(57)【要約】      （修正有）【課題】光源の周波数ドリフトに起因する誤差を補償する光学加速度計を提供する。【解決手段】光学加速度計２は、複数の弾性要素を介して筐体７に取り付けられたプルーフマス１０の位置を検出するファブリー・ペロー共振器Ａと光源６と、原子波長基準１８と、原子波長基準１８を透過した放射を検出するように構成され、光源６により放出された放射の波長を示す１又は複数の信号を生成するように構成された第１検出器１６−１と、第１光検出器１６−１と光源６に電気的に結合され、光源６により放出される放射をおおよそ選択波長に維持すべく光源６を調整するように構成されたサーボ機構２０とを備える。【選択図】図１
2015143686.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファブリー・ペロー共振器を含む内部チャンバを備えた筐体であって、前記ファブリー・ペロー共振器は１又は複数の弾性要素を介して前記筐体に取り付けられたプルーフマスを含む、筐体と、
電磁放射を前記ファブリー・ペロー共振器内へ放出するように構成された光源と、
前記ファブリー・ペロー共振器を透過し又は前記ファブリー・ペロー共振器から反射された前記光源からの電磁放射を受け取るように構成され、前記プルーフマスの位置を示す１又は複数の信号を生成するように構成された第１検出器と、
前記光源と光伝送する原子波長基準と、
前記原子波長基準を透過した電磁放射を検出するように構成され、前記光源により放出された電磁放射の波長を示す１又は複数の信号を生成するように構成された第２検出器と、
前記第２光検出器と前記光源に電気的に結合され、前記光源により放出される電磁放射をおおよそ選択波長に維持すべく前記光源を調整するように構成されたサーボ機構と、
を備える微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）光学加速度計。
【請求項２】
前記サーボ機構は第１サーボ機構であり、前記筐体の前記内部チャンバは更に温度共振器を備え、前記ＭＥＭＳ光学加速度計は更に、
前記温度共振器を透過した前記光源からの電磁放射を検出するように構成され、前記内部チャンバの温度を示す１又は複数の信号を生成するように構成された第３検出器と、
前記筐体と熱的に接触した１又は複数の加熱素子と、
前記内部チャンバの温度を示す前記１又は複数の信号を受け取るように構成され、前記内部チャンバをおおよそ選択温度に維持すべく前記１又は複数の加熱素子を制御するように構成された第２サーボ機構と、
を備える、請求項１に記載のＭＥＭＳ光学加速度計。
【請求項３】
微小電気機械（ＭＥＭＳ）光学加速度計の光源により放出された光の波長を決定するステップと、
前記ＭＥＭＳ光学加速度計のサーボ機構によって、光源により放出された光の前記波長と前記ＭＥＭＳ光学加速度計の原子波長基準の波長との差を減少させるように前記光源を調整するステップと、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]  本開示は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）光学加速度計などの光学加速度計に関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]  ＭＥＭＳ加速度計は、ナビゲーション用途向けの内部計測装置などの様々な用途において用いられることができる。
【発明の概要】
【０００３】
[0003]  本明細書で説明される手法、デバイス、及びシステムは、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）加速度計の例を対象とする。本明細書で説明されるＭＥＭＳ加速度計は、従来のＭＥＭＳ加速度計よりも安定で高精度であり得る。本明細書で説明されるいくつかの例示的なＭＥＭＳ加速度計は、加熱器の使用を通じて達成される温度安定性、レーザの波長を原子波長基準の共振波長にロックすることの使用を通じた波長安定性、及びプルーフマスの強制リバランスのうちの１又は複数によって改良される。
【０００４】
[0004]  一例では、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）光学加速度計は、ファブリー・ペロー共振器を含む内部チャンバを備えた筐体を含み、前記ファブリー・ペロー共振器は１又は複数の弾性要素を介して前記筐体に取り付けられたプルーフマスを含む。ＭＥＭＳ光学加速度計は、更に、電磁放射を前記ファブリー・ペロー共振器内へ放出するように構成された光源と、前記ファブリー・ペロー共振器を透過し又は前記ファブリー・ペロー共振器から反射された前記光源からの電磁放射を受け取るように構成され、前記プルーフマスの位置を示す１又は複数の信号を生成するように構成された第１検出器とを含む。更に、ＭＥＭＳ光学加速度計は、前記光源と光伝送する原子波長基準と、前記原子波長基準を透過した電磁放射を検出するように構成され、前記光源により放出された電磁放射の波長を示す１又は複数の信号を生成するように構成された第２検出器とを含む。ＭＥＭＳ光学加速度計はまた、前記第２光検出器と前記光源に電気的に結合され、前記光源により放出される電磁放射をおおよそ選択波長に維持すべく前記光源を調整するように構成されたサーボ機構も含む。
【０００５】
[0005]  別の例では、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）光学加速度計システムは、ファブリー・ペロー共振器を含む内部チャンバを備えたフレームを含む真空パッケージを含み、前記ファブリー・ペロー共振器は１又は複数の弾性要素を介して前記フレームに取り付けられたプルーフマスを含む。前記真空パッケージは、更に、電磁放射を前記ファブリー・ペロー共振器内へ放出するように構成された光源と、前記ファブリー・ペロー共振器を透過し又は前記ファブリー・ペロー共振器から反射された前記光源からの電磁放射を受け取り、前記プルーフマスの位置を示す１又は複数の信号を生成するように構成された第１検出器とを含む。前記真空パッケージは、更に、前記光源と光伝送する原子波長基準と、前記原子波長基準を透過した電磁放射を検出し、前記光源により放出された電磁放射の波長を示す１又は複数の信号を生成するように構成された第２検出器とを含む。ＭＥＭＳ光学加速度計システムはまた、前記真空パッケージを通して前記第２光検出器と前記光源に電気的に結合され、前記光源により放出される電磁放射をおおよそ前記原子波長基準の共振波長に維持すべく前記光源を調整するように構成されたサーボ機構も含む。
【０００６】
[0006]  更に別の例では、方法は、微小電気機械（ＭＥＭＳ）光学加速度計の光源により放出された光の波長を決定するステップを含む。方法は、更に、前記ＭＥＭＳ光学加速度計のサーボ機構によって、光源により放出された光の前記波長と前記ＭＥＭＳ光学加速度計の原子波長基準の波長との差を減少させるように前記光源を調整するステップを含む。
【０００７】
[0007]  本開示の１又は複数の例の詳細は、添付図面及び以下の説明に記載されている。本開示の他の特徴、目的、及び利点は、当該説明及び図面、並びに特許請求の範囲から明らかになるだろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】[0008]  図１は、本開示の１又は複数の態様によるＭＥＭＳ光学加速度計の一例を示すブロック図である。
【図２Ａ】[0009]  図２Ａは、本開示の１又は複数の態様による、一例の温度補償及び波長ロックされたＭＥＭＳ光学加速度計の断面を示すブロック図である。
【図２Ｂ】[0010]  図２Ｂは、本開示の１又は複数の態様による、図２ＡのＭＥＭＳ光学加速度計の一例の動作モードを示すブロック図である。
【図３Ａ】[0011]  図３Ａは、本開示の１又は複数の態様による、別例の温度補償及び波長ロックされたＭＥＭＳ光学加速度計の模式的な断面を示すブロック図である。
【図３Ｂ】[0012]  図３Ｂは、本開示の１又は複数の態様による、図３ＡのＭＥＭＳ光学加速度計の一例の動作モードを示すブロック図である。
【図４】[0013]  図４は、本開示の１又は複数の態様による、プルーフマスの位置の差動計測を行う一例のＭＥＭＳ光学加速度計の模式的な断面を示すブロック図である。
