(57)【要約】【課題】加速度計を較正する方法および加速度計デバイスを提供する。【解決手段】いくつかの例では、加速度計は、加速度計のスケールファクタを第１の値に設定するステップと、加速度計のスケールファクタが第１の値に設定されている間に第１の加速度値を獲得するステップと、加速度計のスケールファクタを第２の値に設定するステップと、加速度計のスケールファクタが第２の値に設定されている間に第２の加速度値を獲得するステップと、第１の加速度値および第２の加速度値に基づいてバイアス補正値を決定するステップと、第３の加速度値を獲得するステップと、バイアス補正値に基づいて第３の加速度値を補正するステップとにより、使用中に自己較正することができる。【選択図】図１
2016218055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速度計を較正する方法であって、
前記加速度計のスケールファクタを第１の値に設定するステップと、
前記加速度計の前記スケールファクタが前記第１の値に設定されている間に第１の加速度値を獲得するステップと、
前記加速度計の前記スケールファクタを第２の値に設定するステップと、
前記加速度計の前記スケールファクタが前記第２の値に設定されている間に第２の加速度値を獲得するステップと、
前記第１の加速度値および前記第２の加速度値に基づいてバイアス補正値を決定するステップと、
第３の加速度値を獲得するステップと、
前記バイアス補正値に基づいて前記第３の加速度値を補正するステップと
を含む方法。
【請求項２】
プルーフマスと、
前記プルーフマスに接続された１つまたは複数のアンカ要素と、
前記プルーフマスの前記１つまたは複数のアンカ要素のスケールファクタを第１の値に設定し、
前記プルーフマスの前記１つまたは複数のアンカ要素の前記スケールファクタを第２の値に設定する
ように構成されたスケールファクタ制御モジュールと、
前記プルーフマスの前記１つまたは複数のアンカ要素の前記スケールファクタが前記第１の値に設定されている間に第１の加速度値を獲得し、
前記プルーフマスの前記１つまたは複数のアンカ要素の前記スケールファクタが前記第２の値に設定されている間に第２の加速度値を獲得し、
第３の加速度値を獲得する
ように構成された感知モジュールと、
前記第１の加速度値および前記第２の加速度値に基づいてバイアス補正値を決定し、かつ、
前記バイアス補正値に基づいて前記第３の加速度値を補正する
ように構成されたコントローラと
を備える加速度計デバイス。
【請求項３】
前記コントローラが、前記第１の加速度値および前記第２の加速度値に基づいて、加速度値をゼロのスケールファクタに対して補外することによって前記バイアス補正値を決定するようにさらに構成され、また、前記コントローラが、前記バイアス補正値を前記第３の加速度値から控除することによって前記バイアス補正値に基づいて前記第３の加速度値を補正するようにさらに構成される、請求項２に記載の加速度計デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
[0001]本出願は、
２０１５年５月１５日に出願した、「ＩＮ−ＳＩＴＵ  ＢＩＡＳ  ＣＯＲＲＥＣＴＩＯＮ  ＦＯＲ  ＭＥＭＳ  ＡＣＣＥＬＥＲＯＭＥＴＥＲＳ（ＭＥＭＳ加速度計のためのインサイチュ・バイアス補正）」という名称の米国仮特許出願第６２／１６２，４６１号
２０１５年６月２９日に出願した、「ＯＰＴＩＣＡＬ−ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ  ＶＩＢＲＡＴＩＮＧ  ＢＥＡＭ  ＡＣＣＥＬＥＲＯＭＥＴＥＲ（光機械振動ビーム加速度計）」という名称の米国仮特許出願第６２／１８６，２３３号
２０１５年９月８日に出願した、「ＩＮ−ＳＩＴＵ  ＢＩＡＳ  ＣＯＲＲＥＣＴＩＯＮ  ＦＯＲ  ＭＥＭＳ  ＡＣＣＥＬＥＲＯＭＥＴＥＲＳ（ＭＥＭＳ加速度計のためのインサイチュ・バイアス補正）」という名称の米国仮特許出願第６２／２１５，６７７号
の利益を主張するものであり、これらの文献の各々のすべての内容は、参照により本明細書に組み込まれている。
【０００２】
[0002]本開示は加速度計に関する。
【背景技術】
【０００３】
