JP5778810B2 - 加速度計センサ・システムの範囲依存バイアス較正 - Google Patents

Description

本開示は、一般に、センサ・システムに関し、詳細には、加速度計センサ・システムの範囲依存バイアス較正に関する。

力平衡型感知器具、たとえば加速度計などでは、器具の出力信号が感知されるべき入力状態に比例することが、一般に望まれる。したがって、多くのタイプの静電気および電磁気の力平衡型感知器具では、器具の出力と感知した入力との間に線形関係を得るために、特別の技術が求められる。静電気および電磁気の器具では、器具のフォーサ（ｆｏｒｃｅｒ）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の電圧または電流には線形で関係付けられない。さらにまた、器具自体の最適な動作には、フィードバック制御回路網によって印加されるフィードバック力が感知した入力に対して線形の関係を有することが、好ましい。それゆえ、そのような線形性を得るために、特別の技術が用いられてきた。

一例として、静電気の力平衡型加速度計では、閉ループ・システムにおける静電気による強制力（ｆｏｒｃｉｎｇ）が、振り子式の慣性質量部またはプルーフマス（ｐｒｏｏｆ ｍａｓｓ）を位置付けて、それから出力を得るように用いられる。静電気の強制力システムは、シリコン基板からエッチングされている、振り子式の部材の両側の容量性のピックオフ電極を用いる。制御パルスが、一定量の電荷を各電極に順次印加するように用いられる。電荷がそれぞれのプレート上に残される時間量（たとえばデューティ・サイクル）を変化させることによって、可変力が慣性質量部に印加される。電荷がそれぞれのプレート上に残される時間量は、ヌル位置に対する慣性質量部の変位に基づく。

加速度計のスケール・ファクタおよびバイアスの不確定性が、慣性測定およびナビゲーションのシステムのうちの少なくとも一方における主なエラー原因になり得る。バイアスの不確定性は、ターンオン時の過渡の振る舞いと、ヒステリシスを含めた温度特性に対するバイアスのモデル化不可能性（ｎｏｎ−ｍｏｄｅｌａｂｉｌｉｔｙ）と、その不安定性とから生じる場合があり、また単に時間とともにある傾向を取る場合もある。スケール・ファクタのエラーは、一様でない電荷分布、感知信号の非対称性、材料の懸念事項および環境条件から起きる作用など、様々な原因から生じる可能性がある。特にダイナミックな環境下で、加速度計のスケール・ファクタおよびバイアスの不確定性を軽減すると、慣性測定およびナビゲーションのシステムの性能を著しく向上させることができる可能性がある。

米国特許第４８６２３９４号明細書 米国特許出願公開第２００５／０１７２７１５号明細書

本発明の一実施形態は、加速度計センサ・システムを含む。本システムは、プルーフマスおよび電極を含み、かつ入力加速度に応答して電極に印加される制御信号に基づいて加速度フィードバック信号を発生するように構成されているセンサを含む。また、本システムは、加速度フィードバック信号に基づいて入力加速度を測定するように構成されている加速度構成要素を含む。本システムは、センサと関連する第１のスケール・ファクタの範囲を定め、かつセンサと関連する第２のスケール・ファクタの範囲を定める制御信号を発生するように構成されている加速度制御器をさらに含む。加速度制御器は、第１のスケール・ファクタの範囲および第２のスケール・ファクタの範囲において、測定された入力加速度間の差に基づき、範囲依存バイアス・エラーに関して加速度計センサ・システムを較正するように構成されている較正構成要素を含む。

本発明の別の実施形態は、加速度計センサ・システムを較正するための方法を含む。本方法は、第１のスケール・ファクタの範囲において加速度計センサ・システムに付属するセンサに対して作用する入力加速度を測定することを含む。また、本方法は、加速度計センサ・システムのスケール・ファクタの範囲を、第１のスケール・ファクタの範囲から第２のスケール・ファクタの範囲に調節することを含む。また、本方法は、第２のスケール・ファクタの範囲においてセンサに対して作用する入力加速度を測定することを含む。本方法は、第１のスケール・ファクタの範囲および第２のスケール・ファクタの範囲に基づくアルゴリズムを実行して、推定される範囲依存バイアス・エラーを計算することであって、測定された入力加速度が推定される範囲依存バイアス・エラーに基づく、計算することをさらに含む。

本発明の別の実施形態は、加速度計センサ・システムを含む。本システムは、プルーフマスおよび電極を含み、かつ入力加速度に応答して電極に印加される制御信号に基づいて加速度フィードバック信号を発生するように構成されているセンサを含む。また、本システムは、加速度フィードバック信号および推定された範囲依存バイアス・エラーに基づいて入力加速度を測定するように構成されている加速度構成要素を含む。本システムは、センサと関連する第１のスケール・ファクタの範囲を定め、かつセンサと関連する第２のスケール・ファクタの範囲を定める制御信号を発生するように構成されている加速度制御器をさらに含み、加速度制御器は、第１のスケール・ファクタの範囲および第２のスケール・ファクタの範囲において、測定された入力加速度間の差に基づき、推定される範囲依存バイアス・エラーをリアルタイムで計算し、測定された入力加速度から推定された範囲依存バイアス・エラーを減算することによって、範囲依存バイアス・エラーに関して加速度計センサ・システムを実質的に連続的に較正するように構成されている較正構成要素を含む。

加速度計センサ・システムの一例を示す図。 センサの一例の図形を示す図。 センサの別の例の図形を示す図。 加速度計の較正アルゴリズムの一例を示す図。 加速度計センサ・システムを較正するための方法の一例を示す図。