【図５】[0014]  図５は、本開示の１又は複数の態様による、ＭＥＭＳ光学加速度計を動作させる例示的方法を示すフローチャートである。
【０００９】
[0015]  一般的な慣例に従って、説明される様々な特徴は一定の縮尺で描かれず、本開示に関連する特徴を強調するように描かれる。図面と本文の全体にわたって、同様の符号は同様の要素を示す。但し、それら要素には変形が存在してもよい。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
[0016]  微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）加速度計は、慣性座標系に対する加速度計自体の加速度を計測する。（本明細書において「加速度計」と称される）ＭＥＭＳ光学加速度計は、可動プルーフマスと共に電磁放射を用いて、検知軸に沿った検出加速度の大きさを決定する。プルーフマスの中立位置からの偏差の量は、加速度計にかかる加速度の大きさに比例するであろう。ある用途に対しては、高精度な加速度計測が望まれる。しかしながら、いくつかのＭＥＭＳ加速度計の精度は、経時的にドリフトする。これらの不正確さは、加速度計の物理的構造の変化によって引き起こされるデバイスの物理的構造の変化に起因するバイアス不安定性から生じ得る。これらの変化は、経年化や時間依存する温度変動を通じて発生することがあり、時間依存する温度変動に起因したプルーフマスの位置の変化を含むことがある。
【００１１】
[0017]  いくつかの例示的なＭＥＭＳ光学加速度計デバイスは、レーザ（又は他の光源）と１又は複数のファブリー・ペロー共振器を利用して、多重ビーム干渉を用いて加速度を検出する。（「共振器Ａ」と称される）ファブリー・ペロー共振器の長さは、プルーフマスが加速度に起因して変位するにつれて変化する。レーザは、ファブリー・ペロー共振器を部分的に通過すると共にファブリー・ペロー共振器から部分的に反射される光ビームを供給する。反射光及び／又は透過光の強度をモニタするために、１又は複数の検出器が用いられる。
【００１２】
[0018]  光学読み取り加速度計では、レーザが放射する光の周波数のドリフトが、バイアス不安定性の別の原因を表す。光の周波数の変化は、共振器寸法の変化と区別できないであろう。何故なら、両者の誤差は、共振器を通過した光の強度における同じような変化に帰着するからである。
【００１３】
[0019]  温度変動と光源の周波数ドリフトに起因する誤差を補償する手法及びデバイスが、本明細書で開示される。例えば、本明細書で開示されるいくつかの手法及びデバイスは、レーザの波長をおおよそ既知の特定波長に維持するために、レーザを原子基準にロックする。周波数を蒸気セル中の原子の光共振周波数に一致させるフィードバックシステムを用いてレーザ周波数を安定化させると、レーザのドリフト誤差原因が低減する。この波長基準の蒸気セルは、ＭＥＭＳ手法を用いて製造され、プルーフマス自体と同じ格納容器に収容されて温度制御された小型の密閉構造であってよい。
【００１４】
[0020]  本開示の手法、デバイス、及びシステムは、加速度計が動作する幅広い環境温度範囲の全体を通して長期間にわたって精度が良いＭＥＭＳ光学加速度計を提供する。例えば、本明細書で説明される手法及びデバイスは、プルーフマスとその支持構造の温度を制御し、その温度を、温度検知素子からのフィードバックを用いて加熱素子への電流を制御することによってほぼ一定の値に維持する。
【００１５】
[0021]  本明細書で説明されるＭＥＭＳ光学加速度計は、時間依存する温度サイクル及び経年化に晒された時に、従来の加速度計よりも堅牢性が高いであろう。本明細書で説明される加速度計は、特に原子基準を持たない光学加速度計と比較した場合、非常に良好な長期安定性を備えた非常に高い信号対雑音比（ＳＮＲ）を有することができる。高安定であること及びバイアスドリフトをより受けにくいことに加えて、本明細書で説明されるＭＥＭＳ光学加速度計は、低い所要電力を有し、また小型で質量を小さくすることが可能である。
【００１６】
[0022]  本明細書で説明される加速度計の別の例は、プルーフマス位置への加速度非依存の変化をもたらし得る、経年化や時間依存する温度変動を通じたデバイスの物理的構造の変化に起因するバイアス不安定性の問題に対処するために、幾分異なるアプローチを用いることができる。
【００１７】
[0023]  例えば、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）光学加速度計は、ファブリー・ペロー共振器（「プルーフマス共振器」）の一方のミラーとして機能する部分反射表面を有し、１又は複数の弾性要素を介して筐体又はフレームに取り付けられたプルーフマスを含む。このファブリー・ペロー共振器の反対側のミラーは、同じ筐体又はフレームに強固に取り付けられる。システムはまた、レーザなどの光源と、プルーフマス共振器を通った当該光源の透過又は反射を検出するように構成された検出器とを含む。
【００１８】
[0024]  いくつかの例では、プルーフマス共振器の長さは、例えば当該共振器の共振波長を制御しそれを光源の波長と一致した状態に保持するための静電アクチュエータに対して、フィードバックを行うサーボ機構を用いて調整される。光源はそれ自体、原子試料の共振波長と一致するようにサーボされる。この種の閉ループ動作は、「強制リバランス」の一形態である。
【００１９】
[0025]  一例では、筐体又はフレームに強固に取り付けられたミラーの両方を有し、その光路中にプルーフマスを有しない第２ファブリー・ペロー共振器が、筐体若しくはフレームの熱膨張又は他の変形がプルーフマスの動きとは独立に計測されることを可能にする基準として機能する。基準共振器の長さは、加熱器のような温度アクチュエータを用いて制御されることができ、一方プルーフマス共振器の長さは、例えば静電アクチュエータによって制御される。両方の共振器と相互作用するのに同一の光源が用いられてよく、あるいは、もし２つの光源の波長差が（例えば、ビートの計測及びビート周波数を一定に保持するサーボによって）動的に制御されるのであれば、各共振器が独自の光源を有してもよい。基準共振器と相互作用する光源の波長が原子遷移にロックされると、基準ビームの透過率の変化が、加速度計に取り付けられた加熱器にフィードバックされることができる。加熱器は、加速度計が晒されている周囲温度に拘らず共振器Ｂの長さをおおよそ一定の長さに維持するために、加速度計に適切な熱量を与えることができる。
【００２０】
[0026]  いくつかの例では、２つの共振器との光の相互作用を監視するのに２つの別個の検出器が用いられる。検出器は、共振器の光路長に依存した信号を生成する。この例では、基準共振器の制御は、もしそうでなければ加速度信号と区別できないであろう当該組立品の寸法の熱的な変化を除去し、プルーフマス共振器の光路長を一定値に維持するのに必要とされる力は、加速度の尺度としての役目を果たす。
【００２１】
[0027]  別の例では、強固な基準共振器は省略されるが、プルーフマス共振器構造の温度は、例えば、当該構造に取り付けられたホイートストンブリッジなどの抵抗温度センサを用いて制御され、このホイートストンブリッジの出力が、当該構造の温度を一定に保持するために温度サーボにおいて用いられる。これらの例では、材料の熱膨張は無視できるので、プルーフマス共振器の共振周波数の如何なる変化もまさに、加速度に起因すると想定される。
【００２２】
[0028]  別の例では、プルーフマスの両面は光学的な反射特性を有し、プルーフマスのどちらかの側において剛体フレームに取り付けられた表面もまた光学的な反射特性を有し、その結果、共通のミラー基板としてこのプルーフマスを用いて、２つのファブリー・ペロー共振器が形成される。この場合には、各共振器について１つずつ、２つの光源が用いられ、サーボ機構が、一方のレーザの波長とそれに対応する共振器との差を計測して、その差を減少させるようにプルーフマス上のアクチュエータへフィードバックする。もう１つのサーボ機構が、他方のレーザの波長と他方の共振器の共振モードとの差を計測し、当該他方の共振器についてその差を最小化するように（プルーフマスの位置ではなく）レーザへフィードバックする。この場合、プルーフマスの位置は、例えば別の検出器におけるレーザのビートから計測される、レーザの周波数差から読み取られることができる。この種の２共振器読み取りは、本明細書で説明される温度制御手法（即ち、強固な基準共振器又は抵抗温度センサ）のいずれかと一緒に用いられることが可能であり、より低雑音の読み取りを可能にすることができる。
