えば、ＭＥＭＳ装置内における既存の感知構造を用いて行うことができ、追加のトランスデューサまたは機械部品を必要としないことが分かっている。既存のトランスデューサ、すなわち、固定容量型電極フィンガに追加的な静電気力を加えることによって、感度をテストすることができる。これは、加速度計内の機械的な変化（例えば、電極フィンガまたはサポート・レッグの損傷）及び／またはプロセスチャネルの感度誤差に起因する感度誤差の検出ができるようにする。
【００１３】
開示された第二の運転モードは加速度計の固定電極フィンガに静電気のリバランス力が加えられて可動電極フィンガを連続的にヌル位置に戻す偏位を生じさせるクローズドループ運転モードと区別することができることが理解されるであろう。
【００１４】
開示された方法の実施例では、第二の運転モードは前記強制偏位を前記印加された静電気力に対して予測される偏位と比較することを含む。強制偏位が予測された偏位の許容範囲のあらかじめ定められた範囲内にない場合は、この容量型加速度計には必要な感度がない、例えば、装置が使用の際に損傷した可能性があると判断され得る。万一この事態が発生した場合は、例えば、加速度計を修理すべきまたは取り替えるべきであることを示す警報を出すことができる。比較のための予測される偏位は、加速度計が正確に作動しているならば入力と出力が同じ（予測される許容範囲内で）であるはずであるので、印加された静電気力から計算され得る。
【００１５】
一連の実施例では、静電気力が、固定電極フィンガのすべてに同時に印加される。しかし、代替例の組の実施例では、静電気力が、固定電極フィンガのサブセットに印加される。したがって、ＢＩＴは、固定電極フィンガのサブセットに次々に静電気力を印加して一度にプループ・マスの一部をテストすることができる。テストは毎回局在化されるので、これは、欠陥のある電極フィンガまたはサポート・レッグの検出をより容易にし得る。
【００１６】
第一の運転モードで加えられた加速度を電気的に測定するために、一定の駆動信号（例えば５０：５０の矩形波または正弦波）を加速度計に印加しても良い。駆動波形は、加速度が加えられないときにプルーフ・マスがヌル位置に留まるように選択される。駆動信号は、加えられた加速度下でヌル位置から自由に偏位される可動フィンガを含むプルーフ・マスの全体の位置を変えない。駆動信号は、固定電極フィンガと可動電極フィンガとの間に電圧を印加させて、それらの電極フィンガに有効なコンデンサを形成させ、このコンデンサの静電容量は、プルーフ・マスと可動電極フィンガが偏位したときに変化する。これによってコンデンサを横切る出力電圧が変化し、次いで、この電圧が静電容量、したがって、可動電極フィンガを含むプルーフ・マスの偏位を決定するためにサンプリングされることができる。偏位は加えられた加速度に比例するので、適切なピックオフ回路によって電気的に測定することができる。第一の運転モードで加速度計に印加された駆動信号は、可動電極フィンガを含むプルーフ・マスをヌル位置から偏位させない。さらに、この駆動信号は、リバランシング力が加えられる加速度計のクローズドループ運転でのように、加速度計をヌル位置に戻すことはない。
【００１７】
一連の実施例では、第一の運転モードでの電気的測定はプルーフ・マスにＤＣオフセット電圧を印加することを含む。これは、電極フィンガ間のギャップが均一ではない場合に生成される静電気力を防ぐために用いられても良い。例えば、ＤＣオフセット電圧を、駆動電圧が５０：５０のマークスペース比となるときに駆動電圧の平均値に等しく設定されても良い。これは、いかなる静電気力も除去し、プルーフ・マス及び可動電極フィンガの偏位をプルーフ・マスの機械的特性によって設定できるようにする。このようなＤＣオフセット電圧をプルーフ・マスに印加することによって、等しく反対向きの静電気力がプルーフ・マスと２組の固定電極との間に印加される。なぜなら、両組の固定電極フィンガの平均電圧は、マークスペース比が同じときに等しいからである。
【００１８】