本開示は、一般にセンサ・システムに関し、詳細には加速度計センサ・システムの範囲依存バイアス較正に関する。加速度計センサ・システムは、振り子式のプルーフマスと、（たとえば、プルーフマスの両側における）一セットの電極とを含むセンサを含む。センサは、入力加速度に応答してプルーフマスおよび電極のうちのいずれか一方に提供される制御信号に応答して加速度フィードバック信号を提供する。また、加速度計センサ・システムは、加速度フィードバック信号に基づき、かつ推定されたスケール・ファクタに依存するバイアス・エラーに基づき、加速度計システムに作用する入力加速度の大きさを計算するように構成されている加速度構成要素を含む。一例として、加速度構成要素は、計算された入力加速度から推定されたスケール・ファクタに依存するバイアス・エラーを減算し、計算された入力加速度からバイアス・エラー分だけ実質的に軽減するように構成されている。加速度計センサ・システムは、センサと関連する第１のスケール・ファクタの範囲および第２のスケール・ファクタの範囲において、制御信号を発生するように構成されている加速度計制御器をさらに含み、第１のスケール・ファクタの範囲および第２のスケール・ファクタの範囲において、測定された入力加速度間の差に基づき、加速度計センサ・システムを較正するように構成されている較正構成要素を含む。

加速度計センサ・システムの動作の間、加速度計は、リアルタイムで自己較正を実質的に連続的に実施する。一例として、自己較正は、２つのスケール・ファクタの範囲の間で周期的に交互に行うことを含む。それらスケール・ファクタの範囲のそれぞれでは、加速度計センサ・システムは、入力加速度を測定することができ、較正構成要素は、測定された入力加速度に基づいて、推定される範囲依存バイアス・エラーを計算するアルゴリズムを実行する。それゆえ、推定される範囲依存バイアス・エラーは、入力加速度のその後の測定において用いることができ、較正構成要素によって推定される範囲依存バイアス・エラーを連続的に更新して、推定される範囲依存バイアス・エラーの大きさを、ほぼゼロの状態に実質的に維持することができる。従って、入力加速度の測定は、実質的にエラーが範囲依存バイアス・エラーから生じない状態で、かつ加速度計センサ・システムのリアルタイムの機能が中断されることなく実施することができる。

図１は、本発明の態様による加速度計センサ・システム１０の一例を示す。加速度計センサ・システム１０は、ナビゲーションおよび誘導のシステムのうちの少なくとも一方などについて、様々な用途のいずれでも実現することができる。一例として、加速度計センサ・システム１０は、単一の集積パッケージ中に、または集積パッケージの一部として配置することができる。加速度計センサ・システム１０は、図１の例で信号ＡＣＣとして示す、加速度計センサ・システム１０に作用する外部からの入力加速度を測定するように校正される。本明細書に述べるように、外部からの加速度または入力加速度は、加速度計センサ・システム１０に印加される外力から生じる、加速度計センサ・システム１０の加速度として定義され、それは、重力、さらにまた他の外力から生じる加速度を含むことができる。本明細書に述べるように、加速度計センサ・システム１０は、スケール・ファクタの範囲依存バイアス・エラー分だけ実質的に軽減するように構成され、計算された加速度ＡＣＣは、範囲依存バイアスによって引き起こされるエラーが実質的にない。

加速度計センサ・システム１０は、センサ１２を含む。センサ１２は、プルーフマス１４と、対応する一セットの電極１６とを含む。プルーフマス１４は、プルーフマス１４が外部からの加速度に対して反対の方向に押しやられるように構成される。また、加速度計センサ・システム１０は、加速度計制御器１８を含む。加速度計制御器１８は、信号発生器２０とプロセッサ２２とを含む。信号発生器２０は、力による再平衡化（ｆｏｒｃｅ ｒｅｂａｌａｎｃｅ）を行うようにしてプルーフマス１４を実質的な電気的ヌル位置に維持するように、一セットの電極１６のそれぞれに提供される制御信号ＳＩＧを発生するように構成されている。それゆえ、プロセッサ２２は、力による再平衡化の実施に基づき、制御信号ＳＩＧの振幅、極性、継続期間およびデューティ・サイクルの１つまたは複数を調節することなどよって、プルーフマス１４の力による再平衡化を実施するように信号発生器２０を制御する。したがって、プロセッサ２２は、プルーフマス１４をヌル位置に戻す力による再平衡化に基づき、プルーフマス１４に対して作用する力に応答して加速度計センサ・システム１０の入力加速度を計算するように構成される。一例として、センサ１２および加速度計制御器１８が付属電子部を構成し、静電気の加速度計システムとして本明細書に示され。しかし、センサ１２および加速度計制御器１８の付属電子部は、静電気の加速度計システムに限定することを意図しておらず、電磁気の加速度計システムなど、様々な他のタイプの加速度計システムとして実現することができることを理解すべきである。

本明細書に述べるように、ヌル位置は、プルーフマス１４がほぼゼロの変位であるプルーフマス１４と関連する静止位置（ｒｅｓｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）を表すことができる。一例として、機械的ヌルは、プルーフマス１４をセンサ１２の付随フレームに保持するたわみ部が、どちらの方向にも力を印加していないプルーフマス１４の位置に対応しており、電気的ヌルは、プルーフマス１４の上および下に在るそれぞれの電極１６が、互いに関してプルーフマス１４に対してほぼゼロの真の力を印加しているプルーフマス１４の位置に対応している。公称的に、機械的ヌルおよび電気的ヌルは、プルーフマス１４の同じ場所に対応している。しかし、スケール・ファクタの範囲依存バイアスの不確定性の１つの原因は、本明細書に述べるように、組み立て公差およびエラーの他の原因から生じる可能性がある、機械的ヌルと電気的ヌルとの間の差に基づく。さらに、スケール・ファクタの範囲依存バイアスの不確定性は、組み立て公差から生じるものなど、プルーフマス１４の上方および下方の電極１６の間の実質的な不整合から起こり得る。