【００２３】
[0029]  １つのプルーフマス共振器と１つのレーザを用いる例では、真の加速度信号はレーザ波長のドリフトと区別できないことがある。原子基準セルは、レーザ波長がドリフトするのを妨げるように機能する。これを達成するための基準セルの動作は、以下で更に詳しく論じられる。しかしながら、いくつかの例では、プルーフマスのそれぞれの側の共振器を別々に計測するのに２つのレーザが用いられる２つのプルーフマス共振器によれば、自由駆動しているレーザのドリフトは実際のビートの読み取りには現れないため、原子基準セルは含まれなくてよい。しかしながら、もし波長が極端にドリフトすれば、サーボ機構は、ついには共振器の共振をその新たな波長にロックすることができなくなるので、「二重共振器」のアプローチであっても波長安定化の手段が望まれる。
【００２４】
[0030]  したがって、これらの例の全てにおいて、光源、及び原子波長基準を透過した電磁放射を検出するように構成された検出器と光伝送する原子波長基準が、包含され、光源により放出された電磁放射の波長に依存した１又は複数の信号を生成するように構成される。ＭＥＭＳ光学加速度計はまた、第２光検出器と光源に電気的に結合されたサーボ機構も含み、このサーボ機構は、光源により放出された電磁放射をおおよそ選択波長に維持すべく光源を調整するように構成される。
【００２５】
[0031]  これらの例における微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）光学加速度計システムの全部又は一部分は、真空又は部分真空を封入したパッケージに密閉されてよい。真空包装は、真空パッケージの外部の環境における短時間スケールの熱的変化の影響を低減し、環境に対して上昇させたパッケージ内の温度を維持するのに必要とされるエネルギーを最小化して、共振器を熱的に隔離することができる。
【００２６】
[0032]  図１は、本開示の１又は複数の態様によるＭＥＭＳ光学加速度計２の一例を示すブロック図である。（本明細書で「加速度計２」と称される）ＭＥＭＳ光学加速度計２は、それ自体にかかる加速度を、少なくとも、コヒーレントな光をファブリー・ペロー干渉計内へ放射すること、及び、プルーフマス１０の動きに基づくであろう、その光の透過率又は反射率に基づいて加速度の大きさを決定することによって、検出するように構成される。
【００２７】
[0033]  加速度計２は、内部チャンバ８内に２つの共振器、共振器Ａ及び共振器Ｂを含む筐体７の中へ光を放射する光源６を含む。筐体７は、例えば、セラミック真空容器などの任意の適切な筐体であってよい。光源６は、限定ではないがレーザなどの、共振器Ａ及びＢを通過することが可能な放射を放出するように構成された任意の適切な光源であってよい。いくつかの例では、光源６は、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）などの微小レーザである。ＶＣＳＥＬはチップスケールのレーザであり、いくつかの例では、一辺およそ４００マイクロメートル（μｍ）であって、直径およそ３μｍの光出射開口を有する。光源６は、おおよそ特定波長の光を放射する。光源６の波長は、原子波長基準１８の共振波長に一致させることができる。加えて、光源６により放射される光は、必須ではないが、可視光スペクトルにあってよい。
【００２８】
[0034]  原子波長基準１８は、１又は複数の光共振周波数を示す原子ガスを収容する高温ガス蒸気セルであってよい。原子波長基準１８は、例えば、ルビジウム（Ｒｂ）又はセシウム（Ｃｓ）蒸気セルであってよい。他の例では、原子波長基準１８は、任意のアルカリ蒸気を含んでよい。原子波長基準１８（例えば原子ガス）は、特定周波数範囲にわたって光を吸収するだろう。波長サーボ機構２０は、光源６の周波数（したがって波長）を原子波長基準１８の共振周波数のまわりで変調するように構成される。第１検出器１６−１（例えばフォトダイオード）は、変調された出力を検知するように構成される。サーボ機構２０は、検知された変調出力に基づいて光源６を調整することができる。原子波長基準１８の吸収が特定波長のまわりで変化するため、波長サーボ機構２０は、その特定波長のまわりで光源６の強度変調を制御することができる。
【００２９】
[0035]  図１の例では、共振器Ａは、ファブリー・ペロー共振器であり、１又は複数の弾性要素１２を介して筐体７から懸架されたプルーフマス１０を含む。筐体７は、フレームを含んでよい。フレームは、支持構造として働くことができる。いくつかの例では、フレームは、リードフレームであってよい。共振器Ａは、プルーフマス１０の位置を検出するのに用いられ、プルーフマス１０は同様に、加速度計２にかかる加速度を決定するのに用いられることができる。共振器Ｂは、温度共振器である。
【００３０】
[0036]  プルーフマス１０は、加速度などの力を受けた時に計測軸に沿って動くことが可能な質量である。加速度計２は、プルーフマス１０の検出位置に基づいて、計測軸に沿った印加加速度の大きさを決定する。誤差が無い場合、プルーフマス１０の中立位置からの変位は、印加加速度に比例する。いくつかの例では、部分反射ミラー３０がプルーフマス１０の面２６上に形成される。プルーフマス１０の面２６は、光源６からの入射光を受けるプルーフマス１０の面２８の反対側である。
【００３１】
[0037]  一例では、プルーフマス１０は、シリコン（Ｓｉ）から成る。図１の例では、プルーフマス１０は、４つの弾性要素１２を介して筐体７に取り付けられている。弾性要素１２は、（プルーフマス１０に比べて）非常に薄い伸縮可能な係留具から成ることができる。いくつかの例では、弾性要素１２は、シリコンから成る。プルーフマス１０は、弾性要素１２に取り付けられることができる。弾性要素１２は柔軟性を有し、力を受けた時に伸長する。力が除去されると、弾性要素１２はほぼ元の長さに戻り、その結果プルーフマス１０が中立位置（例えば、加速度計２にかかる加速度の力が無い場合におけるプルーフマス１０の位置）に戻ることとなる。更に、他の例では、異なる数の弾性要素１２がプルーフマス１０に取り付けられてよい。
【００３２】
[0038]  図１に示されるように、光源６は光を放射し、その光は（本明細書で集合的に「ビームスプリッタ１４」と称される）３つの部分反射ミラー１４−１、１４−２、及び１４−３から反射し、またそれらを通過する。ビームスプリッタ１４は光を部分的に透過させる一方で残りの大部分を反射し、これにより異なる光経路が生じる。それら異なる経路は、（プルーフマス１０の位置を決定するのに用いられる）共振器Ａ、（内部チャンバ８の長さ、したがって温度を決定するのに用いられる）共振器Ｂ、及び光源６の波長を制御するためのフィードバックループを含む。
【００３３】
[0039]  従来の光学加速度計は、レーザが放射する光の波長が時間経過と共に設定波長から乖離していく、レーザドリフトとして知られる誤差メカニズムを有する傾向がある。レーザの波長がプルーフマスの共振器長に対して相対的に変化する影響は、共振器長がレーザの波長に対して相対的に変化する影響と同じであろう。この理由のため、波長ドリフトは、プルーフマスの位置変化と区別することができないであろう。こうしてドリフトが、バイアス変化として加速度信号に現れる。ＭＥＭＳ光学加速度計２は、光源６、原子波長基準１８、第１検出器１６−１、及び波長サーボ機構２０間のフィードバックループを用いて光源６の波長が原子波長基準１８の波長にロックされているため、レーザドリフトを低減するように構成される。
【００３４】
[0040]  ビームスプリッタ１４−１は、光源６により放射されたいくらかの光を原子波長基準１８へと反射する一方で、それ以外の光を部分反射ミラー１４−２へと透過させる。光は、原子波長基準１８の中を伝搬し、第１検出器１６−１の方へ部分的に再帰反射する。原子波長基準１８の内部における双方向伝搬によって、再帰反射した光の強度が、飽和吸収分光に従った態様で原子共振周波数の近傍において光周波数と共に変化することとなる。第１検出器１６−１は、入射光の波長を決定するのに用いられることができる１又は複数の信号を生成するように構成されたフォトダイオードであってよい。第１検出器１６−１は、光源６により放出された電磁放射の波長を示す１又は複数の信号を生成するように構成されることができる。第１検出器１６−１は、当該波長を示す１又は複数の信号を波長サーボ機構２０へ送ることができる。