ＤＣオフセット電圧は、ピックオフ回路（例えばピックオフ・アンプ）の出力とプルーフ・マスとの間に接続された復元回路によって設定しても良い。加えて、ピックオフ・エレクトロニクスはＤＣ基準電圧を用いても良い。ＤＣ基準電圧は、プルーフ・マスに印加されるＤＣオフセット電圧に等しく設定しても良い。加えられた加速度下のプルーフ・マスの自由偏位によって引き起こされた電圧差だけが、第一の運転モードでピックオフ・エレクトロニクスによって測定されるであろう。
【００１９】
一連の実施例では、第二の運転モードでの電気的測定は、ピックオフ回路のＤＣ基準電圧を調節すること、例えば、ピックオフ回路のＤＣ基準電圧を０Ｖに低下させることを含む。ＤＣ基準電圧はピックオフ回路に接続された基準制御回路によって調節しても良い。ＤＣ基準電圧を次々に調節することによってプルーフ・マス上のＤＣオフセット電圧が、例えば、復元回路によって設定されたとおりに調節される。オフセット電圧を０Ｖに低下させることによって、プルーフ・マス及び可動電極フィンガを偏位させるために静電気力を印加できるようになる。これによって、プルーフ・マスの動力学が機械的な剛性等によって設定可能になり、正常なオープンループ運転で、さもなければ存在するいかなる静電効果によっても影響を受けない。
【００２０】
一連の実施例では、ＤＣオフセット電圧は第一及び第二の運転モードの両方で０Ｖとして設定しても良い。しかし、第一の運転モードでは、これは、加速度計の感度を機械的性質だけによってもたらされたものとは等しくさせないかもしれない。したがって、基準制御回路は、加速度計の動作の際、第一のモードの第一の値Ｖcmと第二のモードの第二の異なる値Ｖssとの間で基準電圧を切り替える。第二の値Ｖssは、ほぼ０Ｖで良い。
【００２１】
基準制御回路は、ピックオフ回路（例えば、ピックオフ・アンプ）からのサンプリングされた出力信号を入力として用いても良い。サンプルは、第二のモードの際、プルーフ・マスの強制偏位の測定がなされるときにのみサンプリングしても良い。一定のマークスペース比の信号が基準制御回路に入力として印加されるとき、ＤＣ基準電圧をサイクル毎にアップデートする場合があり、整定時間をより速くすることができる。これは、ピックオフ・アンプの飽和を防ぐのに役立つ可能性がある。なぜなら、基準制御回路と復元回路が存在するせいで、両者が同じ比率でアップデートするにつれてＤＣオフセット電圧とＤＣ基準電圧がより近接して一致するからである。
【００２２】
開示された方法の実施例では、この第二運転モードでこの固定容量型電極フィンガに静電気力を印加することは、パルス幅変調（ＰＭＷ）駆動信号を印加することを含む。ＰＷＭ駆動信号を印加することは、同相のＰＷＭ駆動信号を第一の組の固定容量型電極フィンガに印加し、対応する逆位相のＰＷＭ駆動信号を第二の組の固定容量型電極フィンガに印加することを含んでも良い。これによって、２つの組の電極フィンガによって生成された静電気力が変化して、それらはもはや等しく反対向きではなくなり、また、例えば、サポート・レッグの剛性及びピックオフ・トランスデューサのゲインに依存してプルーフ・マスと可動電極フィンガを偏位させることになる正味の力が生成される。一連の実施例では、ＰＷＭ駆動信号は、第二モードの際に時間的に一定のマークスペース比を有する。これは、クローズドループ構成でのフィードバックループによってコントロールされた、加えられた加速度に応じて変化する可変のマークスペース比とは異なる。この一定のマークスペース比は、任意の値、例えば、５０：５０、２５：７５、１０：９０をとっても良い。通常、１００：０のマークスペース比は、第一運転モードでの自由な偏位の測定を妨げるはずなので、連続して適用されない。ＰＷＭ駆動信号は、マークスペース比によって決定される強制偏位のサイズでプルーフ・マス及び可動電極フィンガの規則的な偏位をもたらす。上記で論じたように、この強制偏位は、加速度計の感度をテストするために電気的に測定することができる。しかし、この一定のマークスペース比は、全てのｇ範囲にわたって信頼できる感度テストをするのに十分なプルーフ・マス偏位をもたらすことができない。典型的なＭＥＭＳシステムでバックグラウンド・ノイズから感度テストを区別するためには、加速度計のｇ範囲の５％を越える加速度によって生じる、自由偏位と等価な強制偏位が必要とされ得ることが判明した。