一例として、信号発生器２０は、大きさおよび極性が実質的に等しい電荷パルス（たとえば電流パルス）を発生することができ、プロセッサ２２は、一セットの電極１６に所定のシーケンスで電荷パルスを提供し、それによってプルーフマス１４をそれぞれのヌル位置に向けて加速する（すなわちプルーフマス１４を再平衡化する）静電力が発生するように構成されている。たとえば、プロセッサ２２は、信号発生器２０によって発生される電荷パルスを少なくとも１つのセットの電極１６に、次いで別の少なくとも１つのセットの電極１６に交互に提供することができ、それによって極性が反対の交番静電力が発生する。その結果として、プルーフマス１４は、第１の方向および第２の方向に交互に加速され、それによってプルーフマス１４が、電荷パルスの印加毎に、ヌル位置に向けて位置付けられる。プロセッサ２２は、外力に応答して、制御信号ＳＩＧに対応する、それぞれのプルーフマス１４の一方側により大きい再平衡化の力を印加するようなパルス幅変調（ＰＷＭ：pulse-width modulation）法で電流パルスのデューティ・サイクルを変化させるように構成される。

別の例として、信号発生器２０およびプロセッサ２２は、プルーフマス１４の力による再平衡化を実施する電圧制御スキームを実施することができる。たとえば、信号発生器２０は、電圧バイアス信号をプルーフマス１４に印加することができ、一セットの電極１６のそれぞれに制御電圧を提供することができる（たとえば制御信号ＳＩＧを介して）。それゆえ、プルーフマス１４は、一セットの電極１６における電圧バイアス信号と制御電圧の間の差に基づき、ヌル位置に実質的に保持することができる。あるいは、プルーフマス１４は、実質的に電気的に接地することができ、したがって信号発生器２０は、制御電圧を一セットの電極１６に印加するように構成することができる。その結果として、プロセッサ２２は、それぞれのプルーフマス１４を力で再平衡化するために、一セットの電極１６における制御電圧の大きさおよびそれぞれの極性を設定することができる。

一セットの電極１６とプルーフマス１４との間の容量性結合の結果として、加速度フィードバック信号が一セットの電極１６で発生され、その信号は、プルーフマス１４の相対的な変位を表すものである。図１の例では、加速度フィードバック信号は、信号ＦＢとして示す。それゆえ、加速度フィードバック信号ＦＢは、一セットの電極１６に対するプルーフマス１４の変位（すなわち容量性のギャップ）に比例させることができる。それによって、加速度フィードバック信号ＦＢは、プルーフマス１４の相対的な変位の大きさの指示値を提供する。また、プロセッサ２２は、外部加速度から生じるものなど、プルーフマス１４の変位およびプルーフマス１４の変位の時間積分のうちの少なくとも一方に対応する加速度フィードバック信号ＦＢに基づき、一セットの出力信号ＰＭを発生するように構成される。図１の例では、出力信号ＰＭは、加速度構成要素２４に提供される。一例として、加速度構成要素２４は、カルマン・フィルター（Ｋａｌｍａｎ ｆｉｌｔｅｒ）として構成することができる。加速度構成要素２４は、出力信号ＰＭに基づき、外部加速度の大きさを計算するように構成する。計算された外部加速度は、図１の例に信号ＡＣＣとして示す。

信号発生器２０は、信号発生器２０によって発生される制御信号ＳＩＧに基づき、入力加速度の計算と関連付けてスケール・ファクタの範囲を設定するように構成される。スケール・ファクタの範囲は、本明細書に述べるように、最小加速度と最大加速度（たとえば絶対値が最大）の間の加速度フィードバック信号ＦＢの値の範囲を表し、スケール・ファクタは、加速度フィードバック信号ＦＢのその範囲中の値に基づき入力加速度を測定するために決定することができる。それゆえ、スケール・ファクタの範囲またはフル・スケールの範囲は、本明細書に述べるように、センサ１２の感知軸に平行および逆平行の両方である最大の測定可能な加速度の加速度フィードバック信号ＦＢの値に対応している。その結果として、スケール・ファクタの範囲のスケール・ファクタは、最大の測定可能な加速度の加速度フィードバック信号ＦＢの値に基づき設定することができ、入力加速度の大きさは、その測定を可能にするように補間することができる。しかし、入力加速度の測定に不確定性をもたらす恐れがあるバイアス・エラーの少なくとも一部分は、範囲依存可能性であり、その点で、バイアス・エラーは、範囲（たとえば、フル・スケール範囲）の関数である。そのようなバイアス・エラーは、組み立ての不整合および一セットの電極１６の電極の公差のうちの少なくとも一方など様々な原因から、プルーフマス１４から、または加速度計制御器１８中の電子部から生じる可能性がある。

図１の例では、また、加速度計制御器１８は、較正構成要素２６とメモリ２８とを含む。較正構成要素２６は、少なくとも２つの別のスケール・ファクタの範囲のそれぞれにおいて、計算された入力加速度中の差に基づき、範囲依存バイアス・エラーの影響を実質的に軽減するように構成されている。たとえば、範囲依存バイアス・エラーは、センサ１２のスケール・ファクタの範囲についての変化に基づいて観測することができる。したがって、較正構成要素２６は、センサ１２のスケール・ファクタの範囲を変化させるようにする制御信号ＳＩＧをセンサ１２に提供するように信号発生器２０に命令して、範囲依存バイアス・エラーを計算し、入力加速度の測定から実質的に削除することができる。たとえば、較正構成要素２６は、センサ１２のスケール・ファクタの変化と関連するタイミングを指示するように構成され、較正構成要素２６は、リアルタイムで加速度計センサ・システム１０を周期的に較正するように具体化することができる。