【００３５】
[0041]  いくつかの例では、波長サーボ機構（「サーボ」）２０は、光源６からの光の波長を示す１又は複数の信号を第１検出器１６−１から受け取る。波長サーボ機構２０は、当該１又は複数の信号から、光源６により放射された光の波長を決定することができる。その決定された波長を用いて、波長サーボ機構２０は、光源６により放射される光をほぼ選択波長に維持するように光源６を調整することができる。選択波長は、例えば、原子波長基準１８の共振波長であってよい。
【００３６】
[0042]  温度変動もまた、光学読み取り機構に無関係なバイアスドリフトを引き起こすであろう。加速度計の異なる部品が異なる材料から成っているため、それら部品は異なる熱膨張係数を有するであろう。したがって、環境温度の変化にわたって、部品は異なる割合で膨張又は収縮し、それにより、加速度とは関係無いプルーフマス１０の位置の変化が生じ、また、時間が経つと非弾性的な変形へと通じる可能性のある応力がもたらされるであろう。このバイアスドリフトの原因を補償するために、加速度計２は、１又は複数の加熱素子２２を制御するための温度フィードバックを用いて、おおよそ安定な温度を維持する。
【００３７】
[0043]  加速度計２はまた、内部チャンバ８など、加速度計２の少なくとも一部（例えば、加速度計２の一部のみ、又は加速度計２の全体）の温度を制御するのに用いられることができるフィードバックループも含む。光源６によって発生されてビームスプリッタ１４−１を通過した光は、ビームスプリッタ１４−２に入射し、ビームスプリッタ１４−２は、その光を共振器Ｂとビームスプリッタ１４−３へ向けて分離する。共振器Ｂの中を伝搬する光のいくらかは、第２検出器１６−２に入射する。第２検出器１６−２は、共振器Ｂ即ち内部チャンバ８の長さを示す１又は複数の信号（例えば電気信号）を生成するように構成される。第２検出器１６−２は、当該長さを示す１又は複数の信号を加熱器サーボ機構２４へ供給する。今度は、加熱器サーボ機構２４が、指定温度における内部チャンバ８の既知の長さに少なくとも部分的に基づいて、内部チャンバ８の温度を決定することができる。もし内部チャンバ８の温度が加速度計２の選択動作温度より低ければ、加熱器サーボ機構２４は、１又は複数の加熱素子２２に、当該選択動作温度に達してそれを維持するように内部チャンバ８を加熱させることができる。
【００３８】
[0044]  １又は複数の加熱素子２２は、少なくとも加速度計２の内部チャンバ８の温度を変化させるように構成される。例えば、１又は複数の加熱素子２２は、筐体７と（直接又は間接に）熱的に接触した状態にあってよい。１又は複数の加熱素子２２は、熱を発生するように構成され、例えば、１又は複数の抵抗体などの抵抗加熱素子から成ることが可能である。抵抗体は、薄膜抵抗体であってよく、薄膜抵抗体は、筐体７が実装されるシリコンプラットフォーム上に直接、金属からパターン形成されることができる。
【００３９】
[0045]  いくつかの例では、図１に示されるように、筐体７の第１面、及び当該第１面と反対側である筐体７の第２面上に、ホイートストンブリッジが配置されてよい。別の例では、他の数のホイートストンブリッジが筐体７と熱的に接触した状態にあってよく、例えば、４つ又は６つのホイートストンブリッジが筐体７の異なる面上に実装されてよい。ホイートストンブリッジは、多数の抵抗体、例えば内部チャンバ８の周囲に印刷された４つの薄膜抵抗体から成ることができる。ホイートストンブリッジを横切る電圧が検知され加熱器サーボ２４へフィードバックされてよく、加熱器サーボ２４はその電圧を用いて加速度計２を比較的安定した温度（例えば、比較的小さな温度範囲、又は特定の温度）に維持する。いくつかの例では、ホイートストンブリッジは、抵抗体のそれぞれの間に４つのコーナーを含むおおよそ矩形の形状に整列された、異なる抵抗温度係数を有する２つの異なる抵抗体材料を含む。ホイートストンブリッジは、（斜めに向かい合った）２つのコーナーにわたる温度に比例した電圧を、他の２つのコーナーを横切る一定電圧で駆動されることに応答して、与える。いくつかの例では、加速度計２は、加速度計５０の部品及び筐体７の外側の部品のいくつかに対する電気的な接続をするために、弾性部材１２を横切って伸びる細い金属配線を含む。いくつかの例では、内部チャンバ８の温度は、共振器Ｂを用いて光学的に決定されるのではなく、ホイートストンブリッジによる電圧に基づいて電気的に決定される。
【００４０】
[0046]  ＭＥＭＳ光学加速度計２の温度は、例えば、加速度計２が置かれている周囲温度よりも高い（本明細書で「選択温度」とも称される）選択動作温度に維持されることができる。加速度計２を周りの環境よりも温かく保持することで、周囲温度が選択温度よりも温かい場合に加速度計２をその選択温度に維持するために冷却しなければならなくなる可能性が低減される。冷蔵又は他の冷却手法は、比較的大きな動作電力量を要し、加速度計２に重量を付加し、加速度計２のサイズを増大させることがあるので、加速度計２を冷却しなくてよいことは、有益であろう。その上、（例えばドリフトを制御するのに用いられる比較的コンパクトな機能に帰着できる）比較的小さいサイズのため、ＭＥＭＳ光学加速度計２を加熱することは、従来の加速度計ほど多くの電力を要しないであろう。そしてまた、ＭＥＭＳ光学加速度計２は、熱的に隔離されたフレーム上で真空パッケージにパッケージングされてよく、そのことは加速度計２を加熱するための所要電力を更に低減するであろう。
【００４１】
[0047]  図２Ａは、本開示の１又は複数の態様による、一例の温度補償及び波長ロックされたＭＥＭＳ光学加速度計５０の模式的な断面を示すブロック図である。ＭＥＭＳ光学加速度計５０は、本明細書で「加速度計５０」とも称され、図１の加速度計２と類似の、又は異なる要素を含むことができる。
【００４２】
[0048]  加速度計５０は、内部空間７９を画定する筐体５２を含み、内部空間７９は、真空又は部分真空を包含してよい。筐体５２はまた、真空又は部分真空を維持しながら筐体５２内に収容された加速度計５０内部の部品と（例えば、１又は複数のプロセッサを含むサーボ機構などの）外部の部品との間に電気的な接続が行われることができる１又は複数の空間又はビアを画定することができる。
【００４３】
[0049]  図１の加速度計２と同様に、加速度計５０は、光７０を放射する光源、ＶＣＳＥＬ５８を備える。ＶＣＳＥＬ５８は、例えば一辺およそ３．３μｍの寸法を有したチップスケールのレーザである。ＶＣＳＥＬ５８が経年化するにつれて、光７０の波長はゆっくりと変化し、レーザドリフトをもたらすかもしれない。レーザドリフトはそのままバイアスドリフトに変換できる。即ち、光７０の波長の変化は、プルーフマス５６の位置の変化と区別できないであろう。したがって、ＶＣＳＥＬ５８は、ルビジウム（Ｒｂ）セル６０にロックされる。図２ＡにはＲｂセル６０が示されているが、他の例では、加速度計５０は、Ｒｂセル６０の代わりに、又はそれに加えて、別の原子ガスセルを含むことが可能である。他の原子ガスセルは、例えば、セシウムガスセルであってよい。
【００４４】
[0050]  加速度計５０の動作の間、ＶＣＳＥＬ５８によって放射された光７０は、原子波長基準であるＲｂセル６０の中を伝搬する。Ｒｂセル６０は、少なくとも１つの共振波長を持ったガス状のルビジウムを含む蒸気セルである。Ｒｂセル６０は、一辺３ミリメートル（ｍｍ）であってよい。ＶＣＳＥＬ５８の波長は、Ｒｂセル６０の共振波長のうちの１つに一致させられる。ＶＣＳＥＬ５８の波長をＲｂセル６０に一致させることで、Ｒｂセル６０が、ＶＣＳＥＬ５８の特定波長を維持するのに用いられることのできる波長基準として働くことが可能になる。図２Ａの例では、ＶＣＳＥＬ５８は、直接又は間接にＲｂセル６０に実装されている。
【００４５】
[0051]  ＶＣＳＥＬ５８から放射された光７０は、部分反射コリメーションレンズ６６に入射される。コリメーションレンズ６６は、ドーム、半球、又は他の適切な形状様に形作られることができるレンズである。コリメーションレンズ６６は光７０をＲｂセル６０の中へ部分的に反射し、Ｒｂセル６０上で光検出器６２が光７０を検出する。コリメーションレンズ６６が反射した光７０の一部分は、円錐形状を形成するであろう。
【００４６】