【００２３】
一連の実施例では、このＰＷＭ駆動信号は、第二のモードの間で変化するマークスペース比を有する。クローズドループ構成でのフィードバックループに制御される可変マークスペース比とは異なり、このマークスペース比は、設定されたパターンで変えても良い。しかし、上述したように、マークスペース比はすべてのパルスに対して、例えば、９０：１０または９５：５を超えないことが望ましい。なぜなら、これは強制偏位の電気的な測定を妨害する場合があるからである。一連の実施例では、マークスペース比は、ｙ周期毎にｘパルスに対して変化する。ここで、１≦ｘ＜ｙ、及びｙ＞１である。さらなる一連の実施例では、マークスペース比は、このｘ個のパルスに対して１００：０である。ｙ周期毎にｘパルスに対して１００：０のマークスペース比を適用することによってｙ周期に対する有効なマークスペース比が増大される。これによって、同じ動作電圧でより大きな偏位が生成できるようになる。設定された動作電圧に対して生成され得る偏位は、ピックオフ回路の整定時間によって制限される。より大きなマークスペース比には、ピックオフ回路のより速い整定時間が必要であり、一定のマークスペース比のシステムでは、ピックオフ出力が落ち着き正確に測定されるようにするより大きなマークスペース比を備えた十分な時間が存在し得ない。より速い整定時間に対する要求は、代わりに、ＰＷＭ駆動信号の振幅を増大させ、したがって、マークスペース比の要求される範囲を低下させることによって、減少させることが可能であるが、これは、望ましくない高い回路電力消費をもたらすであろう。加えて、低電圧ＣＭＯＳプロセスには実現可能となり得ない。しかし、上記のように、ｙサイクル毎にいくつかのｘパルスに対して１００：０の可変のマークスペース比を適用することによって、より速い整定時間またはより高い電圧駆動信号に対する要求なしで、より大きな偏位を生成することができる。
【００２４】
例えば、４番目のサイクルが７５：２５のマークスペース比を有した４サイクルの３パルス毎に１００：０のマークスペース比を適用するシステムでは、９３．８：６．３の有効マークスペース比が生成され、これは、典型的な約３．６ＶのＭＥＭＳ動作電圧で一定のマークスペース比を用いて生成され得るものより高い。もちろん、１００：０ほど大きくないがピックオフ・エレクトロニクスの整定時間を可能にする比より大きな他のマークスペース比を適用することによっていくつかの利益を達成することもできる。例えば、マークスペース比は、ｙサイクル毎にｘパルスの場合、９５：５、９０：１０、８５：１５、または８０：２０であっても良い。もちろん、このようなマークスペース比の任意の組み合わせを適用して所望の有効なマークスペース比を達成しても良い。異なるレベルの強制偏位を生成するであろうパルス・シーケンスの様々な組み合わせを想定することができる。
【００２５】
一連の実施例では、第二の運転モードで、この強制偏位はこのｙサイクル毎のｘパルスの間は測定されない。ｘパルスの間に強制偏位を測定することは、偏位に対する不正確な値を生成し、したがって、見かけ上の感度を変化させるはずである。
【００２６】
一連の実施例では、一方向を超える方向で偏位が増大するようにＰＷＭ駆動信号が印加される。これは、第一の組の固定電極フィンガ及び第二の組の固定電極フィンガにそれぞれ印加される同相のＰＷＭ駆動信号及び逆位相のＰＷＭ駆動信号のマークスペース比を変更することによって達成され得る。例えば、増加したマークスペース比（例えば、８０：２０）が一方向に偏位を起こし、一方で、対応する減少した比（例えば、２０：８０）が反対方向に偏位を起こす場合がある。これは、一方向のみの偏位を用いては現れてこない場合がある任意の欠陥（例えば、可動電極フィンガ内のクラック）をチェックするのに使用しても良い。
【００２７】
一連の実施例では、第二の運転モードは、加速度のｇ範囲の１０％〜９０％、さらに、３０％〜７０％の間で加えられた加速度によって生じる自由偏位と等価な強制偏位を生成するように調整された静電気力を印加する。これによって、ＢＩＴによって生じた強制偏位が、例えばバックグラウンド・ノイズによって生じたデバイスの許容範囲内で許容され得る他の変動と容易に区別できるようになる。