[0003]いくつかの微小電気機械（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ）加速度計は、プルーフマスによって可撓機械アンカに加えられる慣性力を感知することによって加速度を測定する。力、したがって入力加速度を読み出す技法の１つは、フレームに対する質量の変位を測定することである。他の技法は、慣性力に対抗する際に回復アンカ内に誘導される応力を測定することである。いくつかのＭＥＭＳ加速度計では、これらの測定は、ときによっては、変位または応力の変化を表すキャパシタンスの変化を感知することによって実施される。キャパシタンスのこれらの変化は、光場に対する変化を介して感知することも可能である。ＭＥＭＳ加速度計は、通常、工場で使用に先立って一度較正される。較正時には、既知の加速度を受けたとき加速度計デバイスの出力信号が測定され、かつ、その出力が標準出力値に補正される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｅｉｃｈｅｎｆｉｅｌｄ、Ｍａｔｔ、ｅｔ  ａｌ、「Ａ  ｐｉｃｏｇｒａｍ−ａｎｄ  ｎａｎｏｍｅｔｒｅ−ｓｃａｌｅ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ−ｃｒｙｓｔａｌ  ｏｐｔｏ¬ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｃａｖｉｔｙ（ピコグラムおよびナノメートルスケール・フォトニック結晶光機械キャビティ）」（Ｎａｔｕｒｅ  ４５９．７２４６（２００９）、５５０〜５５５頁（２００９年５月２８日））
【非特許文献２】Ｄａｔｔａ、Ｓｕｐｒａｔｉｋ、ｅｔ  ａｌ．「Ｓｔｒｅｓｓ  ａｎｄ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｆｉｅｌｄ−ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  Ｙｏｕｎｇ’ｓ  Ｍｏｄｕｌｕｓ  ｉｎ  ｓｉｎｇｌｅ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｉｒｏｎ−ｇａｌｌｉｕｍ  ａｌｌｏｙｓ（単結晶鉄−ガリウム合金における応力および磁界依存ヤング率）」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ  ａｎｄ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ３２２．１５（２０１０）：２１３５〜２１４４頁、およびＳｉｅｇｅｌ，  Ｓｉｄｎｅｙ，  ａｎｄ  Ｓ．  Ｌ．  Ｑｕｉｍｂｙ）
【非特許文献３】「Ｔｈｅ  Ｖａｒｉａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｙｏｕｎｇ’ｓ  Ｍｏｄｕｌｕｓ  ｗｉｔｈ  Ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｉｎ  Ｎｉｃｋｅｌ（ニッケルにおける磁化および温度によるヤング率の変化）」（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  ４９．９（１９３６）、６６３頁）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
[0004]本開示は加速度計に関し、より詳細には微小電気機械（ＭＥＭＳ）加速度計を較正するためのデバイスおよび方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
[0005]一例では、加速度計を較正する方法は、加速度計のスケールファクタを第１の値に設定するステップと、加速度計のスケールファクタが第１の値に設定されている間に第１の加速度値を獲得するステップと、加速度計のスケールファクタを第２の値に設定するステップと、加速度計のスケールファクタが第２の値に設定されている間に第２の加速度値を獲得するステップと、第１の加速度値および第２の加速度値に基づいてバイアス補正値を決定するステップと、第３の加速度値を獲得するステップと、バイアス補正値に基づいて第３の加速度値を補正するステップとを含む。
【０００７】