[0052]  光検出器６２は、リング形状のフォトダイオードであってよく、ＶＣＳＥＬ５８のまわりに対称的に配置されることができる。光検出器６２は、Ｒｂセル６０を通過しＲｂセル６０によって影響を受けたいくらかの光７０を受け取る。検出した光に基づいて、光検出器６２は、ＶＣＳＥＬ５８から放射された光７０の波長を示す１又は複数の電気信号を生成することができる。図１の波長サーボ２０又は以下で論じられる図２Ｂのサーボ８０などのサーボ機構は、当該１又は複数の信号を光検出器６２から受け取り、その受け取った１又は複数の信号に基づいてＶＣＳＥＬ５８の波長を決定することができる。決定した波長に基づいて、サーボは、ＶＣＳＥＬ５８が選択動作波長で光７０を放射するようにＶＣＳＥＬ５８を調整することができる。図２Ａ及び２Ｂの例では、このサーボは、加速度計５０の一部であってもよいし、又は加速度計５０から独立していてもよい。
【００４７】
[0053]  コリメーションレンズ６６はまた、光７０を部分的に透過させ、光７０は、検知共振器７２の中を通過する。コリメーションレンズ６６を透過した光７０の一部分について、コリメーションレンズ６６は光７０の当該一部分を集光し、加速度計５０の中を進む際にその形を保持する良くコリメートされたレーザビームを作り出す。検知共振器７２は、真空若しくは部分真空であってよく、又は選ばれたガスを含んでもよい。この例では、検知共振器７２は、プルーフマス５６の位置を決定するのに用いられることができるファブリー・ペロー共振器を形成し、プルーフマス５６は同じく、計測軸に沿った加速度を決定するのに用いられることができる。
【００４８】
[0054]  図１に関して論じられたプルーフマス１０と同様に、プルーフマス５６は、弾性要素１２を介してフレーム７４から懸架され、計測軸に沿って動くことが可能である。フレーム７４は、検知共振器７２を形成するのを補助し加速度計５０のいくつかの部品を支持する剛体フレームであってよい。支持要素７６がフレーム７４に取り付けられて、弾性要素１２を支持することができる。いくつかの例では、支持要素７６は、ガラスから成り、２つの弾性要素１２の間の層として形成されてよい。支持要素７６は、弾性要素１２及びプルーフマス５６に熱的な隔離を提供することができ、タッチスケール原子時計における熱的隔離骨格と同様に機能することができる。いくつかの例では、支持要素７６は、ポリイミド層を有したシリコンを含む。弾性要素１２は、プルーフマス５６のシリコンを支持要素７６のシリコンフレームに結合する薄いポリイミド係留具であってよい。いくつかの例では、弾性要素１２は、熱絶縁物である。
【００４９】
[0055]  一例では、加速度計５０は更に、光が共振器７２を通過する方向における検知共振器７２の両端に配置された２つのシリコン片４１−１及び４１−２を備える。それぞれのシリコン片４１−１及び４１−２は、検知共振器７２の内部の面上にミラーコーティングを有することができる。光７０は、シリコン４１−１及び４１−２を部分的に透過し、またそれらから反射することができる。いくつかの例では、シリコン４１−１及び４１−２は、フレーム７４の表面に沿って延伸する。光７０は、シリコン４１−１及び４１−２上のミラーの間を往復して反射することができる。これはファブリー・ペロー共振器の役目を果たし、反射した光７０は共振周波数を有する。
【００５０】
[0056]  検出器５４は、検知共振器７２を通過してきたいくらかの光７０を受け取る。検出器５４は、検知共振器７２を通過して受け取られた光７０に基づいて、ファブリー・ペロー共振器の共振周波数を決定することができる。光７０の一部分を用いて、検出器５４は、プルーフマス５６の位置を決定するのに用いられることのできる１又は複数の信号を生成することができる。
【００５１】
[0057]  加速度計５０は、プルーフマス５６を中立位置に保持する、又は（例えば加速度に応答して）プルーフマス５６が動いた後にプルーフマス５６を中立位置に戻すのを促進するように構成された機能を含むことができる。本明細書で説明されるように、プルーフマス５６の中立位置は、弾性要素１２が応力を受けていない位置であり、その位置は、プルーフマス５６が検知共振器７２内で中心に配置される場所であってよい。加速度計５０に大きな加速度がかかると、プルーフマス５６に取り付けられた弾性要素１２が変形することになるであろう。名目上、弾性要素１２は、高い加速度では非弾性的に伸長して、元の形状には戻らないであろう。伸びてしまった弾性要素１２を用いて行われる加速度計測は、加速度計２が加速されていない時にプルーフマス１０が中立位置から変位しているため、精度が良くないであろう。
【００５２】
[0058]  図２Ｂに示された静電アクチュエータ８２などの静電アクチュエータは、導電素子７８に電圧を印加して、プルーフマス５６を中立位置に保持する静電場を発生することができる。図２Ａに示された例では、加速度計５０は、フレーム７４に取り付けられた１又は複数の導電素子７８を含む。シリコン片４１−１及び４１−２がフレーム７４に沿って延伸しているいくつかの例では、１又は複数の導電素子７８は、シリコン片４１−１及び４１−２のうちの１つに取り付けられる。静電アクチュエータ８２は、導電素子７８を用いてプルーフマス５６を中立位置に戻すことができる。
【００５３】
[0059]  図２Ａに示されるように、導電素子７８はプルーフマス５６に非常に近くてよい。例えば、それぞれの導電素子７８は、プルーフマス５６の中立位置から１ｍｍ以内であってよい。導電素子７８は、例えばリソグラフィ技術を用いて加速度計５０内に形成されることができる。別の例では、導電素子７８は、後に導電素子７８が配置され取り付けられる離れたスペースをフレーム７４又はシリコン４１−１及び４１−２に画定することによって形成される。
【００５４】
[0060]  いくつかの例では、それぞれの導電素子７８は、フレーム７４上のプルーフマス５６に最も近い面に形成された金属コーティングによって画定されることができる。プルーフマス５６は、静電アクチュエータ７８の金属コーティングの近くに形成された整合する金属コーティングを有してよい。上側の静電アクチュエータと下側の静電アクチュエータ上の金属接点間に適切な電圧を印加することによって、プルーフマス５６の位置は制御されることができ、本明細書では強制リバランスと称される。以下で論じられる図２Ｂのサーボ８４などのサーボ機構は、光検出器５４により生成され加速度計５０にかかる加速度を示す１又は複数の信号を受け取ることができる。当該１又は複数の信号を用いて、サーボ８４は、プルーフマス５６を中立位置に保持するにはどれだけの電圧を静電アクチュエータ７８に印加すべきかを決定することができる。加速度計５０が経験する加速度が大きいほど、静電アクチュエータ７８がプルーフマス５６を正しい位置に保持するためにプルーフマス５６に及ぼす力は大きい。もし加速度計５０が加速度を経験していないなら、何ら強制リバランス電圧は必要でない。
【００５５】
[0061]  このフィードバックループは、加速度計５０の動作中にプルーフマス５６を大まかに同じ位置に保持するのに用いられることができる。プルーフマス５６をおおよそ同じ位置に保持することは、弾性要素１２が大きな加速度に起因して変形し、時間と共に損耗する傾向を低減するのに役立つことが可能である。加速度計５０の健全性と精度は、ゼロ加速度位置へのプルーフマス５６の強制リバランスをもたらす静電フィードバックループによって、より長期間にわたって維持されることができる。強制リバランスは、弾性要素１２を過度に引き伸ばす可能性のある大きな加速度に起因する加速度計５０へのダメージを、最小化することができ、又は防止するのに役立つことができる。そしてまた、磁力とは対照的に静電力を用いることは、定常電流が維持される必要がないため、経時的により少ない電力しか要しない。
【００５６】
[0062]  強制リバランスは更に、弾性要素１２がバネの代わりに薄いシリコン係留具から成ることを可能にする。薄いシリコン係留具をより硬いバネの代わりに弾性要素１２として用いることは、加速度計５０の重量とコストを低減するのに役立つことができる。更に、薄いシリコン係留具は、より硬いバネほど多くの応力を伝達しないであろうし、あるいは、より硬いバネと同じようには応力を伝達しないであろう。したがって、弾性要素１２によって、加速度計５０は、経年化、変形、及び加速度計５０を低精度にさせ得る他の形態のバイアスを、より受けにくくなることが可能となる。
【００５７】