【００２８】
一連の実施例では、第二の運転モードは、加速度計の感度をテストするために加速度計の運転全般にわたって適用しても良い。しかし、一連の実施例では、方法は、第二の運転モードの前に適用される初期運転モードをさらに含み、この初期運転モードは、第二の運転モードを適用する前に数サイクルに対して一定のマークスペース比のＰＷＭ信号を印加することを含む。初期運転モードは、システムの全体的な整定時間を低減させる働きをする。最初に一定のマークスペース比を適用することによって、プルーフ・マスと可動電極フィンガが偏位を開始する。数サイクル後に、例えば、使用されるマークスペース比に依存して可動フィンガの偏位が安定する場合がある。次いで、可変のマークスペース比を第二の運転モードの際に適用してプルーフ・マスと可動電極フィンガをさらに強制偏位させることができる。
【００２９】
小さな偏位を生じさせ、次いで、後段でそれを増大させることによって（段階的に、マークスペース比を増大させることによって）、整定時間を低減させても良い。初期に１００：０のマークスペース比を使用するとピックオフ・エレクトロニクスが飽和し、それによって、整定時間が増加するが、初期に、より低いマークスペース比を使用することによってこの飽和を低減させ、整定時間を減少させることができる。初期運転モードの間は、信号をサンプリングすることができない。なぜなら、この運転モードは、ＢＩＴが実行できる前、すなわち、第二の運転モードが使用される前に所望の偏位に到達するように用いられているからである。したがって、初期運転モードの間は強制偏位を測定することができない。
【００３０】
開示された方法の一連の実施例では、第二の運転モードが、ユーザ・コマンドで適用されるテスト（ＣＢｉｔ）に対して開始される。これは、例えば、規則的な間隔で及び／またはユーザによるコマンドがあったときにホストシステムによって開始されても良い。
【００３１】
一連の実施例では、第二の運転モードが、加速度計の運転の間に連続して適用される。このテストモードは、ユーザのコマンドがあった時だけ動作する代わりに、加速度計が運転されている間、バックグラウンドで動作しても良い。このような実施例では、加速度計のホストシステムは、問題があるとき、すなわち、強制偏位が予測される偏位の予め定められた間隔内にないときにだけテストモードに気付く。次いで、ホストシステムは、加速度計のエレクトロニクスから警報を受信し、感度が変化したことを示す。これは、加速度計を修理しまたは置き換えなければならないことを示すときに採用しても良い。
【００３２】
一連の実施例では、加速度計は、第一の運転モードまたは第二の運転モードのいずれか一方で動作する。加えられた加速度を電気的に測定している間にテストは行われず、テスト時に加えられた加速度を電気的に測定しない。これらの実施例では、印加された静電気力により生じた強制偏位が、その時点でのプルーフ・マスと可動電極フィンガの唯一の偏位である。例えば、第一の運転モードを第二のモードと規則的に交代するように配列させても良い。例えば、第二のモードは４つの駆動クロックサイクルの全てのサイクルに対して静電気力を印加する。
【００３３】
追加的にまたは代替的に、第二の運転モードを第一の運転モードと同時に適用  しても良い。このような状況では、可動電極フィンガを含むプルーフ・マスは、加えられた加速度によりヌル位置から自由偏位し、そしてさらに、第二の運転モードによって印加される静電気力によりヌル位置から強制偏位する可能性がある。強制偏位は、加えられた加速度が同時に測定されている場合にさえ、感度をテストすることができるように電気的に測定され、自由な偏位から分離する可能性がある。加えられた加速度が第二の運転モードの間でほぼ一定の場合は、感度を同時にテストするほうが簡単であり得る。
【００３４】