スケール・ファクタは、たとえば第１のスケール・ファクタの範囲と関連するスケール・ファクタから第２のスケール・ファクタの範囲と関連する所定のスケール・ファクタに変化させることができる。それゆえ、スケール・ファクタは、メモリ２８中に保存することができる。加速度構成要素２４が第１のスケール・ファクタの範囲でセンサ１２に作用する入力加速度ＡＣＣを測定したとき、較正構成要素２６は、センサ１２に対する制御信号ＳＩＧを変化させるように信号発生器２０に命令して、第１のスケール・ファクタの範囲から第２のスケール・ファクタの範囲に切り替える。そして、加速度構成要素２４は、第２のスケール・ファクタの範囲で入力加速度ＡＣＣを測定する。図１の例では、加速度計制御器１８は、信号ＳＦとして示すスケール・ファクタを加速度構成要素２４に提供し、加速度構成要素２４は、その対応するスケール・ファクタに基づき、入力加速度ＡＣＣを測定する。較正構成要素２６は、スケール・ファクタの範囲のそれぞれにおいて測定された入力加速度ＡＣＣに基づき、推定される範囲依存バイアス・エラーＢ_Ｅを計算する。一例として、較正構成要素２６は、推定される範囲依存バイアス・エラーＢ_Ｅを計算するアルゴリズムを実行する。推定される範囲依存バイアス・エラーＢ_Ｅは、加速度構成要素２４に提供され、推定される範囲依存バイアス・エラーは、入力加速度ＡＣＣのその後の計算から実質的に削除される。

一例として、較正構成要素２６は、スケール・ファクタの範囲の周期的な変化に基づくアルゴリズムを周期的に実行して、加速度計センサ・システム１０の較正を、リアルタイムで実質的に連続的に実施することができる。たとえば、スケール・ファクタの範囲の周期的な切替えおよび対応するアルゴリズムの周期的な実行は、範囲依存バイアス・エラーの推定が、実質的に連続的に計算され、入力加速度の実質的に連続的な測定値から推定値を削除することができるのに十分に高い頻度で行うことができる。したがって、加速度計センサ・システム１０は、公称動作中にリアルタイムで自己較正を実施することができる。

第２の例として、較正構成要素２６は、スケール・ファクタの範囲の疑似ランダム的な周期的変化に基づくアルゴリズムを周期的に実行して、加速度計センサ・システム１０の較正を、入力加速度がより大きな動態を示す状態で、リアルタイムで実質的に連続的に実施することができる。たとえば、スケール・ファクタの範囲の周期的な切替えおよびそれに対応するアルゴリズムの周期的な実行は、各スケール・ファクタの範囲と関連する疑似ランダム的な無調の時間周期によって行なわれ、範囲依存バイアス・エラーの推定は、実質的に連続的に計算され、加速度がより大きな動態を示す状態で、入力加速度の実質的に連続的な測定値から範囲依存バイアス・エラーの推定値を削除することができる。この場合、アルゴリズムは、それぞれの測定期間に基づいて各測定値および範囲依存バイアス・エラーの推定の対応する変更値に重みを付加するように変更されてもよい。したがって、加速度計センサ・システム１０は、公称動作の間に、リアルタイムで自己較正を実施することができる。

第３の例として、較正構成要素２６は、３つ以上のスケール・ファクタの範囲の間における疑似ランダム的な周期的変化に基づくアルゴリズムを周期的に実行して、加速度計センサ・システム１０の較正を、入力加速度がより大きな動態を示す状態で、リアルタイムで実質的に連続的に実施することができる。たとえば、スケール・ファクタの範囲の周期的な切替えおよびそれに対応するアルゴリズムの周期的な実行は、各スケール・ファクタの範囲と関連する疑似ランダム的な無調の時間周期によって行われ、利用できるスケール・ファクタの範囲が疑似ランダム的に切り替えられ、範囲依存バイアス・エラーの推定を、実質的に連続的に計算し、加速度が実質的に動態を示す状態で、入力加速度の実質的に連続的な測定値から範囲依存バイアス・エラーの推定値を削除することができる。この場合、アルゴリズムは、それぞれの測定期間および測定毎のそれぞれのスケール・ファクタの範囲に基づいて各測定値、および範囲依存バイアス・エラーの推定値の対応する変更値に重みを付けるように変更されてもよい。したがって、加速度計センサ・システム１０は、公称動作の間に、リアルタイムで自己較正を実施することができる。

以前に述べたように、センサ１２のスケール・ファクタの範囲の変化は、センサ１２に提供される制御信号ＳＩＧに基づき実施することができる。スケール・ファクタの範囲を調節することができる方法には、センサ１２の力による再平衡化の実施のタイプに基づくものがある。図２は、センサ５２の一例の図形５０を示す。本明細書に述べるように、図形５０は、電圧制御の力による再平衡化を実施する場合に関して、スケール・ファクタの範囲を調節することができる第１の例を示す。

センサ５２は、図１の例のセンサ１２に対応している。センサ５２は、振り子式のプルーフマス５４、第１の電極５６および第２の電極５８を含む。第１の電極５６および第２の電極５８は、プルーフマス５４と対向する表面上に配置され、それぞれ、単一の電極または一セットの電極として配置することができる。プルーフマス５４は、センサ５２のフレーム６０に、一セットのたわみ部６２を介して結合される。たわみ部６２は、図２の例では、互いに上と下に配置されるペアのたわみ部として構成されている。したがって、入力軸６４に沿った上下のプルーフマス５４の動きは、フレーム６０に対して実質的に平面状の動きとして維持され、電極５６および５８に対するプルーフマス５４の角度は、公称ゼロであり、スケール・ファクタおよびセンサのバイアスのうちの少なくとも一方に影響を及ぼす可能性があるくさび効果（ｗｅｄｇｅ−ｅｆｆｅｃｔ）を実質的に避けるように、実質的に一定の状態に維持される。しかし、センサ５２は、複数のたわみ部６２に限定されるものと意図せず、プルーフマス５４のために単一のたわみ部６２のみを含むことができることを理解すべきである。一例として、加速度計センサ・システム１０は、３つのウェハー層として組み立てることができ、１つの層はプルーフマス５４を含み、１つの層は第１の電極５６を含み、１つの層は第２の電極５８を含む。したがって、プルーフマス５４、第１の電極５６および第２の電極５８は、実質的に工程で互いに整合する構成要素として組み立てることができる。また、フレーム６０は、それぞれのウェハーの一部として組み立てられ、フレーム６０の部分がそれぞれの層に結合されている。

