(57)【要約】【課題】静電力平衡計器における誤差を軽減するシステムおよび方法を提供すること。【解決手段】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の電極プレートとの間に配置された慣性プルーフマスを有する感知要素と、通常の極性構成において電荷パルスを該感知要素に提供することと、反対の極性構成において電荷パルスを該感知要素に提供することとの間で切り替え可能なスイッチングシステムと、第１の電荷サイクルの期間の間、該通常の極性構成において電荷パルスを該感知要素に提供するために、および第２の電荷サイクルの期間の間、該反対の極性構成において電荷パルスを該感知要素に提供するために、該スイッチシステムの切り替えを制御する制御論理デバイスとを備えている、力平衡計器システム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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の電極プレートとの間に配置された慣性プルーフマスを有する感知要素と、
通常の極性構成において電荷パルスを該感知要素に提供することと、反対の極性構成において電荷パルスを該感知要素に提供することとの間で切り替え可能なスイッチングシステムと、
第１の電荷サイクルの期間の間、該通常の極性構成において電荷パルスを該感知要素に提供するために、および第２の電荷サイクルの期間の間、該反対の極性構成において電荷パルスを該感知要素に提供するために、該スイッチシステムの切り替えを制御する制御論理デバイスと
を備えている、力平衡計器システム。
【請求項２】
前記通常の極性構成と前記反対の極性構成との両方において、電荷パルスを前記感知要素に提供する単一の基準電圧をさらに備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記反対の極性構成における前記制御論理デバイスは、前記スイッチングシステムを構成して、アースと仮想アースとのうちの１つに、前記第１の電極プレートと前記第２の電極プレートとのうちの選択されたプレートを交互に接続し、該第１の電極プレートと該第２の電極プレートとのうちの選択されていないプレートを前記プルーフマスに交互に接続し、そして該選択されていないプレートおよび該接続されたプルーフマスに電荷パルスを交互に提供する、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記通常の極性構成における前記制御論理デバイスは、前記スイッチングシステムを構成して、前記アースと前記仮想アースとのうちの１つに、前記第１の電極プレートと前記第２の電極プレートとのうちの選択されていないプレートを交互に接続し、該アースと該仮想アースとのうちの１つに前記プルーフマスを接続し、そして電荷パルスを受け取るために、該第１の電極プレートと該第２の電極プレートとのうちの選択されたプレートを交互に接続する、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
動作増幅器をさらに備えており、該動作増幅器は、前記スイッチングシステムの第１の部分から電荷パルスを受け取り、該スイッチングシステムの第２の部分に該電荷パルスを提供し、該スイッチングシステムは、前記上部電極プレートと前記下部電極プレートとのうちの１つに該電荷パルスを提供することの間で選択する、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記通常の極性構成において、前記第１の電極プレートは、電荷パルスに応答して、前記プルーフマスに対する該第１の電極プレートの移動を示す電圧に帯電し、前記第２の電極プレートは、電荷パルスに応答して、該第２の電極プレートに対する該プルーフマスの移動を示す電圧に帯電し、前記反対の極性構成において、電荷パルスに応答して、該第１の電極プレートは、該プルーフマスに対する該第２の電極プレートの移動を示す電圧に帯電し、該第２の電極プレートは、該第１の電極プレートに対する該プルーフマスの移動を示す電圧に帯電する、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
第１のサンプリングおよび保持のデバイスと、
第２のサンプリングおよび保持のデバイスと、
該第１のサンプリングおよび保持のデバイスによってサンプリングされた第１の電圧と、該第２のサンプリングおよび保持のデバイスによってサンプリングされた第２の電圧とに基づいた電圧差を提供する差増幅器と
をさらに備えており、電荷パルスの適用の間に、該第１のサンプリングおよび保持のデバイスは、前記第１の電極プレートにおける電圧をサンプリングし、該第２のサンプリングおよび保持のデバイスは、前記第２の電極プレートにおける電圧をサンプリングする、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記通常の極性構成は、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提供し、前記反対の極性構成は、電荷パルスを該第１の電極プレートおよび接続された前記プルーフマスと、該第２の電極プレートおよび接続された該プルーフマスとに交互に提供する、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
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慣性プルーフマスを有する感知要素を有する力平衡計器であって、該計器は、
電荷パルスを提供する手段と、
通常の極性構成において該感知要素に電荷パルスを適用することと、反対の極性構成において該感知要素に電荷パルスを適用することとの間を切り替える手段と、
該通常の極性構成における該感知要素に電荷パルスを適用する電荷サイクルの期間を制御し、該反対の極性構成における該感知要素に電荷パルスを適用する電荷サイクルの期間を制御する手段と
を包含する、計器。
【請求項１０】
電荷パルスによって誘導された、前記感知要素の前記第１の電極プレートにおける第１の電圧をサンプリングする第１の手段と、
電荷パルスによって誘導された、該感知要素の前記第２の電極プレートにおける第２の電圧をサンプリングする第２の手段と、
該第１の電圧と該第２の電圧との間の差と関連付けられた電圧差を生成する手段と、
該電圧差に基づいて、電荷が該第１の電極プレートに保持される時間の量と、電荷が該第２の電極プレートに保持される時間の量とを制御する手段と
をさらに包含する、請求項９に記載の計器。
【請求項１１】
前記反対の極性構成において制御する前記手段は、アースおよび仮想アースのうちの１つに、前記第１の電極プレートと前記第２の電極プレートとのうちの選択されたプレートを交互に接続し、前記プルーフマスに該第１の電極プレートと該第２の電極プレートとのうちの選択されていないプレートを交互に接続し、そして該選択されていないプレートおよび該接続されたプルーフマスに電荷パルスを交互に提供するように切り替える手段を構成する、請求項９に記載の計器。
【請求項１２】
前記通常の極性構成において制御する前記手段は、前記アースと前記仮想アースとのうちの１つに、前記第１の電極プレートと前記第２の電極プレートとのうちの選択されていないプレートを交互に接続し、該アースと該仮想アースとのうちの１つに前記プルーフマスを接続し、そして電荷パルスを受け取るために、該第１の電極プレートと該第２の電極プレートとのうちの選択されたプレートを交互に接続するように切り替える手段を構成する、請求項９に記載の計器。
【請求項１３】
前記制御する手段は、前記通常の極性構成において、前記第１の電極プレートと前記第２の電極プレートとに電荷パルスを適用することを交互に行い、前記反対の極性構成において、該第１の電極プレートおよび接続された前記プルーフマスに電荷パルスを適用することと、該第２の電極プレートおよび該プルーフマスに電荷パルスを適用することとを交互に行うように切り替える手段を構成する、請求項９に記載の計器。
【請求項１４】