運転モードが交互になるか同時になるかにかかわらず、開示された方法は、加速度計の通常の動作に影響を与えることなく、かつ、信号の性能を変えることなく、感度誤差の連続的な検出をできるようにすることができる。
【００３５】
一連の実施例では、第一の運転モードと第二の運転モードは別個の信号処理チャネルを有している。これは、２つの偏位を別個に測定し処理するのをより容易にし得る。しかし、代わりの一連の実施例では、単一の信号処理チャネルのみが存在し得る。例えば、自由偏位と強制偏位の測定を別々に提供するために、信号をデジタル・ドメイン内でディジタル化し処理し得る。
【００３６】
一連の実施例では、第一及び第二の運転モードが共通のクロック信号を使用する。これは、クロック信号の欠陥があるかどうかを決定するためにＢＩＴを使用したクロック信号のテストを可能にし得る。共通のクロック信号は第一の運転モードから得ても良い。
【００３７】
一つまたは複数の非限定的な実施例を添付の図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１ａ】加速度計の従来技術の形態を示す。
【図１ｂ】加速度計の従来技術の形態を示す。
【図２】本開示による加速度計システムの概略図を示す。
【図３】本開示による代替の加速度計システムの概略図を示す。
【図４ａ】第一の運転モードの例示的な駆動信号を示す。
【図４ｂ】第二の運転モードに使用する例示的なパルス幅変調（ＰＷＭ）駆動信号を示す。
【図５】本開示の態様による第二の運転モードに使用する代替のＰＷＭ駆動信号を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
図１ａは、ＷＯ２００５／０８３４５１に示されたものに類似した容量型加速度計１０１の先行技術形態を示す。加速度計１０１は、プルーフ・マス１０２及びプルーフ・マス１０２の両側に対で配置された４つの固定電極１０４、１０６を有する。プルーフ・マス１０２は、複数の組の可動電極フィンガ１０８に接続される。これらの電極フィンガ１０８は、固定電極１０４、１０６から延在する対応する組の固定電極フィンガ１１０、１１２とオフセットしてかみ合わされる。電極フィンガ１０８、１１０、１１２は、シリコン基板にトレンチをエッチングすることにより形成される。プルーフ・マス１０２は、その本体から延在しアンカ・ポイント１１６で固定された一組のサポート・レッグ１１４も有する。プルーフ・マス１０２は、加えられた加速度に応答して平面内の感知方向に固定電極１０４、１０６に対して移動することができる。二組の固定電極フィンガ１１０、１１２は、両方向の移動が測定できるように、反対方向のプルーフ・マス１０２フィンガ１０８からオフセットされている。これらのオフセットはサイズが同一であっても良い。このオフセットは、感知方向（両矢印で示す）に平行である。
【００４０】
加速度計１０１が使用される時、加速度は、プルーフ・マス１０２とその電極フィンガ１０８を固定電極１０４、１０６に対して感知方向に移動させる。オープンループ運転では、これは、プルーフ・マス・フィンガ１０８と固定電極フィンガ１１０、１１２との間のオフセットを変化させる。この変化は、システムの差動容量を変化させるので、加速度の計算に使用することができる。加速度は、感知方向、すなわち、電極フィンガ１０８、１１０、１１２に垂直な方向でのみ測定することができる。なぜなら、加速度は、それを測定可能にする相対的なオフセットを変化させるこれらのフィンガの運動であるからである。
【００４１】
図１ｂは、従来技術の加速度計の代替形態を示す。ここでは、プルーフ・マス１２０は、加速度計の外側フレームの形態をとり、フレームの内部にある固定電極１２２、１２４を備える。これは、図１ａの構成の逆の構成である。プルーフ・マス・フレーム１２０は、固定電極１２２、１２４の上と下で２つの中心点１２６、１２８でアンカリングされたフレキシブル・レッグ１２６ａ、１２６ｂ、１２８ａ、１２８ｂ上で支持される。フレーム１２０から延在しているのは、オフセットして固定電極１２２、１２４から延在する固定電極フィンガ１３２、１３４とかみ合ったいくつかの可動電極フィンガ１３０である。図１ａのように、電極フィンガ１３０、１３２、１３４は、ほぼ同じ距離だが反対方向に感知方向（両矢印で示す）にオフセットして平行になっている。