また、図形５０は、電圧Ｖ_１を発生する第１の電圧源６６および電圧Ｖ_２を発生する第２の電圧源６８を示す。電圧源６６および６８は、スイッチ７０に基づき互いに対して排他的にプルーフマス５４に結合され、所与の時間において電圧Ｖ_１および電圧Ｖ_２の１つをプルーフマス５４に供給する。一例として、電圧源６６および６８は、信号発生器２０と関連付けることができ、電圧Ｖ_１およびＶ_２は、電極５６および５８に提供される他の制御信号とともに、制御信号ＳＩＧの一部とすることができる。電圧Ｖ_１およびＶ_２は、互いに対して異なる値を取ることができ、電圧Ｖ_１は、第１のスケール・ファクタの範囲と関連付けられ、電圧Ｖ_２は、第２のスケール・ファクタの範囲と関連付けられ。スイッチ７０は、信号ＳＷを介して制御され、その信号は、較正構成要素２６によって設定される切替え頻度に基づきアサートおよびデアサートされる。したがって、スイッチ７０は、センサ５２の第１のスケール・ファクタの範囲を設定する電圧Ｖ_１の電位と、センサ５２の第２のスケール・ファクタの範囲を設定する電圧Ｖ_２の電位との間でプルーフマス５４を交互に切り替えることができる。プルーフマス５４をそれぞれの電圧Ｖ_１およびＶ_２に設定する毎に、入力加速度は、感知軸６４に沿って測定され、推定される範囲依存バイアス・エラーは、個々の電圧Ｖ_１およびＶ_２によって設定される第１および第２のスケール・ファクタの範囲のそれぞれにおける入力加速度の個々の値に基づき、計算される。図２の例が２つの別の電圧源６６および６８を示しているが、電圧Ｖ_１およびＶ_２は、単一の電圧源によって発生するようにしてもよく、単一の電圧源を分圧器に、および分圧器から切り替えて、対応する個々のスケール・ファクタの範囲に対する個々の電圧が供給されることを理解すべきである。

図３は、センサ５２の一例の図形１００を示す。本明細書に述べるように、図形１００は、電荷が制御される力による再平衡化を実施する場合、スケール・ファクタの範囲を調節することができる第２の例を示す。図３の例では、センサ５２は、図２の例におけるセンサ５２と実質的に同じように組み立てて配置することができる。それゆえ、図２の例の説明で付与されたのと同様の参照番号を、図３の例の説明でも与えている。

図形１００は、ＰＷＭ制御器１０２と、電流Ｉ_１を発生する第１の電流源１０４と、電流Ｉ_２を発生する第２の電流源１０６とを含む。電流源１０４および１０６は、ＰＷＭ制御器１０２に基づき、それぞれの電流Ｉ_１およびＩ_２を電極５４および５６に印加する。電流Ｉ_１およびＩ_２は、ＰＷＭ制御器１０２によって制御されて、個々の電極５６および５８において電荷パルスが発生して、プルーフマス５４の力による再平衡化が実施される。一例として、ＰＷＭ制御器１０２は、信号発生器２０によって制御することができる。信号発生器２０は、第１のスケール・ファクタの範囲と第２のスケール・ファクタの範囲との間にセンサ５２を設定して、個々の電極５６および５８に印加されるときの電流Ｉ_１およびＩ_２の大きさまたは持続期間などに基づき、ＰＷＭ制御器１０２を介して電流Ｉ_１およびＩ_２を制御する。それによって、第１のスケール・ファクタの範囲および第２のスケール・ファクタの範囲の各設定に関して、入力加速度を感知軸６４に沿って測定することができ、電流Ｉ_１およびＩ_２によって設定される第１のスケール・ファクタの範囲および第２のスケール・ファクタの範囲のそれぞれにおける入力加速度の個々の値に基づき、推定される範囲依存バイアス・エラーを計算することができる。

図４は、加速度計の較正アルゴリズム１５０の一例を示す。図４の例の較正アルゴリズム１５０は、図１の例の加速度計センサ・システム１０に対して、推定されるスケール・ファクタの範囲依存バイアス・エラーをリアルタイムで計算するように実行する。したがって、図４の例の次の説明では、図１の例を参照されたい。より詳細に本明細書に説明するように、加速度計の較正アルゴリズム１５０は、加速度計センサ・システム１０の公称動作の間、リアルタイムで繰り返し実行され、推定される範囲依存バイアス・エラーの大きさをほぼゼロの状態に維持する。さらに、加速度計の較正アルゴリズム１５０は、図４の例では、時間が経過するにつれて左側から右側に流れ、他のステップより後に残されるステップは、時間でその順に実施され、図４の例では左側から右側へ実質的に整列されたステップは、実質的に同時に実施される。

ステップ１５２で、センサ１０のスケール・ファクタの範囲ＳＦＲ_Ｓが、第１のスケール・ファクタの範囲ＳＦＲ_１のために設定される。一例として、第１のスケール・ファクタの範囲ＳＦＲ_１は、図２の例で述べたように、プルーフマス１４に印加される電圧を変化させることに基づき、あるいは図３の例で述べたように、電極１６に電流を印加している持続期間を変化させることに基づき設定することができる。実質的にそれと同時に、ステップ１５４で、切替え率Ｒ_Ｓが、較正構成要素２６によって設定される。たとえば、切替え率Ｒ_Ｓは、入力加速度の連続的なリアルタイムの測定および推定される範囲依存バイアス・エラーの連続的なリアルタイムの計算を容易にするために、実質的に高い頻度に設定することができる。