前記通常の極性構成において、前記第１の電極プレートは、電荷パルスに応答して、前記プルーフマスに対する該第１の電極プレートの移動を示す電圧に帯電し、前記第２の電極プレートは、電荷パルスに応答して、該第２の電極プレートに対する該プルーフマスの移動を示す電圧に帯電し、該反対の極性構成において、電荷パルスに応答して、該第１の電極プレートは、該プルーフマスに対する該第２の電極プレートの移動を示す電圧に帯電し、該第２の電極プレートは、該第１の電極プレートに対する該プルーフマスの移動を示す電圧に帯電する、請求項１３に記載の計器。
【請求項１５】
電荷パルスを提供する前記手段は、単一の基準電圧を含み、該単一の基準電圧は、前記通常の極性構成と前記反対の極性構成との両方において、前記感知要素に電荷パルスを提供する、請求項９に記載の計器。
【請求項１６】
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慣性プルーフマスを有する感知要素を利用する力平衡計器において誤差を軽減する方法であって、該方法は、
通常の極性構成と反対の極性構成とのうちの一方に該感知要素を切り替えることと、
第１の電荷サイクルの期間の間、該第１の電極プレートと該第２の電極プレートとに交互に電荷パルスを適用することと、
該第１の電荷サイクルの期間の各電荷サイクルのシーケンスの間、該第１の電極プレートにおける電荷パルスによって誘導された電圧と、該第２の電極プレートにおける電荷パルスによって誘導された電圧との間の第１の電圧差を測定することと、
該第１の電荷サイクルの期間の電荷サイクルのシーケンスと関連付けられるデューティーサイクルを設定するために、時間にわたって該第１の電圧差を総計することと、
該通常の極性構成と該反対の極性構成とのうちの他方に切り替えることと、
第２の電荷サイクルの期間の間、該第１の電極プレートと該第２の電極プレートとに交互に電荷パルスを適用することと、
該第２の電荷サイクルの期間の各電荷サイクルのシーケンスの間、該第１の電極プレートにおける電荷パルスによって誘導された電圧と、該第２の電極プレートにおける電荷パルスによって誘導された電圧との間の第２の電圧差を決定することと、
該第２の電荷サイクルの期間の電荷サイクルのシーケンスと関連付けられるデューティーサイクルを設定するために、時間にわたって該第２の電圧差を総計することと
を包含する、方法。
【請求項１７】
前記反対の極性構成に前記感知要素を切り替えることは、アースと仮想アースとのうちの１つに、前記第１の電極プレートと前記第２の電極プレートとのうちの選択されたプレートを交互に接続することと、該第１の電極プレートと該第２の電極プレートとのうちの選択されていないプレートを前記プルーフマスに交互に接続することとを包含し、それにより電荷パルスが、該選択されていないプレートおよび該接続されたプルーフマスに適用される、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記通常の極性構成に前記感知要素を切り替える前記ことは、前記アースと前記仮想アースとのうちの１つに、前記第１の電極プレートと前記第２の電極プレートとのうちの選択されていないプレートを交互に接続することを包含し、それにより電荷パルスが、該選択されたプレートに適用される、請求項１６に記載の方法
【請求項１９】
前記通常の極性構成において、前記第１の電極プレートは、電荷パルスに応答して、前記プルーフマスに対する該第１の電極プレートの移動を示す電圧に帯電し、前記第２の電極プレートは、電荷パルスに応答して、該第２の電極プレートに対する該プルーフマスの移動を示す電圧に帯電し、該反対の極性構成において、電荷パルスに応答して、該第１の電極プレートは、該プルーフマスに対する該第２の電極プレートの移動を示す電圧に帯電し、該第２の電極プレートは、該第１の電極プレートに対する該プルーフマスの移動を示す電圧に帯電する、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記電荷パルスは、前記通常の極性構成と前記反対の極性構成との両方に対して、同じ単一の基準電圧によって提供される、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本出願は、本明細書において参考として援用され、「Ｆｏｒｃｅ  Ｂａｌａｎｃｅｄ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ  Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｍｉｔｉｇａｔｉｎｇ  Ｅｒｒｏｒｓ」と題される、２００５年１月７日出願の米国特許出願第１１／０３１，２７１号に関連する。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、力平衡計器に関し、さらに詳細には、静電力平衡計器における誤差を軽減するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
例えば、加速度計のような力平衡感知計器において、計器の出力信号が、感知される入力条件に比例することが概して所望される。従って、多くのタイプの静電力および電磁力の平衡感知計器において、計器の出力と感知される入力との間で線形の関係を獲得するために、特別な技術が必要とされる。静電力および電磁力の計器において、計器のフォーサーによって加えられる力は、フォーサー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の関係にはない。さらに、計器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の力が、感知される入力に対して線形の関係を有することが好ましい。従って、特別な技術が、かかる線形性を獲得するために利用されている。
【０００４】
例えば、静電力平衡加速度計において、閉ループシステムにおける静電力が、振子の慣性マスまたはプルーフマスからの出力を配置および獲得するために利用される。静電力システムは、振子部材の各側に容量性ピックオフ電極を利用し、該容量性ピックオフ電極は、シリコン基板からエッチングされている。制御パルスは、各電極に一定量の電荷を連続的に適用するために利用される。可変の力が、電荷がそれぞれのプレートに残される時間の量（例えば、デューティーサイクル）を変化させることによって慣性マスに適用される。電荷がそれぞれのプレートに残される時間の量は、ゼロの位置に対する慣性マスの移動に基づいている。
【０００５】
しかしながら、プレートに適用される一定の電荷の使用は、電荷の増大に対して影響を受けやすい。この電荷の増大が、加速度計の電気特性における変化をもたらす。電気特性におけるこれらの変化は、デバイス全体にわたって変化する測定の誤差をもたらし得る。電荷の増大は、原因を突き止めること、およびモデルを作ることが困難である。なぜならば、電荷の増大は、所与のデバイスの固有の特性および／または製造の変動と関連付けられ得るからである。さらに、温度変化、経年変化、および以前の回路の条件が、デバイス内の電荷の増大の量に影響し得る。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一局面に従って、力平衡計器システムが提供される。システムは、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慣性プルーフマスを有する感知要素と、通常の極性構成において電荷パルスを感知要素に提供することと、反対の極性構成において電荷パルスを感知要素に提供することとの間で切り替え可能なスイッチングシステムとを備えている。システムは、第１の電荷サイクルの期間の間、通常の極性構成において電荷パルスを感知要素に提供するために、および第２の電荷サイクルの期間の間、反対の極性構成において電荷パルスを感知要素に提供するために、スイッチシステムの切り替えを制御する制御論理デバイスをさらに備えている。
【０００７】