【００４２】
図２は、本発明による加速度計システムの概略図を示す。加速度計の感知構造２０１は、プルーフ・マス２０４（ここで、ばね質量系として模式的に示す）の可動電極フィンガとかみ合わされた電極フィンガを有する固定電極２０２を含む。プルーフ・マス２０４の可動電極フィンガは、処理装置２０８に接続されたピックオフ・アンプ２０６に接続される。復元回路２０７がピックオフ・アンプ２０６の出力とプルーフ・マス２０４との間に接続される。これはオープンループ加速度計の標準的な構成であり、第一の運転モードで使用される。さらに、第一の運転モードで測定され第二の運転モードの静電気力を提供できるようにするために、２つの駆動アンプ２１０が固定電極２０２に接続される。基準制御回路２０９は、処理装置２０８の出力とピックオフ・アンプ２０６への基準電圧入力２１１との間にフィードバックループを形成する。基準電圧入力２１１は、第一のモードの標準基準電圧Ｖcmと第二のモードの調節された基準電圧Ｖssとの間で切り替えることができる。
【００４３】
使用時では、第一の運転モードで、プルーフ・マス２０４は、外部から加えられた加速度下で自由に動くことができる。加速度計を駆動する方法は、図４ａを参照して述べられており、ここでは、５０：５０の矩形波の形状のオープンループ駆動信号が実例で示されている。さらに、復元回路２０７をプルーフ・マス２０４にＤＣオフセット電圧を印加するために使用しても良い。ピックオフ・アンプ２０６は、プルーフ・マス２０４からのオープン・ループ・ピックオフ電圧をＤＣオフセット電圧と等しく設定された基準電圧Ｖcmと比較する。ピックオフ・アンプ２０６は、プルーフ・マス２０４がヌル位置から偏位したかどうかを判断するために加速度計からの出力電圧（すなわち、オフセット電圧）をサンプリングする。オフセット電圧と基準電圧Ｖcmは加速度が加えられない時に、同じ振幅を持つようにコントロールされる。ピックオフ・アンプ２０６は、５０：５０の駆動信号の平均電圧と名目上同じである基準電圧Ｖcmに設定される。これは、電極フィンガ間の不均一なギャップによって生成され得るあらゆる静電気力を除去する。オフセット電圧と基準電圧Ｖcmとの間の差は、ピックオフ・アンプ２０６によって決定されたとき、加えられた加速度に比例し、したがって、オープンループで加えられる加速度を決定するために使用することができる。サンプリングされた出力電圧は、システムによって出力される前に、処理装置２０８内で処理される。
【００４４】
本開示によれば、第二の運転モードで、２つの駆動アンプ２１０が固定電極２０２を含むプルーフ・マスに異なる電圧Ｖddを印加することができるように、ピックオフ・アンプ２０６は入力をＶssに対してオフセットさせている。これによって、プルーフ・マスと可動電極フィンガ２０４が強制的に偏位される。次いで、この強制偏位は、ピックオフ・アンプ２０６を使用してプルーフ・マス２０４からのピックオフ電圧と基準電圧Ｖssとの間の差を決定することにより、及び第一の運転モードでのような処理装置２０８を使用して測定することができる。基準電圧は、基準制御回路２０９を使用して、ＶcmからＶssに切り替えられることができる。これにより、プルーフ・マス２０４上のオフセット電圧が次々に変えられる。
【００４５】
ＶcmからＶssへの切り替えは、静電気力が印加できるようにしてプルーフ・マスと可動フィンガ２０４を偏位させ、ピックオフ・アンプ２０６の出力を飽和させ得るはずである。このシステムは、最初、経時的に一定、例えば、２５：７５に留まるマークスペース比を有する同相及び逆位相のＰＷＭ駆動信号が印加される運転モードで運転される。第二の運転モードでｙサイクル毎にいくつかのｘパルスに対しては１００：０である可変のマークスペース比を適用する前に、固定のＰＷＭ状態を使用することによって（以下で詳細に説明するように）、ピックオフ・アンプのＤＣ復元回路２０７がサイクル毎にサンプリングし更新できるようになり、したがって、第二の運転モードで印加されるＰＷＭ駆動信号につき可変のマークスペース比に直接切り替えることと比較して整定時間を低減させる。基準制御回路２０９は、第二の運転モードが使用されるとき、基準電圧をＶssに変化させるのに使用される。