[0063]  プルーフマス５６を戻すことによって、弾性要素１２はその形状と弾性をより好適に維持することができ、加速度計５０はより長期間にわたってより高精度であることができる。以下に論じられる図２Ｂのサーボ８４などのサーボ機構は、プルーフマス５６の位置を示す１又は複数の信号を光検出器５４から受け取ることができる。当該１又は複数の信号を用いて、サーボ８４は、静電アクチュエータ７８を用いてどのようにプルーフマス５６を中立位置に戻すべきかを決定することができる。
【００５８】
[0064]  加速度計５０はまた、（集合的に「加熱素子６８」と称される）１又は複数の加熱素子６８−１乃至６８−４を含むこともできる。１又は複数の加熱素子６８は、フレーム７４に機械的又は熱的に結合されることができる。１又は複数の加熱素子６８は、図１に示された加速度計２の加熱素子２２に関して上で論じられたように、加速度計５０をほぼ一定の動作温度に維持するために熱を印加する。
【００５９】
[0065]  図２Ｂは、本開示の１又は複数の態様による、図２ＡのＭＥＭＳ光学加速度計の一例の動作モードを示すブロック図である。図２Ｂは、筐体５２に含まれている加速度計５０のいくつかの機能部品と共に、筐体５２の外部に配置されることのできるいくつかの部品を示す。図２Ｂは、加速度計５０の機能性の簡略化バージョンを示すことができる。
【００６０】
[0066]  図２Ｂにおいて、破線はＶＣＳＥＬ５８から放射された光７０の経路を示し、一方で実線は電子部品間で伝送される電気信号を示す。ＶＣＳＥＬ５８は光７０を放射し、この光７０はＲｂセル６０を通過してコリメーションレンズ６６に入射する。コリメーションレンズ６６は、光７０を検出器６２と検知共振器７２へ向けて分割する。検出器６２は、ＶＣＳＥＬ５８の波長を示す１又は複数の信号をサーボ機構８０へ供給する。いくつかの例では、検出器６２は、検出した光７０の一部を用いてＶＣＳＥＬ５８の波長を決定する。（本明細書で「サーボ８０」とも称される）サーボ機構８０は、ＶＣＳＥＬ５８の波長を示す１又は複数の信号からＶＣＳＥＬ５８の波長を決定するように構成されたプロセッサを含むことができる。サーボ８０はまた、ＶＣＳＥＬ５８が調整を必要としているかどうかを決定することもできる。サーボ８０は、決定した波長を（例えばＲｂセル６０の共振周波数などの）選択動作波長と比較することによって、ＶＣＳＥＬ５８が調整を必要としていることを決定することができる。もしＶＣＳＥＬ５８の決定波長が選択動作波長と異なっていれば、サーボ８０は、光７０の波長を選択動作波長に維持するようにＶＣＳＥＬ５８を調整する。
【００６１】
[0067]  検知共振器７２の中を進んだ光７０の一部分は、検出器５４に入射して、プルーフマス５６の位置を決定するのに用いられることができる。検出器５４は、プルーフマス５６の位置を示す１又は複数の信号を生成し、読み取り信号８６を出力する。読み取り信号８６は、例えばナビゲーションデバイスのプロセッサなど、加速度計５０の外部の電子装置へ供給されてよい。いくつかの例では、検出器強度の読み取りは比較的高速であり、一方でプルーフマス５６に対するフィードバック信号は比較的低速である。プロセッサは、プルーフマス５６の位置を示す１又は複数の信号を用いて、計測方向に沿った加速度を決定することができる。検出器５４はまた、プルーフマス５６の位置を示す１又は複数の信号をサーボ機構８４へ供給することもできる。サーボ８４は、当該１又は複数の信号からプルーフマス５６の位置を決定するように構成された１又は複数のプロセッサを含むことができる。もしプルーフマス５６が、加速度計５０が加速度を経験していない時の中立位置へ戻っていなければ、サーボ機構８４は、１又は複数の静電アクチュエータ８２を制御して、プルーフマス５６をその中立位置へ戻すように検知共振器７２に静電場を印加することができる。
【００６２】
[0068]  図３Ａは、本開示の１又は複数の態様による、別例の温度補償及び波長ロックされたＭＥＭＳ光学加速度計９０の模式的な断面を示すブロック図である。加速度計９０は図２Ａの加速度計５０に類似しているので、そのような部品及び態様は図２Ａに関して上述されたとおりである。サーボ８４は、内部共振器の長さから加速度計９０の温度を決定することができ、次いで加速度計９０の温度は、加速度計９０の温度安定化のために用いられる。
【００６３】
[0069]  加速度計９０は、温度共振器９６の中を通過した光７０を検出する第３検出器８８を含む。第１ビームスプリッタ９４−１は、検知共振器７２から透過してきた光７０を検出器５４と第２ビームスプリッタ９４−２へ向けて分割する。第２ビームスプリッタ９４−２は、光７０を温度共振器９６と検出器８８へ向けて分割する。（本明細書で集合的に「ビームスプリッタ９４」と称される）第１及び第２ビームスプリッタ９４−１、９４−２は、例えば、ビームスプリッタキューブ又は部分反射ミラーであってよい。
【００６４】
[0070]  温度共振器９６を作り出すために、加熱素子６８−２、フレーム７４、及びプルーフマス５６に開口が形成されることができる。温度共振器９６の中を通過する光７０の一部分は、温度共振器９６に沿ってフレーム７４の上面と下面から反射することができる。フレーム７４の上面と下面は、例えば研磨、又はフレーム７４への反射材料の付加などによる反射面を有してよい。サーボ８０は、温度共振器９６の長さを決定する助けとなるような方法でＶＣＳＥＬ５８を変調することができる。検出器８８は、変調された光を検出し、それを復調して温度共振器９６の長さを計測する。例えば、もし光が共振に一致していれば、変調側波帯も等しい振幅且つ反対の位相で伝送される。それらとキャリアとのビートは相殺する。もし光が共振からずれていれば、側波帯は異なる振幅で伝送されるので、ビートは相殺せず、ビートの位相は共振からの離調の一方側と他方側とで反対である。位相に敏感な方法で復調することによって、共振器の共振とレーザ周波数との差を決定するのに用いられることが可能な誤差信号が得られ、もしレーザ周波数が既知であれば、その誤差信号から共振器長が計算されることが可能である。
【００６５】
[0071]  検出器８８は、温度共振器９６の中を通過した反射光を受け取る。検出された変調光に基づいて、検出器８８は、温度共振器９６の長さを示す１又は複数の信号を生成する。いくつかの例では、温度共振器９６の長さは、（図１の内部チャンバ８などの）フレーム７４により画定される内部チャンバと同じである。
【００６６】
[0072]  検出器８８は、温度共振器９６の長さを示す１又は複数の信号を、図３Ｂに示された第３サーボ８９などのサーボ機構へ供給することができる。加速度計９０は原子波長基準であるＲｂセル６０を用いてＶＣＳＥＬ５８を安定化することにより比較的安定なレーザ波長を有するため、光７０は、温度変化に起因して変化し得る加速度計９０の長さを計測するのに用いられることができる。温度共振器９６の長さを示す１又は複数の信号は、加速度計９０の温度をほぼ一定に保持するために第３サーボ８９へフィードバックされることができる。この例は、図２Ａで説明された例のフィードバックシステムと比べて、加速度計９０に導入され得る応力及び歪みのより直接的な計測を提供するであろう。図３Ａの例は、温度の抵抗計測又は電圧計測に代えて、温度の光学的計測を提供する。
【００６７】
[0073]  加速度計９０は、プルーフマス５６を中立位置に維持する役に立つように構成された１又は複数の機能を含む。図３Ａに示された例では、加速度計９０は、計測方向においてプルーフマス５６のまわりに配置された（本明細書で集合的に「導電板９３」と称される）４つの導電板９３−１乃至９３−４を含む。導電板９３は、フレーム７４上又はフレーム７４内に形成されることができる。（本明細書で集合的に「導電板９５」と称される）整合する導電板９５−１乃至９５−４が、プルーフマス５６上に形成されることができる。それぞれの導電板９５は、導電板９３のうちの１つに近接して配置されることができる。静電アクチュエータ９２は、例えばプルーフマス５６を中立位置に維持するために、導電板９３に電圧を供給してプルーフマス５６を共振器７２内で動かすことができる。
【００６８】
[0074]  図３Ｂは、本開示の１又は複数の態様による、図３ＡのＭＥＭＳ光学加速度計９０の一例の動作モードを示すブロック図である。図３Ｂは、筐体５２に含まれている加速度計９０のいくつかの機能部品と共に、筐体５２の外部に配置されることのできるいくつかの部品を示す。図３Ｂは、加速度計９０の機能性の簡略化バージョンを示すことができる。