本発明の別の局面に従って、力平衡計器が提供されており、該力平衡計器は、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慣性プルーフマスを有する感知要素を含む。計器は、電荷パルスを提供する手段と、通常の極性構成において感知要素に電荷パルスを適用することと、反対の極性構成において感知要素に電荷パルスを適用することとの間で切り替える手段と、通常の極性構成における感知要素に電荷パルスを適用する電荷サイクルの期間を制御し、反対の極性構成における感知要素に電荷パルスを適用する電荷サイクルの期間を制御する手段とを包含する。
【０００８】
本発明のまたさらに別の局面に従って、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慣性プルーフマスを有する感知要素を利用する力平衡計器において誤差を軽減する方法が提供される。該方法は、通常の極性構成と反対の極性構成とのうちの一方に感知要素を切り替えることと、第１の電荷サイクルの期間の間、第１の電極プレートと第２の電極プレートとに交互に電荷パルスを適用することと、第１の電荷サイクルの期間の各電荷サイクルのシーケンスの間、第１の電極プレートにおける電荷パルスによって誘導された電圧と、第２の電極プレートにおける電荷パルスによって誘導された電圧との間の第１の電圧差を測定することと、第１の電荷サイクルの期間の電荷サイクルのシーケンスと関連付けられるデューティーサイクルを設定するために、時間にわたって第１の電圧差を総計することとを包含する。方法は、通常の極性構成と反対の極性構成とのうちの他方に切り替えることと、第２の電荷サイクルの期間の間、第１の電極プレートと第２の電極プレートとに交互に電荷パルスを適用することと、第２の電荷サイクルの期間の各電荷サイクルのシーケンスの間、第１の電極プレートにおける電荷パルスによって誘導された電圧と、第２の電極プレートにおける電荷パルスによって誘導された電圧との間の第２の電圧差を決定することと、第２の電荷サイクルの期間の電荷サイクルのシーケンスと関連付けられるデューティーサイクルを設定するために、時間にわたって第２の電圧差を総計することとをさらに包含する。
【０００９】
本発明はさらに以下の手段を提供する。
【００１０】
（項目１）  
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の電極プレートとの間に配置された慣性プルーフマスを有する感知要素と、
通常の極性構成において電荷パルスを該感知要素に提供することと、反対の極性構成において電荷パルスを該感知要素に提供することとの間で切り替え可能なスイッチングシステムと、
第１の電荷サイクルの期間の間、該通常の極性構成において電荷パルスを該感知要素に提供するために、および第２の電荷サイクルの期間の間、該反対の極性構成において電荷パルスを該感知要素に提供するために、該スイッチシステムの切り替えを制御する制御論理デバイスと
を備えている、力平衡計器システム。
【００１１】
（項目２）  
上記通常の極性構成と上記反対の極性構成との両方において、電荷パルスを上記感知要素に提供する単一の基準電圧をさらに備えている、項目１に記載のシステム。
【００１２】
（項目３）  
上記反対の極性構成における上記制御論理デバイスは、上記スイッチングシステムを構成して、アースと仮想アースとのうちの１つに、上記第１の電極プレートと上記第２の電極プレートとのうちの選択されたプレートを交互に接続し、該第１の電極プレートと該第２の電極プレートとのうちの選択されていないプレートを上記プルーフマスに交互に接続し、そして該選択されていないプレートおよび該接続されたプルーフマスに電荷パルスを交互に提供する、項目１に記載のシステム。
【００１３】
（項目４）  
上記通常の極性構成における上記制御論理デバイスは、上記スイッチングシステムを構成して、上記アースと上記仮想アースとのうちの１つに、上記第１の電極プレートと上記第２の電極プレートとのうちの選択されていないプレートを交互に接続し、該アースと該仮想アースとのうちの１つに上記プルーフマスを接続し、そして電荷パルスを受け取るために、該第１の電極プレートと該第２の電極プレートとのうちの選択されたプレートを交互に接続する、項目３に記載のシステム。
【００１４】
（項目５）  
動作増幅器をさらに備えており、該動作増幅器は、上記スイッチングシステムの第１の部分から電荷パルスを受け取り、該スイッチングシステムの第２の部分に該電荷パルスを提供し、該スイッチングシステムは、上記上部電極プレートと上記下部電極プレートとのうちの１つに該電荷パルスを提供することの間で選択する、項目１に記載のシステム。
【００１５】
（項目６）  
上記通常の極性構成において、上記第１の電極プレートは、電荷パルスに応答して、上記プルーフマスに対する該第１の電極プレートの移動を示す電圧に帯電し、上記第２の電極プレートは、電荷パルスに応答して、該第２の電極プレートに対する該プルーフマスの移動を示す電圧に帯電し、上記反対の極性構成において、電荷パルスに応答して、該第１の電極プレートは、該プルーフマスに対する該第２の電極プレートの移動を示す電圧に帯電し、該第２の電極プレートは、該第１の電極プレートに対する該プルーフマスの移動を示す電圧に帯電する、項目１に記載のシステム。
【００１６】
（項目７）  
第１のサンプリングおよび保持のデバイスと、
第２のサンプリングおよび保持のデバイスと、
該第１のサンプリングおよび保持のデバイスによってサンプリングされた第１の電圧と、該第２のサンプリングおよび保持のデバイスによってサンプリングされた第２の電圧とに基づいた電圧差を提供する差増幅器と
をさらに備えており、電荷パルスの適用の間に、該第１のサンプリングおよび保持のデバイスは、上記第１の電極プレートにおける電圧をサンプリングし、該第２のサンプリングおよび保持のデバイスは、上記第２の電極プレートにおける電圧をサンプリングする、項目１に記載のシステム。
【００１７】
（項目８）  
上記通常の極性構成は、電荷パルスを上記第１の電極プレートおよび上記第２の電極プレートに交互に提供し、上記反対の極性構成は、電荷パルスを該第１の電極プレートおよび接続された前記プルーフマスと、該第２の電極プレートおよび接続された該プルーフマスとに交互に提供する、項目１に記載のシステム。
【００１８】
（項目９）  
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慣性プルーフマスを有する感知要素を有する力平衡計器であって、該計器は、
電荷パルスを提供する手段と、
通常の極性構成において該感知要素に電荷パルスを適用することと、反対の極性構成において該感知要素に電荷パルスを適用することとの間を切り替える手段と、
該通常の極性構成における該感知要素に電荷パルスを適用する電荷サイクルの期間を制御し、該反対の極性構成における該感知要素に電荷パルスを適用する電荷サイクルの期間を制御する手段と
を包含する、計器。
【００１９】
（項目１０）  
電荷パルスによって誘導された、上記感知要素の上記第１の電極プレートにおける第１の電圧をサンプリングする第１の手段と、
電荷パルスによって誘導された、該感知要素の上記第２の電極プレートにおける第２の電圧をサンプリングする第２の手段と、
該第１の電圧と該第２の電圧との間の差と関連付けられた電圧差を生成する手段と、
該電圧差に基づいて、電荷が該第１の電極プレートに保持される時間の量と、電荷が該第２の電極プレートに保持される時間の量とを制御する手段と
をさらに包含する、項目９に記載の計器。
【００２０】
（項目１１）  
上記反対の極性構成において制御する上記手段は、アースおよび仮想アースのうちの１つに、上記第１の電極プレートと上記第２の電極プレートとのうちの選択されたプレートを交互に接続し、上記プルーフマスに該第１の電極プレートと該第２の電極プレートとのうちの選択されていないプレートを交互に接続し、そして該選択されていないプレートおよび該接続されたプルーフマスに電荷パルスを交互に提供するように切り替える手段を構成する、項目９に記載の計器。
【００２１】
（項目１２）  