【００４６】
自由偏位と強制偏位の両方が測定され、これらは、運転モードに応じて異なる方法で処理をされる。自由偏位と強制偏位は処理中別個にすることができるので、全ての処理は同じ処理装置２０８で実施される。この処理は、デジタル・ドメインで行われても良い。異なる偏位方向を決定するために、適切な復調と検出の方式が使用される。
【００４７】
一旦強制偏位が第二のモードで決定されたならば、この偏位は基準偏位と比較することができる。これは、例えば、予測値のデータベースと比較すること、または、出力電圧を入力電圧と直接比較することによって、いくつかの異なる方法で実行しても良い。異なる許容差が異なるシステムで要求されるので、基準値と比較する方法は使用中のシステムに依存する。測定された強制偏位が偏位の許容された予測範囲内にある場合は、加速度計は正確に動作しているとみなされる。しかし、測定された強制偏位が許容差外にある場合は、加速度計に対して問題、例えば、サポート・レッグのクラック、があることが考えられ、加速度計を修理または交換しなければならないとの警報が出される。偽警報の数を減らすために、各比較では、バックグラウンド・ノイズが考慮される。コマンドされたＢＩＴ（ＣＢｉｔ）が使用される場合は、自由偏位が測定される（すなわち、第一のモード）時間、及び強制偏位が測定される（すなわち、第二のモード）時間が定められているので、共有される処理装置を容易に使用することができる。
【００４８】
図３は、代替の加速度計システムの模式図を示す。基本的な配置は、図２と同じである一方、この実施例では、２つの処理装置２２０及び２２２がある。使用時に、ピックオフ・アンプ２０６によって測定された信号は、第一の運転モードからのものを装置２２０で、第二の運転モードからのものが装置２２２で、別々に処理される。第二の運転モードのＢＩＴが自由偏位と区別されるために、各処理装置２２０、２２２は他方の処理チャネルが動作している間、保持される。なぜなら、この２つのいかなる混合もＢＩＴに対する偽警報及び加えられた加速度の不正確な測定の両方を生じさせる恐れがあるからである。これは、ＢＩＴが、例えば、４サイクル毎に動作している状態で、２つの運転モードが同時に動作している場合に特に重要である。制御信号２２１が２つの処理装置２２０、２２２の間で通信するためと、２つの処理装置２２０、２２２のどちらを動作させるかを制御するために使用される。
【００４９】
図４ａは、第一の運転モードで測定するのに使用しても良い例示的な駆動信号を示す。第一の駆動アンプを駆動させる同相の信号と、第二の駆動アンプを駆動させる逆位相の信号を備える５０：５０のマークスペース比の矩形波信号が使用される。矩形波信号のマークスペース比が５０：５０なので、加速度計はプルーフ・マス３０２が固定電極３０４間で均等に間隔を置かれた状態でヌル位置にある。プルーフ・マス３０２の位置が信号のマークスペース比によって決定されるので、駆動信号の振幅がプルーフ・マス３０２の位置を変えることはない。この駆動信号は、加えられた加速度下でプルーフ・マス３０２が偏位するのを妨げないので、第一の運転モードに使用することができる。加速度計に矩形波信号を印加することによって、電圧が電極フィンガの両端間に印加される結果、これらに有効なコンデンサを形成させる。プルーフ・マス３０２が偏位する時、コンデンサの極板間隔が変えられ、それによって、電極３０２、３０４の間の電圧の変化が生じる。加速度計がヌル位置にある場合、測定された電圧を基準電圧と比較することができるので、出力電圧をサンプリングすることによって、静電容量を決定することができ、したがって、プルーフ・マス３０２の偏位を決定することができる。
【００５０】