[0006]他の例では、加速度計デバイスは、プルーフマスと、プルーフマスに接続された１つまたは複数のアンカ要素と、プルーフマスの１つまたは複数のアンカ要素のスケールファクタを第１の値に設定し、プルーフマスの１つまたは複数のアンカ要素のスケールファクタを第２の値に設定するように構成されたスケールファクタ制御モジュールと、プルーフマスの１つまたは複数のアンカ要素のスケールファクタが第１の値に設定されている間に第１の加速度値を獲得し、プルーフマスの１つまたは複数のアンカ要素のスケールファクタが第２の値に設定されている間に第２の加速度値を獲得し、第３の加速度値を獲得するように構成された感知モジュールと、第１の加速度値および第２の加速度値に基づいてバイアス補正値を決定し、かつ、バイアス補正値に基づいて第３の加速度値を補正するように構成されたコントローラとを含む。
【０００８】
[0007]添付の図面および以下の説明には、本開示の１つまたは複数の例の詳細が示されている。本開示の他の特徴、目的および利点は、以下の説明および図面から、また、特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】[0008]本明細書において説明される例によるＭＥＭＳ加速度計システムの一例を示す概念図である。
【図２Ａ】[0009]本明細書において説明される例によるプルーフマスアセンブリの一例を示す概念図である。
【図２Ｂ】本明細書において説明される例によるプルーフマスアセンブリの一例を示す概念図である。
【図２Ｃ】本明細書において説明される例によるプルーフマスアセンブリの一例を示す概念図である。
【図３Ａ】[0010]本開示の例によるＭＥＭＳ加速度計システムのバイアス値を決定するための線形補外の例を示すグラフである。
【図３Ｂ】本開示の例によるＭＥＭＳ加速度計システムのバイアス値を決定するための線形補外の例を示すグラフである。
【図３Ｃ】本開示の例によるＭＥＭＳ加速度計システムのバイアス値を決定するための線形補外の例を示すグラフである。
【図４】[0011]図４Ａは、本開示の例による光機械キャビティ構造の例を示す図である。図４Ｂは、本開示の例による光機械キャビティ構造の例を示す図である。図４Ｃは、本開示の例による光機械キャビティ構造の例を示す図である。
【図５】[0012]本開示の例によるプルーフマスアセンブリを示す図である。
【図６】[0013]本開示の例による他のプルーフマスアセンブリを示す図である。
【図７】[0014]本開示の例による他のプルーフマスアセンブリを示す図である。
【図８】[0015]本開示の技法による加速度計を較正する方法を示すフローチャートである。
【図９】[0016]本開示の技法による加速度計を較正する方法を示すフローチャートである。
【図１０】[0017]図１０Ａは、本開示の例による、ゼロから遠ざかる方向に実加速度情報をアップシフトさせるためのスケールファクタの連続変調の例を示すグラフである。図１０Ｂは、本開示の例による、ゼロから遠ざかる方向に実加速度情報をアップシフトさせるためのスケールファクタの連続変調の例を示すグラフである。図１０Ｃは、本開示の例による、ゼロから遠ざかる方向に実加速度情報をアップシフトさせるためのスケールファクタの連続変調の例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
[0018]本開示は加速度計に関し、より詳細には微小電気機械（ＭＥＭＳ）加速度計を較正するためのデバイス、システムおよび方法に関する。ＭＥＭＳ変位加速度計の場合、加速度計の構成要素の老化のため、加速度が全く存在しない場合におけるフレームに対するプルーフマスの位置がシフトすることがある。ＭＥＭＳ振動ビーム加速度計（ＶＢＡ：Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ  Ｂｅａｍ  Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ）の場合、衝撃または老化、あるいは温度変化などの動作中における環境変化を始めとする他の機構による材料の弱体化または補剛のため、ビームアンカの係数が変化することがある。また、ＭＥＭＳ変位加速度計およびＭＥＭＳ  ＶＢＡのいずれの場合においても、使用中に加速度計が遭遇する衝撃のため、プルーフマスの位置またはアンカの機械的特性に対する重大な摂動が存在し得る。これらの衝撃は、用途によっては極めて重大であり得る。例えば、商業航空機で実施される加速度計デバイスは、かなり小さい衝撃に遭遇し、一方、ミサイルで実施される加速度計デバイスは、比較的より激しい衝撃に遭遇し、また、銃によって発砲される発射体で実施される加速度計は、より一層激しい衝撃に遭遇し得る。加速度計出力は、これらの衝撃によってオフセットすなわちバイアスを示すことがある。加速度計出力は、衝撃が激しいほど、より大きいオフセットを示すことになる。さらに、老化は、経年変化する加速度計の様々な構成要素の構造的特性のため、このオフセットをさらに大きくすることになる。