上記通常の極性構成において制御する上記手段は、上記アースと上記仮想アースとのうちの１つに、上記第１の電極プレートと上記第２の電極プレートとのうちの選択されていないプレートを交互に接続し、該アースと該仮想アースとのうちの１つに上記プルーフマスを接続し、そして電荷パルスを受け取るために、該第１の電極プレートと該第２の電極プレートとのうちの選択されたプレートを交互に接続するように切り替える手段を構成する、項目９に記載の計器。
【００２２】
（項目１３）  
上記制御する手段は、上記通常の極性構成において、上記第１の電極プレートと上記第２の電極プレートとに電荷パルスを適用することを交互に行い、上記反対の極性構成において、該第１の電極プレートおよび接続された上記プルーフマスに電荷パルスを適用することと、該第２の電極プレートおよび該プルーフマスに電荷パルスを適用することとを交互に行うように切り替える手段を構成する、項目９に記載の計器。
【００２３】
（項目１４）  
上記通常の極性構成において、上記第１の電極プレートは、電荷パルスに応答して、上記プルーフマスに対する該第１の電極プレートの移動を示す電圧に帯電し、上記第２の電極プレートは、電荷パルスに応答して、該第２の電極プレートに対する該プルーフマスの移動を示す電圧に帯電し、該反対の極性構成において、電荷パルスに応答して、該第１の電極プレートは、該プルーフマスに対する該第２の電極プレートの移動を示す電圧に帯電し、該第２の電極プレートは、該第１の電極プレートに対する該プルーフマスの移動を示す電圧に帯電する、項目１３に記載の計器。
【００２４】
（項目１５）  
電荷パルスを提供する上記手段は、単一の基準電圧を含み、該単一の基準電圧は、上記通常の極性構成と上記反対の極性構成との両方において、上記感知要素に電荷パルスを提供する、項目９に記載の計器。
【００２５】
（項目１６）  
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慣性プルーフマスを有する感知要素を利用する力平衡計器において誤差を軽減する方法であって、該方法は、
通常の極性構成と反対の極性構成とのうちの一方に該感知要素を切り替えることと、
第１の電荷サイクルの期間の間、該第１の電極プレートと該第２の電極プレートとに交互に電荷パルスを適用することと、
該第１の電荷サイクルの期間の各電荷サイクルのシーケンスの間、該第１の電極プレートにおける電荷パルスによって誘導された電圧と、該第２の電極プレートにおける電荷パルスによって誘導された電圧との間の第１の電圧差を測定することと、
該第１の電荷サイクルの期間の電荷サイクルのシーケンスと関連付けられるデューティーサイクルを設定するために、時間にわたって該第１の電圧差を総計することと、
該通常の極性構成と該反対の極性構成とのうちの他方に切り替えることと、
第２の電荷サイクルの期間の間、該第１の電極プレートと該第２の電極プレートとに交互に電荷パルスを適用することと、
該第２の電荷サイクルの期間の各電荷サイクルのシーケンスの間、該第１の電極プレートにおける電荷パルスによって誘導された電圧と、該第２の電極プレートにおける電荷パルスによって誘導された電圧との間の第２の電圧差を決定することと、
該第２の電荷サイクルの期間の電荷サイクルのシーケンスと関連付けられるデューティーサイクルを設定するために、時間にわたって該第２の電圧差を総計することと
を包含する、方法。
【００２６】
（項目１７）  
上記反対の極性構成に上記感知要素を切り替えることは、アースと仮想アースとのうちの１つに、上記第１の電極プレートと上記第２の電極プレートとのうちの選択されたプレートを交互に接続することと、該第１の電極プレートと該第２の電極プレートとのうちの選択されていないプレートを上記プルーフマスに交互に接続することとを包含し、それにより電荷パルスが、該選択されていないプレートおよび該接続されたプルーフマスに適用される、項目１６に記載の方法。
【００２７】
（項目１８）  
上記通常の極性構成に上記感知要素を切り替える上記ことは、上記アースと上記仮想アースとのうちの１つに、上記第１の電極プレートと上記第２の電極プレートとのうちの選択されていないプレートを交互に接続することを包含し、それにより電荷パルスが、該選択されたプレートに適用される、項目１６に記載の方法
（項目１９）  
上記通常の極性構成において、上記第１の電極プレートは、電荷パルスに応答して、上記プルーフマスに対する該第１の電極プレートの移動を示す電圧に帯電し、上記第２の電極プレートは、電荷パルスに応答して、該第２の電極プレートに対する該プルーフマスの移動を示す電圧に帯電し、該反対の極性構成において、電荷パルスに応答して、該第１の電極プレートは、該プルーフマスに対する該第２の電極プレートの移動を示す電圧に帯電し、該第２の電極プレートは、該第１の電極プレートに対する該プルーフマスの移動を示す電圧に帯電する、項目１６に記載の方法。
【００２８】
（項目２０）  
上記電荷パルスは、上記通常の極性構成と上記反対の極性構成との両方に対して、同じ単一の基準電圧によって提供される、項目１６に記載の方法。
【００２９】
（摘要）
静電力平衡計器における誤差を軽減するシステムおよび方法が提供される。システムおよび方法は、力平衡計器における電荷の増大によってもたらされる測定の読み取りにおける誤差を軽減するものであり、該力平衡計器は、電荷パルスを利用して、静電力を生成することにより、対向する電極の間に配置された慣性プルーフマスをゼロにする。システムおよび方法は、通常の極性構成において所与の電荷のサイクルの期間の間、感知要素の各対向する電極に対して電荷パルスを適用し、続いて反対の極性構成において第２の所与の電荷のサイクルの期間の間、感知要素の各対向する電極に対して電荷パルスを適用することによって、電荷の増大を軽減する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明は、静電力平衡計器における誤差を軽減するシステムおよび方法に関する。システムおよび方法は、力平衡計器における電荷の増大によってもたらされる測定の読み取りにおける誤差を軽減するものであり、該力平衡計器は、電荷パルスを利用して、静電力を生成することにより、感知要素の対向する電極の間に配置された慣性プルーフマスをゼロにする。システムおよび方法は、通常の極性構成において所与の電荷のサイクルの期間の間、各対向する電極に対して電荷パルスを適用し、続いて反対の極性構成において第２の所与の電荷のサイクルの期間の間、各対向する電極に対して電荷パルスを適用することによって、電荷の増大を軽減する。通常の極性構成において、感知要素の所与の電極は、電荷パルスを受け取り、プルーフマスが、仮想アースに接続される。反対の極性構成において、プルーフマスと感知要素の所与の電極とが接続され、電荷パルスを受け取り、対向する電極は、仮想アースに接続され、プルーフマスに対する、感知要素および対向する電極の極性の反転をもたらす。これは、通常の極性構成における電荷パルスによってもたらされた、電極におけるあらゆる残余の電荷の除去をもたらす。結果として、電極に残された正味の残余の電極が、概して減少させられる。
【００３１】
本発明の一局面において、力平衡計器システムが提供される。システムは、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慣性プルーフマスと、通常の極性構成における感知要素に対して電荷パルスを提供することと反対の極性構成における感知要素に対して電荷パルスを提供することとの間で切り替え可能なスイッチングシステムとを有する感知要素を備えている。システムは、制御論理デバイスをさらに備えており、該制御論理デバイスは、スイッチシステムの切り替えを制御して、第１の電荷サイクルの期間の間、通常の極性構成における感知要素に電荷パルスを提供し、第２の電荷サイクルの期間の間、反対の極性構成における感知要素に電荷パルスを提供する。
【００３２】
本例において、電荷パルスという用語は、持続期間の間、力平衡計器の電極に電荷を提供し、かつ、電圧パルスと電流パルスとの両方を定義するように意味される用語として用いられる。例えば、電圧パルスとして適用された電荷パルスは、入力として提供され、電極に適用されるときには、該電荷パルスは電流パルスに変換され、電極に適用される電荷となる。従って、電荷パルスという用語は、電流パルスまたは電圧パルスとのうちのいずれかを示すように意味される。