ステップ１５６で、入力加速度が、第１のスケール・ファクタの範囲ＳＦＲ_１で測定される。図４の例では、第１のスケール・ファクタの範囲ＳＦＲ_１で測定された入力加速度は、ＡＣＣ_１として示される。入力加速度ＡＣＣ_１の測定は、推定される範囲依存バイアス・エラーＢ_Ｅおよび第１のスケール・ファクタの範囲ＳＦＲ_１と関連するスケール・ファクタＳＦ_１に基づき、加速度構成要素２４によって実施される。推定される範囲依存バイアス・エラーＢ_Ｅは、加速度計の較正アルゴリズム１５０の前の反復などから推定される範囲依存バイアス・エラーＢ_Ｅの以前の計算に基づくか、あるいは最初の所定の推定に基づくものである。スケール・ファクタＳＦ_１は、加速度計センサ・システム１０のテスト・フェーズの間になど、過剰温度でモデル化することができる。たとえば、センサ１２は、較正前処置の間にタンブル・テストを受けることができる。一例として、較正前処置は、それぞれ所定の範囲の温度（たとえば、ほぼ−５５℃乃至ほぼ＋８５℃の間）において所定の期間の間に複数の別個の間隔で、＋１ｇおよび−１ｇの力にセンサ１２を晒すことを含む。それゆえ、過剰温度でモデル化されたスケール・ファクタは、メモリ２８に格納され、較正アルゴリズム１５０の間、過剰温度でモデル化されたスケール・ファクタにアクセスすることができる。

ステップ１５８で、測定された入力加速度ＡＣＣ_１が切替え率Ｒ_Ｓにより平均化されて、平均加速度ＡＣＣ_ＡＶＧ１が生成される。ステップ１６０で、センサ１０のスケール・ファクタの範囲ＳＦＲ_Ｓが、第１のスケール・ファクタの範囲ＳＦＲ_１から第２のスケール・ファクタの範囲ＳＦＲ_２に切り替えられる。一例として、第２のスケール・ファクタの範囲ＳＦＲ_２は、図２の例で述べたように、プルーフマス１４に印加される電圧を変化させることに基づくか、あるいは図３の例で述べたように、電極１６に電流を印加している持続期間を変化させることに基づき設定することができる。

ステップ１６２で、較正構成要素２６によって推定される範囲依存バイアス・エラーＢ_Ｅが平均の加速度ＡＣＣ_ＡＶＧ１に基づいて計算される。ステップ１６２を、ステップ１６０の後に実施するように示しているが、ステップ１６２は、ステップ１６０の前に、またはそれと同時に実施することができることを理解すべきである。推定される範囲依存バイアス・エラーＢ_Ｅの計算は、あるアルゴリズムに基づくことができる。たとえば、電荷が制御される力による再平衡化が実施される場合、推定される範囲依存バイアス・エラーＢ_Ｅは、次のように計算することができ、

ただし、ＡＣＣ_ＡＶＧ２は、第２のスケール・ファクタの範囲ＳＦＲ_２で計算された平均加速度であり、
ＳＦ_１は、第１のスケール・ファクタの範囲ＳＦＲ_１と関連するスケール・ファクタであり、
ＳＦ_２は、第２のスケール・ファクタの範囲ＳＦＲ_２と関連する第２のスケール・ファクタであり、
Ｇ_１は、第１の調節可能な利得定数であり、
Ｇ_２は、第２の調節可能な利得定数である。

別の例として、電圧が制御される力による再平衡化を実施する場合、推定される範囲依存バイアス・エラーＢ_Ｅは、次のように計算することができ、

ただし、ｃは、電荷定数である。

利得定数Ｇ_１およびＧ_２は、方程式１および方程式２の応答性を変更するために、切替え率Ｒ_Ｓに従って調節することができる。たとえば、第１の利得定数Ｇ_１は、積分利得を変更し、第１の利得定数Ｇ_１の値がより大きいと、範囲依存バイアス・エラーの変化に対する方程式１および２の応答性を高めることができる。別の例として、第２の利得定数Ｇ_２は、積分時間を変更し、第２の利得定数Ｇ_２の値がより大きいと、ノイズの影響および加速度の動態を平均化するための積分時間を増加させることができる。

ステップ１６４で、入力加速度は、第２のスケール・ファクタの範囲ＳＦＲ_２で測定される。図４の例では、第２のスケール・ファクタの範囲ＳＦＲ_２で測定された入力加速度は、ＡＣＣ_２として示される。入力加速度ＡＣＣ_２の測定は、第２のスケール・ファクタの範囲ＳＦＲ_２と関連するスケール・ファクタＳＦ_２に基づき、かつステップ１６２で計算された推定された範囲依存バイアス・エラーＢ_Ｅに基づき、加速度構成要素２４によって実施される。ステップ１６６で、測定された入力加速度ＡＣＣ_２を切替え率Ｒ_Ｓにより平均化して、平均加速度ＡＣＣ_ＡＶＧ２が生成される。

ステップ１６８で、推定される範囲依存バイアス・エラーＢ_Ｅは、平均加速度ＡＣＣ_ＡＶＧ１およびＡＣＣ_ＡＶＧ２に基づき、かつ以前に計算された推定された範囲依存バイアス・エラーＢ_Ｅに基づき較正構成要素２６によって再び計算される。ステップ１７０で、センサ１０のスケール・ファクタの範囲ＳＦＲ_Ｓは、第１のスケール・ファクタの範囲ＳＦＲ_１に戻して設定され、較正処置では、ステップ１５２〜ステップ１６８を繰り返すことに基づき、較正処置自体が反復されて繰り返される。このようにして推定される範囲依存バイアス・エラーＢ_Ｅの値は、推定される範囲依存バイアス・エラーＢ_Ｅの値が入力加速度ＡＣＣのその後の測定値から減算されつつ、リアルタイムで連続的に計算される。その結果、推定される範囲依存バイアス・エラーＢ_Ｅの値は、入力加速度ＡＣＣが定常状態でほぼゼロに収束する。それによって、較正構成要素２６によって較正処置をリアルタイムで連続的に実施すると、スケール・ファクタの範囲依存バイアス・エラーを入力加速度ＡＣＣの測定から実質的に連続的に取り除くことができて、加速度計センサ・システム１０の正確さがより高められる。