図４ｂは、第二の運転モードで静電気力を印加するのに使用され得る例示的な駆動信号を示す。この駆動信号では、３つの異なるマークスペース比が示される。これにより、プルーフ・マス３０８、３１６、３２２の異なる位置をどのようにテストすることができるかが明示される。駆動信号は、第一の駆動アンプに対しては同相であり、第二の駆動アンプに対しては逆位相であるＰＷＭ駆動信号である。ＰＷＭのマークスペース比は、一定に留まらず、経時的に変化する。初期には、駆動信号は５０：５０のマークスペース比であり、これは、図４ａで論じたようにヌル位置を維持する標準駆動信号である。しかし、時刻３０６で、マークスペース比は１サイクルの間は２５：７５に変えられる。これによって、プルーフ・マス３０８の強制偏位が生じる。ＰＷＭ駆動信号からの静電気力はプルーフ・マス３０８を偏位させ、固定電極３１２よりも固定電極３１０に接近させて移動させる。これによって、内蔵テスト（ＢＩＴ）がプルーフ・マスの一方向の偏位をテストできるようになる。時刻３１４で、ＰＷＭ駆動信号は５０：５０のマークスペース比に戻り、プルーフ・マス３１６が固定電極フィンガ３１８間で等間隔にあるヌル位置に戻ることができるようにする。時刻３２０で、プルーフ・マス３２２の偏位が反対方向でテストされる。ＰＷＭ駆動信号は１サイクルの間は７５：２５のマークスペース比を有し、プルーフ・マス３２２を反対方向に移動させ、固定電極３２６よりも固定電極３２４に近づける。数個の異なるマークスペース比でＢＩＴを実施することによってプルーフ・マスの偏位を１つより多くの方向でテストすることが可能である。しかし、このようなＰＷＭ駆動信号は、加速度計に対して短い整定時間を許容するのみであり、使用することができる最大のマークスペース比に限界を与える。
【００５１】
図５は、第二の運転モードで静電気力を印加するのに使用され得る別の例示的な駆動振動を示す。この駆動信号は、より高い最大マークスペース比を使用できるようにする。図５には２つの波形が示され、一方はＰＷＭ駆動信号４００を示し、他方はこの駆動信号のサンプリング４０２を示す。システムは、初期には、図４ｂの時刻３０６で明示されたような一定の２５：７５のマークスペース比を有する同相及び逆位相のＰＷＭ駆動信号４０４を用いる第三の運転モードで運転される。このマークスペース比は、プルーフ・マスの初期強制偏位を生じさせるのに使用される。初期に一定のマークスペース比を適用することによって、プルーフ・マスと可動電極フィンガが偏位を開始する。本明細書では１サイクルのみを示した数サイクル４０４の後、プルーフ・マスは、偏位位置に安定する時間を持った。この段階で、より大きな強制偏位を生じさせるためにマークスペース比を増大させることができる。元々のマークスペース比の単一のパルス４０４が印加される前に、３つのパルス４０６に対してより高い１００：０のマークスペース比が適用される。その後、システムは、第二の運転モードに移行することができ、ＰＷＭ駆動信号内で１００：０の３パルス４０６と２５：７５の１パルス４０４が繰り返される。これにより、６．３：９３．８の平均マーク：スペース比がもたらされ、プルーフ・マスのより大きな偏位を生成する。
【００５２】
一旦システムが第二の運転モードになれば、その後、強制偏位をサンプリングすることができ、したがって、感度をテストすることができる。波形４０２は、プルーフ・マスのピックオフ・サンプリングを示す。第二の運転モードで、図４ａまたは図４ｂに明示したようなマークスペース比、すなわち、規則的なパルスに対する十分な整定時間が存在する１００：０未満のマーク：スペース比が存在する場合は、ピックオフ信号はパルス毎にサンプリングされる。しかし、図５に明示したようなＰＷＭ駆動信号が使用される場合は、ピックオフ・アンプは、１００：０のマークスペース比のパルスの間はサンプリングしない。これらのパルスは、必要な整定時間のせいで信号が飽和するので、偏位の代表的な測定を与えないであろう。ピックオフ・アンプは、可動電極フィンガを含むプルーフ・マスの偏位をＢＩＴが十分に測定できるようにする各２５：７５パルスの初めと終わりでのみサンプリングする。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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