【００３３】
静電力（Ｆ）は、電荷の自乗（Ｑ２）の関数であることが理解される。従って、静電力の極性は、電極に適用される電荷の極性によって変化しない。第１および第２の電荷サイクルの期間はそれぞれ、単一の電荷パルスのシーケンス（すなわち、各対向する電極に対する単一のパルス）であり得るか、または複数の電荷パルスのシーケンスであり得る。システムおよび方法は、加速度計システムの例によって例示されるが、システムおよび方法は、多種多様な力平衡計器のタイプにおいて利用され得ることが理解される。
【００３４】
力平衡計器、例えば、加速度計は、静電ピックオフと、プルーフマスの対向する側における強制プレートまたは電極とを組み合わせたプルーフマスを利用する。プレートは、感知要素の対向する側に交互に作用する電荷シーケンスの連続する部分において、一定の引力を提供する。力の平衡は、電荷サイクルのシーケンスのデューティーサイクルを制御することによって達成され、それにより全電荷シーケンスの一部分のそれぞれの間の持続時間の差が、加速の尺度となる。強制プレートのそれぞれにおける電圧は、それぞれが電荷パルスで帯電された後に、独立して連続して感知されるものであり、該電荷パルスは、電荷シーケンス部分の持続時間全体にわたって、実質的に一定の力のレベルを提供する。２つの連続する電圧サンプルが格納され、それらの間の差が積分されて電荷サイクルのシーケンスのデューティーサイクルを制御し、該デューティーサイクル自体は、プルーフマスに対してそれぞれのプレートによって適用される交互に向けられる力の適用の持続時間を制御する。
【００３５】
図１は、本発明の局面に従った例示的な加速度計システム１０の概略的構成図を例示する。本例は、加速度計システムに関して例示されているが、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利用する様々な他の力平衡計器システムに利用され得る。加速度計システム１０は、感知要素の電極の極性反転と電荷パルス制御とを実装する技術の一例を提供するが、様々な他の技術が、感知要素の電極の極性反転と電荷パルス制御とを実装するために利用され得ることが理解される。
【００３６】
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との間に配置されたプルーフマスまたは振子マス２０で構成される感知要素２１を含む。プルーフマス２０は、上部電極プレート２２と下部電極プレート２４とに近いがわずかに間隔を空けて配置されており、それにより第１のコンデンサＣ１が、上部電極プレート２２とプルーフマス２０とから形成され、第２のコンデンサＣ２が、下部電極プレート２４とプルーフマス２０とから形成される。感知要素２１は、半導体基板から形成され得、それによりプルーフマスが半導体基板から非等方的にエッチングされ得、それによりプルーフマス２０は、カンチレバー状の配置で基板に接続される。カンチレバー配置は、プルーフマス２０が、入力軸に沿った加速に応答して出力軸付近に偏向されることを可能にする。加速度計システム１０と関連付けられる１つ以上の他の要素が、半導体基板に形成され得るか、スタンドアロンの回路デバイスであり得るか、集積回路として組み込まれ得るか、またはこれらの任意の組み合わせであり得ることが理解される。
【００３７】
上部電極プレート２２と下部電極プレート２４とは、ピックオフプレートと強制プレートとの両方を形成し、それにより電荷パルスが、それぞれのプレートに適用され、該それぞれのプレートは、静電力をプルーフマス２０に適用させられ、電荷プレートにおける電圧がサンプリングされる。プレートにおける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または対向するプレートに対するプルーフマス２０の移動の指示を提供する。各それぞれの電極プレートにおけるサンプリングされた電圧間の電圧差が、他方のプレートよりも一方のプレートに対するプルーフマス２０の移動の示度を提供する。
【００３８】
加速度計システム１０は、スイッチＳ８を介して電荷増幅器１６に接続される単一の基準電圧（ＶＲＥＦ）を含む。制御論理デバイス１２は、パルス制御信号を生成し、該パルス制御信号は、上部電極プレート２２と下部電極プレート２４とに対して電荷パルスを提供するために、基準電圧の接続を制御する。制御論理デバイス１２は、ハードウェアデバイス（例えば、ＡＳＩＣ）か、ソフトウェアの命令を利用するプロセッサデバイスか、またはハードウェアデバイスとソフトウェアデバイスとの組み合わせであり得る。制御論理１２は、制御論理デバイス１２と関連付けられる適切な制御機能、タイミング機能、および測定機能を提供するために複数のデバイスから形成され得ることが理解される。パルス制御信号は、電荷パルスの時間の間、電荷増幅器１６の負の入力端末に対して基準電圧を接続し、入力に対して電荷パルスが適用され、それにより電荷増幅器１６の出力に提供される。
【００３９】
制御論理デバイス１２は、通常の極性構成において電極に電荷パルスを適用するために、電荷サイクルのシーケンスの数または電荷サイクルの期間を決定するために動作し、かつ、反対の極性構成において電極に電荷パルスを適用するために、電荷サイクルのシーケンスの数または電荷サイクルの期間を決定するために動作する。通常の極性構成の電荷サイクルの期間は、反対の極性構成の電荷サイクルの期間と同じであり得るか、または異なり得る。例えば、パルスは、通常の極性構成において、単一の電荷サイクルのシーケンスの間、適用され得、続いてパルスは、反対の極性構成において単一の電荷サイクルのシーケンスの間、適用される。あるいは、電荷サイクルの期間は、多くの電荷サイクルのシーケンスを含み得、それにより所与の極性構成のパルスが、ミリ秒、秒、分、または時間の範囲を上回る電荷サイクルの期間の間、適用される。電荷サイクルの期間の間、通常の極性構成における電荷パルスと反対の極性構成における電荷パルスとの間を交互にすることが、加速度システム１０の動作の間、継続し得る。様々な電荷サイクルの期間の間、感知要素２１の極性構成の間を交互にすることによって、通常の極性構成における電荷パルスによってプレートに集まる残余の電荷は、反対の極性構成における電荷パルスの間に放電される。従って、測定の読み取りにおける誤差が軽減される。
【００４０】
制御論理デバイス１２は、Ｈスイッチ１８に接続されるスイッチ制御信号（Ｈ−ＳＷ  ＣＮＴＲＬＳ）を生成する。Ｈスイッチ１８は、通常の極性構成において、仮想アースに選択されていない電極プレートを接続しながら、上部電極プレート２２と下部電極プレート２４とのうちの一方または他方に電荷増幅器１６の出力を接続するように動作する。Ｈスイッチ１８は、反対の極性構成において、仮想アース（すなわち、電荷増幅器１６の負の入力端末）に選択された電極プレートを接続しながら、プルーフマス２０、および上部電極プレート２２と下部電極プレート２４とのうちの一方または他方に電荷増幅器１６の出力を接続するように動作する。様々な異なるスイッチデバイスが、Ｈスイッチ１８の機能性を提供するために利用され得ることが理解される。Ｈスイッチ１８は、スイッチＳ１〜Ｓ７を含み、該スイッチＳ１〜Ｓ７は、スイッチ制御信号によって制御され、該スイッチ制御信号は、通常の極性構成と反対の極性構成との両方において対向する電極間で電荷パルスを導く。
【００４１】
通常の極性構成において、電荷パルスは、選択された電極プレートにおける電圧をプレート電圧にまで増加させ、該プレート電圧は、選択されたプレートに対するプルーフマス２０の移動の示度を提供する。反対の極性構成において、選択された電極プレートは、依然として仮想アースであるが、選択されていないプレートとプルーフマス２０とは、プレート電圧にまで増加し、該プレート電圧は、選択されたプレートに対するプルーフマス２０の移動の示度を提供する。しかしながら、選択されたプレートに対するプルーフマス２０の電圧差は負であるので、通常の電極構成における電荷パルスによる、電極における残余の電荷は、取り除かれ、それにより正味の残余の電荷が、概して減少される。制御論理デバイス１２は、別のスイッチ（非表示）を介してアースに電極を接続するリセット信号を生成することによって、またはＨスイッチ１８の適切なスイッチを閉じることによって仮想アースに電極プレートを接続することによって、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。