本明細書に述べた較正および自己較正の処置は、様々な加速度計システムのために実施することができる。その加速度計システムは、加速度を両方向で測定し、付随のエレクトロニック・システムを含み、そのエレクトロニック・システムは、物理的な感知要素（たとえばセンサ１２）を用いた電子部の実装（すなわち機械化（ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ））の相互作用に応じて、器具中でバイアス・エラーを発生するような方法で、それぞれの加速度計システムの動作を機械的に行う。加速度計センサ・システム１０の適切な機械化の例は、電圧パルス幅変調、電気電荷パルス幅変調、電流パルス幅変調、および電圧、電荷または電流のパルス密度変調を含むことができる。それゆえ、加速度計センサ・システム１０は、制御された繰り返し可能な、かつレシオメトリックな（ｒａｔｉｏｍｅｔｒｉｃ）方式で機械化を変更する能力に基づき、本明細書で説明した較正および自己較正の処置を実施することができる。一例として、電流のパルス幅変調の場合、電子部は、繰り返し可能な比によってその電流を分割することが可能である。本明細書で説明した較正および自己較正の処置をもたらすように較正構成要素２６を実現する加速度計制御器１８の能力に基づき、加速度計センサ・システム１０は、本明細書で説明した較正および自己較正の処置を行うために、様々な標準的なセンサ（たとえばセンサ１２）のいずれも利用することができる。

上記に説明した構造上および機能的な特徴を考慮し、図５を参照すると、本発明の様々な態様による方法をより良く認識するはずである。説明を簡単にする目的で、図５の方法は、直列で連続的に実施するものとして示し述べているが、本発明は、例示した順序に限定されない、というのは、いくつかの態様は、本発明に従って、本明細書で示し説明した順序と異なる順序で、および／または他の態様と同時に行うことができることを理解し認識すべきである。さらに、例示する特徴のすべてが、本発明の態様による方法を実施するために求められない場合がある。

図５は、加速度計センサ・システムを較正するための方法２００の一例を示す。２０２で、加速度計センサ・システム（たとえば加速度計センサ・システム１０）と関連するセンサ（たとえばセンサ１２）に作用する入力加速度は、第１のスケール・ファクタの範囲（たとえばスケール・ファクタの範囲ＳＦＲ_１）で測定される（たとえば加速度構成要素２４によって）。２０４で、加速度計センサ・システムのスケール・ファクタの範囲は、第１のスケール・ファクタの範囲から第２のスケール・ファクタの範囲（たとえばスケール・ファクタの範囲ＳＦＲ_２）に調節される。２０６で、センサに作用する入力加速度は、第２のスケール・ファクタの範囲で測定される。２０８で、アルゴリズム（たとえば方程式１または方程式２）は、第１のスケール・ファクタの範囲および第２のスケール・ファクタの範囲に基づき実行され、それによって、推定される範囲依存バイアス・エラー（たとえば推定される範囲依存バイアス・エラーＢ_Ｅ）が計算され、ここで、測定された入力加速度が推定される範囲依存バイアス・エラーに基づく。

上記に述べてきた事項は、本発明の例である。もちろん、本発明を述べる目的で、構成要素または方法論のすべてのあり得る組合せを述べることは可能でないが、しかし、当業者は、本発明について多くのさらなる組合せおよび置換が可能であることを認識されるはずである。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲内に含まれる、そのような変更形態、変更形態および変形形態のすべてを包含するものと意図する。

１２…センサ、１４…プルーフマス、１６…電極、１８…加速度計制御器、２０…信号発生器、２２…プロセッサ、２４…加速度構成要素、２６…較正構成要素、２８…メモリ。

Claims (18)