【００６９】
[0075]  図３Ｂにおいて、破線はＶＣＳＥＬ５８から放射された光７０の経路を示し、一方で実線は電子部品間で伝送される電気信号を示す。ＶＣＳＥＬ５８は光７０を放射し、この光７０はＲｂセル６０を通過してコリメーションレンズ６６に入射する。コリメーションレンズ６６は、光７０を検出器６２と検知共振器７２へ向けて分割する。第１サーボ機構６３は、第１検出器６２によって検出された光７０の一部を用いて、ＶＣＳＥＬ５８の波長を決定する。第１検出器６２は、ＶＣＳＥＬ５８の波長を示す１又は複数の信号を第１サーボ機構６３へ伝送する。第１サーボ機構６３は、当該１又は複数の信号を処理してＶＣＳＥＬ５８の波長を決定し、更にＶＣＳＥＬ５８が調整を必要としているかどうかを決定することができる。もしそうであれば、第１サーボ６３は、光７０の波長を選択動作波長に維持するようにＶＣＳＥＬ５８を調整する。選択動作波長は、Ｒｂセル６０の共振波長と同様であってよい。
【００７０】
[0076]  検知共振器７２の中を進んだ光７０のいくらかの部分は、第２検出器５４に入射して、加速度計９０にかかる加速度を決定するのに用いられることができる。第２検出器５４は、プルーフマス５６の位置であり得る加速度を示す１又は複数の電気信号を生成し、読み取り信号８６を出力する。読み取り信号８６は、例えばナビゲーションデバイスのプロセッサなど、加速度計５０の外部の電子装置へ供給されてよい。プロセッサは、当該１又は複数の信号を用いて、計測方向に沿った加速度を決定することができる。
【００７１】
[0077]  第２検出器５４はまた、プルーフマス５６の位置を示す１又は複数の電気信号を第２サーボ機構５５へ供給することもできる。第２サーボ５５は、当該１又は複数の信号から加速度を決定し、更に、プルーフマス５６を中立位置に維持する静電場を印加するにはどれだけの電圧を１又は複数の静電アクチュエータ９２に供給すべきかを決定することができる。第２サーボ５５は、プルーフマス５６を中立位置から変位させないでおくために、より大きな加速度ではより多くの電圧を静電アクチュエータ９２に印加する。
【００７２】
[0078]  ビームスプリッタ９４−１は、光７０の一部分を温度共振器９６へ向けさせることができ、当該光７０の一部分は、第３検出器８８の方へ反射する。第３検出器８８は、温度共振器９６の長さを示す１又は複数の信号を第３サーボ機構８９へ供給する。第３サーボ機構８９は、第３検出器８８からの１又は複数の信号から加速度計９０の温度を決定するように構成された１又は複数のプロセッサを含むことができ、１又は複数の加熱素子６８を制御して加速度計９０の温度を安定化させる。
【００７３】
[0079]  図４は、本開示の１又は複数の態様による、プルーフマス５６の位置の差動計測を行う一例の温度補償及び波長ロックされたＭＥＭＳ光学加速度計１２０の模式的な断面を示すブロック図である。加速度計１２０は図２Ａの加速度計５０及び図３Ａの加速度計９０に類似しているので、そのような部品及び態様は図２Ａ又は図３Ａに関して上述されたとおりである。
【００７４】
[0080]  加速度計１２０は、プルーフマス５６の位置を決定するのに用いられることができる共振器１２２を含む。プルーフマス５６には凹部１２４が形成されている。共振器１２２は、プルーフマス５６の第１面とフレーム７４の表面の上に形成される。検出器８８は、プルーフマス５６の位置の差動計測値を決定するのに用いられることのできる１又は複数の信号を生成することができる。プルーフマス５６の位置を差動的に計測することによって、加速度計１２０の出力に存在し得るある種類の雑音を低減することができる。
【００７５】
[0081]  いくつかの例では、プルーフマス５６の第２表面とフレーム７４との間に第２共振器が形成される。この例では、透過ビームに対する変調の振幅と位相を計測することによって共振を検出する代わりに、反射ビームに対する変調の振幅と位相が計測される。
【００７６】
[0082]  いくつかの例では、加速度計１２０は、温度安定化されることができる。加速度計１２０の温度は、（例えば図２Ａにおけるように）電気的に又は（例えば図３Ａにおけるように）光学的に計測されることができる。加えて、いくつかの例では、ＶＣＳＥＬ５８は、図１−３Ｂで説明されたように、波長安定化されることができる。
【００７７】
[0083]  図５は、本開示の１又は複数の態様による、ＭＥＭＳ光学加速度計を動作させる例示的方法を示すフローチャートである。本明細書で論じられる際、本方法は、図１−４に関して説明されたＭＥＭＳ光学加速度計２、５０、９０、及び１２０の例に関して説明される。しかしながら、本方法は、本開示の他の加速度計の例に対して同様に適用することができる。
【００７８】
[0084]  図５に示される例では、本方法は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）光学加速度計の光源によって放射された光の波長を決定するステップ（２００）を含む。例えば、加速度計９０の第１検出器６２は、ＶＣＳＥＬ５８から放射されＲｂセル６０の中を伝搬した光である基準光を受け取る。第１サーボ６３は、基準光に基づいて、放射された光の波長を決定する。
【００７９】
[0085]  本方法は、更に、ＭＥＭＳ光学加速度計のサーボ機構によって、光源により放射される光の波長とＭＥＭＳ光学加速度計の原子波長基準の波長との差を減少させるように光源を調整するステップ（２０２）を含むことができる。一例では、光源を調整するステップは、ＭＥＭＳ光学加速度計のレーザにより放射される光の波長を原子波長基準の波長にロックするステップを含む。例えば、ＭＥＭＳ光学加速度計５０のＶＣＳＥＬ５８の放射光７０の波長は、Ｒｂセル６０の共振波長にロックされることができる。サーボ８０などのサーボ機構は、ＶＣＳＥＬ５８の周波数をルビジウムの共振周波数のまわりで変調及び復調することができ、その結果、変調された出力をフォトダイオードで検知することを用いて、ＶＣＳＥＬ５８が放射した光７０の波長を決定することができるようにする。
【００８０】
[0086]  本方法は、更に、第３サーボ８９などのサーボ機構がＭＥＭＳ光学加速度計の共振器の温度を決定するステップ（２０４）を含むことができる。共振器の温度は、数多くの方法で決定されることができる。例えば、図２Ａに示されるように、１又は複数のホイートストンブリッジ６８を横切る電圧を検知することによって電気的に温度が決定されてよい。別の例、例えば、図３Ａの例では、温度共振器９６の長さを検知することによって光学的に温度が決定されてよい。
【００８１】
[0087]  本方法は、更に、第１サーボ６３などのサーボ機構が、共振器の温度をおおよそ選択温度に維持するように、共振器と熱的に接触している１又は複数の加熱器を共振器の温度に基づいて調整するステップ（２０６）を含むことができる。選択動作温度は、加速度計がある環境の周囲温度より高い温度であってよい。
【００８２】
[0088]  いくつかの例では、レーザはＶＣＳＥＬ５８などのＶＣＳＥＬである。ＶＣＳＥＬにより放射される光の波長をロックするステップは、更に、ＭＥＭＳ光学加速度計の光検出器によって、原子波長基準を通過した放射光である基準光を受け取るステップを含むことができる。本方法は、更に、放射光の波長と原子波長基準の共振波長との差を決定するステップを含む。本方法は、更に、サーボ機構が放射光の波長と原子波長基準の共振波長との差を減少させるようにＶＣＳＥＬを調整するステップを含むことができる。
【００８３】
[0089]  いくつかの例では、温度を決定するステップは、更に、ＶＣＳＥＬにより放射された光を用いて温度共振器の長さを決定するステップと、温度共振器の長さに基づいて温度を決定するステップとを含む。
【００８４】
[0090]  更なる例では、本方法は、更に、ＭＥＭＳ光学加速度計の共振器内のプルーフマスの位置を決定するステップを含む。本方法は、更に、プルーフマスの位置に基づいて、プルーフマスを中立位置に維持するようにプルーフマスの位置を調整するステップを含む。
【００８５】
[0091]  いくつかの例では、前記光検出器は第１光検出器である。プルーフマスの位置を決定するステップは、更に、ＭＥＭＳ光学加速度計の第２光検出器によって、プルーフマスの凹部により一部が形成された共振器を通過した光源からの電磁放射を受け取るステップを含むことができる。本方法は、更に、第１光検出器と第２光検出器によって受け取られた電磁放射の差に基づいてプルーフマスの位置を差動的に決定するステップを含むことができる。