【００４２】
通常の極性構成における電荷サイクルのシーケンスの間、制御論理１２は、仮想アースにプルーフマス２０を接続するスイッチＳ３と、上部電極プレート２２に電荷増幅器１６の出力を接続するスイッチＳ６とを閉じながら、残りのスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ５、およびＳ７が開いたままであることを可能にする。制御論理デバイスはまた、別のスイッチ（非表示）を閉じ得、該別のスイッチは、アースに下部電極プレート２４を接続するか、または仮想アースに下部電極プレート２４を接続するために、スイッチＳ４またはスイッチＳ５を閉じる。電荷パルスがパルス制御信号によって適用され、該パルス制御信号は、電荷増幅器１６の入力に基準電圧ＶＲＥＦを接続したり、電荷増幅器１６の出力における電荷パルスを上部電極プレート２２に提供したりするスイッチＳ８を閉じたり開いたりする。上部電極プレートの電圧は、アースに対して正の電圧になるまで増え、該上部電極プレートの電圧は、プルーフマス２０に対する上部電極プレート２２の移動に関連する。上部電極プレート２２における電圧は、第１のサンプリングおよび保持のデバイス２５によってサンプリングされる。上部電極プレート２２における電圧は、リセットパルスが上部電極プレート２２から電圧を放電するまで、上部電極プレート２２に残る。リセットパルスは、別のスイッチ（非表示）を介して、またはスイッチＳ２を閉じることによって仮想アースに上部電極プレートを接続することによって、上部電極プレート２２をアースに接続する。スイッチＳ１〜Ｓ７は、開いた状態に戻り得る。
【００４３】
次に、第２の電荷パルスが下部電極プレート２４に適用され得る。制御論理デバイス１２は、仮想アースにプルーフマス２０を接続するスイッチＳ３と、下部電極プレート２４に電荷増幅器１６の出力を接続するスイッチＳ７とを閉じながら、残りのスイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ５、およびＳ６が開いたままであることを可能にする。制御論理デバイスはまた、別のスイッチ（非表示）を閉じ得、該別のスイッチは、アースに上部電極プレート２２を接続するか、または仮想アースに上部電極プレート２２を接続するスイッチＳ１またはスイッチＳ２を閉じる。電荷パルスがパルス制御信号によって適用され、該パルス制御信号は、電荷増幅器１６の入力に基準電圧ＶＲＥＦを接続したり、電荷増幅器１６の出力における電荷パルスを下部電極プレート２４に提供したりするスイッチＳ８を閉じたり開いたりする。電極プレートの電圧は、アースに対して正の電圧になるまで増え、該電極プレートの電圧は、プルーフマス２０に対する下部電極プレート２４の移動に関連する。下部電極プレート２４における電圧は、第２のサンプリングおよび保持のデバイス２６によってサンプリングされる。下部電極プレート２４における電圧は、リセットパルスが下部電極プレート２４から電圧を放電するまで、下部電極プレート２４に残る。リセットパルスは、別のスイッチ（非表示）を介して、またはスイッチＳ５を閉じることによって仮想アースに下部電極プレートを接続することによって、下部電極プレート２４をアースに接続する。
【００４４】
反対の極性構成における電荷サイクルのシーケンスの間、制御論理デバイス１２は、上部電極プレート２２にプルーフマス２０を接続するスイッチＳ１と、上部電極プレート２２およびプルーフマス２０に電荷増幅器１６の出力を接続するＳ６とを閉じる。制御論理デバイス１２は、スイッチＳ５を閉じることによって仮想アースに下部電極プレート２４を接続しながら、残りのスイッチＳ２、Ｓ４、およびＳ７を開いたままにすることを可能にする。電荷パルスがパルス制御信号によって適用され、該パルス制御信号は、電荷増幅器１６の入力に基準電圧ＶＲＥＦを接続したり、電荷増幅器１６の出力における電荷パルスを上部電極プレート２２およびプルーフマス２０に提供したりするスイッチＳ８を閉じたり開いたりする。上部電極プレート２２およびプルーフマス２０の電圧は、下部電極プレート２４に対して正の電圧になるまで増え、該上部電極プレート２２およびプルーフマス２０の電圧は、下部電極プレート２４に対する上部電極プレート２２およびプルーフマス２０の移動に関連する。しかしながら、下部電極プレート２４に対するプルーフマス２０の電圧差は負であり、通常の電極構成における電荷パルスによって、下部電極プレート２４における残余の電荷を減少させ、それにより下部電極プレート２４における正味の残余の電荷が、概して減少させられる。下部電極プレート２４に対する上部電極プレート２２およびプルーフマス２０における電圧は、第１のサンプリングおよび保持のデバイス２５によってサンプリングされる。上部電極プレート２２およびプルーフマス２０における電圧は、リセットパルスが上部電極プレート２２およびプルーフマス２０から電圧を放電するまで、上部電極プレート２２に残る。リセットパルスは、別のスイッチ（非表示）を介して、またはスイッチＳ２を閉じることによって仮想アースに上部電極プレート２２を接続することによって、上部電極プレート２２をアースに接続する。
【００４５】
次に、第２の電荷パルスが下部電極プレート２４およびプルーフマス２０に適用され得る。制御論理デバイス１２は、下部電極プレート２４にプルーフマス２０を接続するスイッチＳ４と、下部電極プレート２４およびプルーフマス２０に電荷増幅器１６の出力を接続するスイッチＳ７とを閉じる。制御論理デバイス１２は、スイッチＳ２を閉じることによって、仮想アースに上部電極プレート２２を接続しながら、残りのスイッチＳ１、Ｓ５、およびＳ６が開いたままであることを可能にする。電荷パルスがパルス制御信号によって適用され、該パルス制御信号は、電荷増幅器１６の入力に基準電圧ＶＲＥＦを接続したり、電荷増幅器１６の出力における電荷パルスを下部電極プレート２４およびプルーフマス２０に提供したりするスイッチＳ８を閉じたり開いたりする。下部電極プレート２４における電圧およびプルーフマスの電圧は、上部電極プレート２２に対して正の電圧になるまで増え、該下部電極プレート２４における電圧およびプルーフマスの電圧は、上部電極プレートに対する下部電極プレート２４およびプルーフマス２０の移動に関連する。しかしながら、上部電極プレート２２に対するプルーフマス２０の電圧差は負であり、通常の電極構成における電荷パルスによって、上部電極プレート２２における残余の電荷を減少させ、それにより上部電極プレート２２における正味の残余の電荷が、概して減少させられる。上部電極プレート２２に対する下部電極プレート２４およびプルーフマス２０における電圧は、サンプリングおよび保持のデバイス２６によってサンプリングされる。下部電極プレート２４およびプルーフマス２０における電圧は、リセットパルスが下部電極プレート２４およびプルーフマス２０から電圧を放電するまで、下部電極プレート２４およびプルーフマス２０に残る。リセットパルスは、別のスイッチ（非表示）を介して、またはスイッチＳ５を閉じることによって仮想アースに下部電極プレート２４を接続することによって、下部電極プレート２４をアースに接続する。スイッチＳ１〜Ｓ７は、開いた状態に戻り得る。
【００４６】
制御論理デバイス１２は、第１のサンプリングおよび保持のデバイス２５を選択するための第１のサンプリングおよび保持の信号（Ｓ／Ｈ１  ＣＮＴＲＬ）と、第２のサンプリングおよび保持のデバイス２６を選択するための第２のサンプリングおよび保持の信号（Ｓ／Ｈ２  ＣＮＴＲＬ）とを生成する。上部電極プレート２２と下部電極プレート２４とにおいてサンプリングされた電圧が、差増幅器２８に提供される。差増幅器２８は、上部電極プレート２２の電圧と下部電極プレート２４の電圧との間の差を表す差信号を提供する。差信号は、積分器３０に提供され、該積分器３０は、時間によって変動する差信号を積分して、積分された差信号を生成する。積分器３０は、抵抗器Ｒ３、Ｒ４、コンデンサＣ３、Ｃ４および増幅器３０から形成される。次に、積分された差信号は、アナログデジタル変換器（Ａ／Ｄ）３２に提供され、該アナログデジタル変換器（Ａ／Ｄ）３２は、積分された差信号をデジタル化し、デジタル化された積分された差信号を制御論理デバイス１２に提供する。