1. 加速度計センサ・システムであって、
   プルーフマスおよび電極を含み、入力加速度に応答して該電極に印加される制御信号に基づいて加速度フィードバック信号を発生するように構成されているセンサと、
   該加速度フィードバック信号に基づいて該入力加速度を測定するように構成されている加速度構成要素と、
   該センサと関連する第１のスケール・ファクタの範囲を定め、かつ該センサと関連する第２のスケール・ファクタの範囲を定める該制御信号を発生するように構成されている加速度制御器であって、該加速度制御器は、該第１のスケール・ファクタの範囲に関連する第１の測定された入力加速度と該第２のスケール・ファクタの範囲に関連する第２の測定された入力加速度との間の比例関係に基づき、範囲依存バイアス・エラーに関して加速度計センサ・システムを較正するように構成されている較正構成要素を含む、前記加速度制御器と
   を備えるシステム。
2. 前記制御信号は、前記プルーフマスに提供されるバイアス電圧信号として、かつ前記電極に提供される制御電圧信号として構成され、
   前記加速度制御器は、第１の所定の大きさと第２の所定の大きさの間で該バイアス電圧信号を切り替えることに基づいて、前記第１のスケール・ファクタの範囲と前記第２のスケール・ファクタの範囲との間で前記センサと関連するスケール・ファクタの範囲を変化させるように構成されている、請求項１に記載のシステム。
3. 前記制御信号は、前記電極に提供されるパルス幅変調（ＰＷＭ）電流信号として構成され、前記加速度制御器は、ＰＷＭ電流信号が、前記電極に印加される持続期間を第１の持続期間と第２の持続期間との間で変化させることに基づいて、前記第１のスケール・ファクタの範囲と前記第２のスケール・ファクタの範囲の間で前記センサと関連するスケール・ファクタの範囲を変化させるように構成されている、請求項１に記載のシステム。
4. 前記較正構成要素は、前記範囲依存バイアス・エラーに関して前記加速度計センサ・システムをリアルタイムで実質的に連続的に較正するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
5. 前記加速度制御器は、所定の時間間隔において、前記第１のスケール・ファクタの範囲と前記第２のスケール・ファクタの範囲の間で切り替わるように構成され、
   前記加速度構成要素は、前記第１のスケール・ファクタの範囲と前記第２のスケール・ファクタの範囲において、前記入力加速度を測定するように構成され、
   前記較正構成要素は、該所定の時間間隔において、前記第１のスケール・ファクタの範囲と前記第２のスケール・ファクタの範囲において、前記測定された入力加速度に基づき、推定された範囲依存バイアス・エラーを計算するアルゴリズムを実行するように構成されている、請求項４に記載のシステム。
6. 前記較正構成要素は、前記アルゴリズムを連続的に実行して、前記範囲依存バイアス・エラーをほぼゼロの状態に実質的に連続的に維持するように構成されている、請求項５に記載のシステム。
7. 前記加速度構成要素は、前記推定された範囲依存バイアス・エラーを前記測定された入力加速度から実質的に減算するように構成されている、請求項５に記載のシステム。
8. 前記較正構成要素は、前記第１のスケール・ファクタの範囲と前記第２のスケール・ファクタの範囲において、前記測定された入力加速度に基づき、推定された範囲依存バイアス・エラーを計算するアルゴリズムを実行するように構成され、前記加速度構成要素は、該推定された範囲依存バイアス・エラーを前記測定された入力加速度から実質的に減算するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
9. 前記アルゴリズムは、
   および
   のうちの１つとして表され、ただし、
   Ｂ_Ｅ＝前記計算された範囲依存バイアス・エラー、
   Ａ_１＝前記第１のスケール・ファクタの範囲で前記測定された入力加速度、
   Ａ_２＝前記第２のスケール・ファクタの範囲で前記測定された入力加速度、
   ＳＦ_１＝前記第１のスケール・ファクタの範囲と関連する第１のスケール・ファクタ、
   ＳＦ_２＝前記第２のスケール・ファクタの範囲と関連する第２のスケール・ファクタ、
   Ｇ_１＝第１の調節可能な利得定数、
   Ｇ_２＝第２の調節可能な利得定数、および
   ｃ＝電荷定数
   である、請求項８に記載のシステム。
10. 前記較正構成要素は、前記第１のスケール・ファクタの範囲と前記第２のスケール・ファクタの範囲のそれぞれと関連する持続期間を周期的に疑似ランダム的に変化させるように信号発生器に命令することに基づき、前記アルゴリズムを周期的に実行するように構成され、かつ該持続期間の周期的な疑似ランダム的な変化に基づき、前記入力加速度の測定値に重みファクタを付加するようにさらに構成されている、請求項８に記載のシステム。
11. 前記較正構成要素は、前記第１のスケール・ファクタの範囲、前記第２のスケール・ファクタの範囲、および少なくとも１つの追加のスケール・ファクタの範囲の間で周期的に疑似ランダム的に変化させるように信号発生器に命令することに基づき、前記アルゴリズムを周期的に実行するように構成され、かつ前記第１のスケール・ファクタの範囲、前記第２のスケール・ファクタの範囲、および該少なくとも１つの追加のスケール・ファクタの範囲の間における周期的な疑似ランダム的な変化に基づき、前記入力加速度の測定値に重みファクタを付加するようにさらに構成されている、請求項８に記載のシステム。
12. 請求項１に記載の加速度計センサ・システムを備える集積パッケージ。
13. 加速度計センサ・システムを較正するための方法であって、
    第１のスケール・ファクタの範囲で該加速度計センサ・システムと関連するセンサに作用する第１の入力加速度を測定すること、
    該加速度計センサ・システムのスケール・ファクタの範囲を、該第１のスケール・ファクタの範囲から第２のスケール・ファクタの範囲へ調節すること、
    該第２のスケール・ファクタの範囲で該センサに作用する第２の入力加速度を測定すること、
    該第１のスケール・ファクタの範囲に関連する第１の測定された入力加速度と該第２のスケール・ファクタの範囲に関連する第２の測定された入力加速度との間の比例関係に基づくアルゴリズムを実行して、推定された範囲依存バイアス・エラーを計算することであって、第２の測定された入力加速度は、前記推定された範囲依存バイアス・エラーに基づくものである、前記計算すること
    を含む方法。
14. 前記加速度計センサ・システムの前記スケール・ファクタの範囲を、前記第２のスケール・ファクタの範囲から前記第１のスケール・ファクタの範囲へ調節すること、
    前記第１のスケール・ファクタの範囲で入力加速度を再測定すること、
    前記加速度計センサ・システムの前記スケール・ファクタの範囲を、前記第１のスケール・ファクタの範囲から前記第２のスケール・ファクタの範囲へ調節すること、
    前記第２のスケール・ファクタの範囲で入力加速度を再測定すること、
    個々の前記第１のスケール・ファクタの範囲および前記第２のスケール・ファクタの範囲における再測定された入力加速度、および前記推定された範囲依存バイアス・エラーに基づき、前記アルゴリズムを実行して、前記推定された範囲依存バイアス・エラーの更新値を計算すること
    をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記アルゴリズムを実行することは、個々の第１のスケール・ファクタの範囲および第２のスケール・ファクタの範囲におおける前記入力加速度を連続的に再測定すること、および前記範囲依存バイアス・エラーの連続的な推定に基づき、前記アルゴリズムを繰り返して実行して、前記推定された範囲依存バイアス・エラーの大きさを実質的にゼロの状態に維持することを含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記加速度構成要素は、第１の推定された範囲依存バイアス・エラーおよび前記第１のスケール・ファクタの範囲に関連する第１のスケール・ファクタに基づいて前記第１の測定された入力加速度を提供するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
17. 前記加速度構成要素は、第２の推定された範囲依存バイアス・エラーおよび前記第２のスケール・ファクタの範囲に関連する第２のスケール・ファクタに基づいて前記第２の測定された入力加速度を提供するように構成されており、前記第２の推定された範囲依存バイアス・エラーは、前記第１の測定された入力加速度に基づいて計算されたものである、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記範囲依存バイアス・エラーは、（ｉ）前記第１の測定された入力加速度と前記第２の測定された入力加速度との間の比例関係、および（ｉｉ）前記第２の推定された範囲依存バイアス・エラーに基づいて計算される、請求項１７に記載のシステム。