【００８６】
[0092]  いくつかの例では、１又は複数の加熱素子は１又は複数のホイートストンブリッジである。１又は複数の加熱素子を調整するステップは、更に、共振器の温度をおおよそ選択温度に維持するように、共振器の温度に基づいて１又は複数のホイートストンブリッジに電圧を供給するステップを含む。
【００８７】
[0093]  本明細書で説明される例示的な加速度計は、従来の加速度計よりも小さいバイアスドリフトを有する。本加速度計は、温度安定性、レーザ波長安定性、及びプルーフマスの強制リバランスのうちの１又は複数に起因して、より小さいバイアスドリフトを有することができる。本加速度計はまた、より長い使用期間にわたってより高い精度も有することができる。本明細書で説明される加速度計は、精密ナビゲーションなどのバイアスドリフトに敏感な用途、加速度計が除去、交換、又は再校正されることができない長期の任務を有する用途、及び、部品が長期間にわたって非アクティブのまま待機しなければならないが何時でも使用できる準備ができていなければならない用途に対して、よく適合している。本明細書で説明される加速度計は、良好な信号対雑音比、高い精密さ、高い分解能、高い精度、及び高い安定性を有することができる。
【００８８】
[0094]  本明細書の議論及びクレームでは、一方が他方の「上に（on）」ある２つの物質に関して用いられる「上に」という用語は、それら物質間に少なくとも何らかの接触があることを意味し、一方、「上に（over）」は、それら物質が近接して存在するが１又は複数の付加的な介在物質と共に存在する可能性があり、その結果接触が可能であるが要件ではないということを意味する。「上に（on）」と「上に（over）」のどちらも、本明細書で用いられる外部座標系に対する方向性を何ら示唆しない。「およそ」「ほぼ」等の用語は、説明された例に対する処理又は構造の不整合が生じない限り、列挙された値がいくらか変更されてよい、ということを示す。
【００８９】
[0095]  本開示で用いられる相対位置の用語は、プルーフマス１０若しくは５６の向きに拘らず、プルーフマス１０若しくは５６の通常平面又は加工表面に平行な平面に基づいて規定される。本開示で用いられる「水平」という用語は、ウェハ又は基板の向きに拘らず、プルーフマス１０若しくは５６の通常平面又は加工表面に平行な平面として規定される。「垂直」という用語は、水平に対して直角をなす方向を指す。「上（on）」、（「側壁」におけるような）「側」、「上部」、「下部」、「上（over）」、「頂部」、及び「下」などの用語は、プルーフマス１０若しくは５６の向きに拘らず、プルーフマス１０若しくは５６の上面にある通常平面又は加工表面に対して規定される。
【００９０】
[0096]  １又は複数の例では、説明された機能のうちのいくつかは、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はそれらの任意の組み合わせの形で実装されることができる。ソフトウェアの形で実装される場合、当該機能は、１又は複数の命令若しくはコードとして、コンピュータ可読媒体上に格納又はコンピュータ可読媒体を介して伝送され、ハードウェアベースの処理装置によって実行されることができる。コンピュータ可読媒体は、データ記憶媒体などの有形媒体に対応するコンピュータ可読記憶媒体、又は、ある場所から別の場所へのコンピュータプログラムの伝送を例えば通信プロトコルに従って促進する任意の媒体を含む通信媒体を含んでよい。このようにして、コンピュータ可読媒体は全体として、非一時的である有形のコンピュータ可読記憶媒体に合致することができる。データ記憶媒体は、本開示で説明される手法の実現のための命令、コード、及び／又はデータ構造を取得するために１又は複数のコンピュータ又は１又は複数のプロセッサによってアクセスされることが可能である任意の入手可能な媒体であってよい。コンピュータプログラム製品は、コンピュータ可読媒体を含んでよい。
【００９１】
[0097]  限定ではなく例として、そのようなコンピュータ可読記憶媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ若しくは他の光ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置若しくは他の磁気記憶デバイス、フラッシュメモリ、又は、命令若しくはデータ構造の形態の所望のプログラムコードを格納するのに用いられることが可能であってコンピュータによりアクセスされることが可能な任意の他の媒体を含むことができる。そしてまた、任意の接続が適正にコンピュータ可読媒体と称される。例えば、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、ツイストペア、デジタル加入者線（ＤＳＬ）、又は、赤外線、無線、及びマイクロ波などの無線技術を用いて、命令がウェブサイト、サーバ、又は他の遠隔情報源から伝送される場合、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、ツイストペア、ＤＳＬ、又は、赤外線、無線、及びマイクロ波などの無線技術が、媒体の定義に含まれる。しかしながら、コンピュータ可読記憶媒体及びデータ記憶媒体は、接続、搬送波、信号、又は他の一時的媒体を含まないが、その代わりに非一時的な有形の記憶媒体を対象としている、ということが理解されるべきである。本明細書で用いられる時、ディスク（disk）及びディスク（disc）は、コンパクトディスク（ＣＤ）、レーザディスク、光ディスク、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、フロッピーディスク（登録商標）、及びブルーレイ（登録商標）ディスクを含み、ここで、ディスク（disk）は通常、データを磁気的に複製し、一方ディスク（disc）は、データをレーザで光学的に複製する。上記の組み合わせもまた、コンピュータ可読媒体の範囲の中に含まれるべきである。
【００９２】
[0098]  命令は、１又は複数のデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、汎用マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブル論理アレイ（ＦＰＧＡ）、又は他の同等な集積若しくは個別論理回路などの、１又は複数のプロセッサによって実行されることができる。したがって、本明細書で用いられる「プロセッサ」という用語は、前述の構造のうちの何れか、又は本明細書で説明される手法の実現に適した任意の他の構造を指すことができる。加えて、いくつかの態様では、本明細書で説明される機能性は、エンコード及びデコード用に構成され、又は複合コーデックに結合された専用のハードウェア及び／又はソフトウェアモジュールの中に提供されることができる。そしてまた、本手法は、１又は複数の回路又は論理素子の形で完全に実装されることが可能であろう。
【００９３】
[0099]  本開示の様々な態様が説明された。本明細書で説明された例の態様又は特徴は、別の例で説明された任意の他の態様又は特徴と結合されてよい。これらの及び他の例は以下のクレームの範囲に入る。
【図１】
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【図２Ｂ】
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【図３Ｂ】
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【図５】
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【図２Ａ】
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【図３Ａ】
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【図４】
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【外国語明細書】
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