【００４７】
積分された差信号は、各電極に残された時間電荷の量または電荷サイクルのシーケンスのデューティーサイクルを調節するために、制御論理デバイス１２によって利用される。電荷サイクルのシーケンスのデューティーサイクルは、積分された差信号と相関される。単一の電荷サイクルのシーケンスまたは電荷サイクルのシーケンスのデューティーサイクルの２つの部分における差が、加速度の尺度となる。いくつかの電荷サイクルのシーケンスの後、妥当な加速度の値が決定され、制御論理デバイス１２のＩ／Ｏポートに提供され得る。
【００４８】
加速度計と関連付けられる加速度は、時間と共に変化し得、従って、上記のプロセスが、加速度の値に対する継続的な更新を提供するために繰り返されることが理解される。例えば、加速度計が、１０メガヘルツのクロックから実行され、Ｉ／Ｏに接続されたデバイスが、ヘルツまたはキロヘルツの範囲の周波数において更新される場合には、加速度の読み取りの良好な平均値が、各Ｉ／Ｏの更新に対して、制御論理デバイス１２によって導き出され得る。なぜならば、多くの電荷サイクルのシーケンスが生じるからである。
【００４９】
図２は、図１の加速度計システム１０の電極に対して電荷パルスを適用することと関連付けられるタイミング図を例示する。タイミング図は、複数の波形を含み、該複数の波形は、増幅器１６の入力に提供される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、電荷パルスの適用後、上部電極プレート２２および下部電極プレート２４のうちの一方または他方において保持される電圧に対応するプレート電圧波形５４とを含む。波形はまた、第１のサンプリングおよび保持のデバイス２５におけるプレート電圧をサンプリングすることと、第２のサンプリングおよび保持のデバイス２６におけるプレート電圧をサンプリングすることとの間で選択を行うサンプリングおよび保持の制御信号波形５６を含む。Ａ／Ｄサンプリング波形５８は、Ａ／Ｄ変換器３２による、積分された差信号のサンプリングを例示する。さらに、第１の組のスイッチ制御信号の切り替え状態を例示する第１のＨスイッチ波形６０と、第２の組のスイッチ制御信号の切り替え状態を例示する第２のＨスイッチ波形６２とが提供される。通常の極性構成において、第１のＨスイッチ波形６０は、スイッチＳ７の切り替え状態を例示し、第２のＨスイッチ波形６２は、スイッチＳ６の切り替え状態を例示する。反対の極性構成において、第１のＨスイッチ波形６０は、スイッチＳ２、Ｓ４およびＳ７の切り替え状態を例示し、第２のＨスイッチ波形６２は、スイッチＳ１、Ｓ５およびＳ６の切り替え状態を例示する。
【００５０】
図２のタイミング図において、上側の一組の「Ｔ」は、時間に関する段階を表すために利用され、下側の一組の「ｔ」は、時間間隔を表すために利用される。図２に例示されるように、時間Ｔ０において、リセット制御信号が、先の電荷サイクルのシーケンスから下部電極プレート２４に存在するあらゆる電圧を排除するために、上で述べられたように、アースまたは仮想アースに下部電極プレート２４を接続するために適用される。時間間隔ｔ１（例えば、５．３８ｍｓ）の終了において、第１のＨスイッチ波形６０は低くなるが、第２のＨスイッチ波形６２は高くなり、スイッチＳ７を開くことによって増幅器１６の出力から下部電極プレート２４の接続を断たせ、スイッチＳ６を閉じることによって増幅器１６の出力に上部電極プレート２２を接続させる。通常の極性構成において、スイッチＳ３は、閉じたままであり、プルーフマス２０を仮想アースに領域し、該仮想アースは、電荷増幅器１６の負の入力端末である。反転の極性構成において、スイッチＳ４が開き、プルーフマス２０から下部電極プレート２４を切り離し、スイッチＳ５が閉じて、仮想アースに下部電極プレート２４を接続し、スイッチＳ１が閉じて、上部電極プレート２２にプルーフマス２０を接続し、スイッチＳ２が開いて、仮想アースから上部電極プレート２２を切り離す。
【００５１】
時間間隔ｔ２（例えば、５．３８ｍｓ）の終了において、リセット波形５２は、低く変化し、アースまたは仮想アースから選択された上部電極プレート２２の接続を断つ。時間間隔ｔ３の終了において、リセット波形５２が低く変化したわずかに後、電荷パルス（Ｑ）が、電荷パルス波形５０に例示されたように、電荷パルス期間ｔ４（例えば、４．８９ｍｓ）の間、上部電極プレート２２に適用される。電荷パルス（Ｑ）は、パルス制御信号によって適用され、スイッチシステム１４を介して動作増幅器１６の負の端末に基準電圧ＶＲＥＦを接続するスイッチＳ８を閉じる。これは、通常の極性構成において、増幅器１６の出力および上部電極プレート２２に電荷パルスをもたらし、反対の極性構成において動作する場合には、上部電極プレート２２およびプルーフマス２０に電荷パルスをもたらす。
【００５２】
プレート電圧波形５４に例示されたように、上部電極プレート２２におけるプレート電圧は、電圧レベルＶ１に増え、該電圧レベルＶ１は、通常の極性構成における上部電極プレート２２に対するプルーフマス２０の移動と関連付けられ、かつ、反対の極性構成における上部電極プレート２２およびプルーフマス２０からの下部電極プレート２４の移動と関連付けられる。時間間隔ｔ５の終了において、プレート電圧が電圧レベルＶ１に増えた直後、第１のサンプリングおよび保持の回路２５は、サンプリングおよび保持の制御信号波形５６に例示されたように、サンプリングの時間間隔ｔ６の間、電極プレート２２における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に残る。時間間隔ｔ８は、電荷サイクルのシーケンスの時間間隔ｔｃｃｓの第１の部分を表す。電圧Ｖ１が上部電極プレート２２に残っている時間の間、通常の極性構成と反対の極性構成との両方において、一定の静電力がプルーフマス２０に適用される。
【００５３】
時間Ｔ９において、リセット信号が適用され、上部電極プレート２２に、電荷サイクルのシーケンスの第１の部分からの、上部電極プレート２２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の終了において、第２のＨスイッチ波形６２が低くなり、一方、第１のＨスイッチ波形６０が高くなり、増幅器１６の出力から上部電極プレート２２の接続が切断され、増幅器１６の出力に下部電極プレート２４を接続される。通常の極性構成において、スイッチＳ３は、閉じたままであり、プルーフマス２０を仮想アースに接続し、該仮想アースは、電荷増幅器１６の負の入力端末である。反対の極性構成において、スイッチＳ１が開き、プルーフマス２０から上部電極プレート２２を切り離し、Ｓ２が閉じて、仮想アースに対して上部電極プレート２２を接続し、スイッチＳ４が閉じて、下部電極プレート２４に対してプルーフマス２０を接続し、スイッチＳ５が開き、仮想アースから下部電極プレート２４を切り離す。
【００５４】
Ｔ９からの時間間隔ｔ１１の終了において、リセット波形５２は、低く変化し、選択された下部電極プレート２４からアースまたは仮想アースの接続を切断する。Ｔ９からの時間間隔ｔ１２の終了において、リセット波形５２が低く変化した少し後に、電荷パルス（Ｑ）が、電荷パルス波形５０に例示されるように、電化パルス期間ｔ１３（例えば、４．８９ｍｓ）の間、下部電極プレート２４に適用される。電荷パルス（Ｑ）は、パルス制御信号および極性選択信号によって適用され、基準電圧ＶＲＥＦを動作増幅器１６の負の端末に接続する。これは、増幅器１６の入力における電荷パルスと下部電極プレート２４における電荷パルスとをもたらす。
【００５５】
プレート電圧波形５４に例示されたように、下部電極プレート２４のプレート電圧は、正の電圧レベルＶ２に増え、該正の電圧レベルＶ２は、通常の極性構成における下部電極プレート２４に対するプルーフマス２０の移動と関連付けられ、かつ、反対の極性構成における下部電極プレート２４およびプルーフマス２０からの上部電極プレート２２の移動と関連付けられる。時間Ｔ９からの時間間隔ｔ１４の終了において、プレート電圧が電圧レベルＶ２に増えた直後に、第２のサンプリングおよび保持の回路２６が、サンプリングおよび保持の制御信号波形５６に例示されるように、サンプリングの時間間隔ｔ１５の間、下部電極プレート２４における電圧をサンプリングする。
【００５６】
時間Ｔ９からの時間間隔ｔ７の終了において、サンプリングの時間間隔ｔ１５の終了の少し後に、Ａ／Ｄ変換器３２は、Ａ／Ｄサンプリング波形５８に例示されるように、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、差増幅器２８から差信号を受信し、該差増幅器２８は、第１のサンプリングおよび保持のデバイス２５の上部電極プレートの電圧Ｖ１と、第２のサンプリングおよび保持のデバイス２６からの下部電極プレートの電圧Ｖ１との電圧差を提供する。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に残る。時間間隔ｔ１６は、電荷サイクルシーケンスの時間間隔ｔｃｃｓ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に適用される時間Ｔ１７まで、電圧Ｖ２が下部電極プレート２４に残っている時間の間、一定の静電力が、通常の極性構成と反対の極性構成との両方において、プルーフマス２０に適用される。電荷サイクルシーケンスの時間間隔ｔｃｃｓは、一定のままであるが、時間間隔ｔ８およびｔ１６は、上部電極プレート２２と下部電極プレート２４との間のプルーフマス２０をゼロにするために必要とされる力に基づいて変化する。電荷サイクルシーケンスの時間間隔ｔｃｃｓ（すなわち、時間間隔ｔ８とｔ１６との合計）のうちの第１の部分の時間間隔ｔ８の割合は、電荷サイクルシーケンスのデューティーサイクルを表す。電荷サイクルのシーケンスのデューティーサイクルは、プルーフマス２０によって経験された加速度を導き出すために利用され得る。
【００５７】
上記の構成および上で記述された機能特徴を鑑みて、本発明の様々な局面に従った方法論が、図３を参照してより良く理解される。説明の明快さの目的で、図３の方法論は、連続的に実行するように示されかつ記述されているが、本発明に従った一部の局面が、異なる順序で、および／または本明細書において示されかつ記述された局面とは別の局面と同時に生じ得るので、本発明は、例示された順序に限定されないことが理解されかつ認められる。さらに、全ての例示された特徴が、本発明の局面に従った方法論を実装することを必要とされ得るというわけではない。
【００５８】
図３は、力平衡計器、例えば、加速度計における誤差を軽減する方法論を例示する。力均衡計器は、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感知要素を含む。方法論は１００で開始し、ここで、通常の極性構成および反対の極性構成のうちの１つが選択される。通常の極性構成において、プルーフマスは、仮想アースに接続され、第１の電極プレートと第２の電極プレートのうちの選択された電極プレートが、交互に伝播パルスを受け取る。反対の極の様式において、プルーフマスが、第１の電極プレートと第２の電極プレートのうちの選択されていないプレートに接続され、第１の電極プレートと第２の電極プレートのうちの選択されたプレートが仮想アースに接続されるが、第１の電極プレートと第２の電極プレートのうちの選択されていないプレートは、プルーフマスに接続されて、交互に電荷パルスを受け取る。通常の極性構成と反対の極性構成との間の切り替え動作は、通常の極性構成における電荷パルスによってもたらされる、電極におけるあらゆる残余の電荷の除去をもたらす。結果として、電極に残される正味の残余の電荷が減少される。
【００５９】
１１０において、第１の電極プレート（例えば、上部電極）が、選択された電荷の極性を用いてパルスされ、第１の電極プレートが、通常の極性構成におけるプルーフマスに対する第１の電極プレートの移動に関連付けられるか、または反対の極性構成におけるプルーフマスおよび第１の電極プレートに対する第２の電極プレートの移動に関連付けられる電圧レベルを達成した少し後に、第１の電極プレートの電圧が、サンプリングされる。１２０において、電荷サイクルのシーケンスの第１の部分が完了した後に、第１の電極プレートが放電される。次に、方法論は１３０に進む。
【００６０】
１３０において、第２の電極プレート（例えば、下部電極）が、選択された電荷の極性を用いてパルスされ、第２の電極プレートが、通常の極性構成におけるプルーフマスに対する第２の電極プレートの移動に関連付けられるか、または反対の極性構成におけるプルーフマスおよび第２の電極プレートに対する第１の電極プレートの移動に関連付けられる電圧レベルを達成した少し後に、第２の電極プレートの電圧が、サンプリングされる。１４０において、電荷サイクルのシーケンスの第２の部分が完了した後に、第２の電極プレートが放電される。次に、方法論は１５０に進む。１５０において、第１の電極プレートと第２の電極プレートとの電圧差が計算され、該電圧差は、第１の電極プレートと第２の電極プレートとに対するプルーフマスの移動の示度を提供する。次に、方法論は１６０に進んで、プルーフマスによって経験された加速度の良好な示度を提供するデューティーサイクルを設定するために、時間にわたって計算された電圧差の総計を行う。総計された電圧差は、電荷サイクルのシーケンスの第１の部分と第２の部分との時間間隔を決定して、電荷サイクルシーケンスのデューティーサイクルを調節するために利用される。これが、プルーフマスをゼロにするために必要な力の指示を提供し、かつ、プルーフマスの加速度を決定するために利用され得る。次に、方法論は１７０に進む。
【００６１】
１７０において、方法論は、電荷サイクルの期間が完了したかどうかを決定する。例えば、電荷サイクルの期間は、単一の電荷サイクルのシーケンスであり得る。あるいは、電荷サイクルの期間は、複数の電荷サイクルのシーケンスを含み得る。電荷サイクルの期間が完了していない場合（ＮＯ）には、方法論は１１０に戻って、第１の電極および第２の電極に対して選択された極性の電荷パルスを提供することを続ける。電荷サイクルの期間が完了した場合（ＹＥＳ）には、方法論は１８０に進む。１８０において、選択された感知要素の構成が、通常の極性構成と反対の極性構成とのうちの他方に変更される。次に、方法論は１１０に戻って、次の電荷サイクルの期間が完了するまで、変更された極性構成に電荷パルスを提供する。
【００６２】
上に記述されたものは、本発明の例示的な実装を含む。当然、本発明を記述する目的で、コンポーネントまたは方法論の全ての考えられる組み合わせを記述することは、可能ではないが、本発明の多くの更なる組み合わせおよび変更が可能であることを、当業者は認識する。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲内にある全てのかかる代替案、改変、および変化形を含むことを意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】図１は、本発明の局面に従った加速度計システムの概略図を例示する。
【図２】図２は、図１の加速度計の電極に対して電荷パルスを適用することと関連付けられるタイミング図を例示する。
【図３】図３は、本発明の局面に従った力平衡計器における誤差を軽減する方法論を例示する。
【符号の説明】
【００６４】
１０  加速度計システム
１２  制御論理デバイス
１６  電荷増幅器
１８  Ｈスイッチ
２０  プルーフマス
２２  上部電極プレート
２４  下部電極プレート
３０  積分器
３２  アナログデジタル変換器
Ｓ１〜Ｓ８  スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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