【００１１】
[0019]加速度計のバイアスは、初期（例えば工場における、あるいは使用に先立つ）較正プロセスで考慮することができるが、衝撃、特に激しい衝撃に遭遇する加速度計の場合、その加速度計を使用している間に衝撃によってバイアスが変化することがある。バイアスは、老化のため、または温度変化などの環境変化のため、初期較正後に変化することもあり得る。このバイアス、特に使用中および／または初期較正後におけるバイアスのこの変化は、慣性誘導機構などの特定の用途のための加速度計の使用可能性に重大な影響を及ぼすことがある。
【００１２】
[0020]本開示は、ＭＥＭＳ加速度計などの加速度計デバイスの使用中における自己較正を可能にし、それにより初期較正後のＭＥＭＳ加速度計の機能の変化を考慮することができるデバイス、システムおよび技法を説明する。例えば本開示は、加速度計出力の「信号」部分（つまりデバイスが遭遇している実入力加速度に応答する出力部分）と比較して、加速度計出力の「バイアス」部分（つまりデバイスが遭遇している入力加速度によって決定されない出力部分）の加速度計デバイスによる識別および定量化を可能にすることができる技法を紹介する。出力からバイアスを除去することにより、加速度計デバイスは、非インサイチュ較正加速度計と比較して精度が高い加速度の読取り値を提供することができ、したがって改善された使用可能性を提供することができる。
【００１３】
[0021]本開示は、検出された加速力から得られる出力部分から加速度計出力のバイアス部分を分離するためのデバイス、システムおよび技法を説明する。加速度計のスケールファクタは、デバイスが遭遇する所与の入力加速度に対する出力信号（例えば電圧などの単位の電気信号）の大きさを確立する係数（またはより一般的には関数）である。
【００１４】
[0022]結合質量−ばねシステム（ｃｏｕｐｌｅｄ  ｍａｓｓ−ｓｐｒｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ）としての加速度計の単純なモデルでは、スケールファクタは、プルーフマス回復力を提供するアンカの実効ばね定数「ｋ」に反比例する。本開示の一技法によれば、実効ばね定数「ｋ」は、スケールファクタを少なくとも２つの異なる値に設定することができるよう調整可能であってもよい。同じプルーフマスに対して、実効ｋを大きくすることによってスケールファクタを小さくすることができ、また、実効ｋを小さくすることによってスケールファクタを大きくすることができる。加速度計内の制御回路機構は、較正プロセスの期間の間、スケールファクタを少なくとも２つの異なる値の間で比較的速やかに切り換え、または掃引し、あるいは正弦波式で変調することができる。切換え周波数または掃引周波数を入力加速度信号中の重要な特性フーリエ周波数（この例では例えば５０Ｈｚ未満）に対して高くする（例えば１０００ヘルツ（Ｈｚ）より高くし、あるいは必要に応じてもっと高くする）ことにより、加速度計デバイス内の制御回路機構は、出力をゼロのスケールファクタに補外することができ、この補外の切片（ｉｎｔｅｒｃｅｐｔ）は加速度計のバイアスに対応する。他の技法によれば、スケールファクタは、ある周波数（ｆ＿ｄｉｔｈｅｒ）で連続的に、かつ、対称的に（例えば正弦波的に）変調することができ、それにより真正入力加速度（例えばバイアスを除いた信号部分）がＤＣからｆ＿ｄｉｔｈｅｒへアップシフトされ、また、引き続いて標準復調技法（すなわちロック−イン検出）を使用して読み出される。デバイスの残りのＤＣ出力は、すべてバイアスである。
【００１５】
[0023]いくつかの実施態様では、この較正プロセスは、加速度計の使用中に実施することができる。言い換えると、加速度計デバイスは、既知の制御された環境においてのみの較正プロセスの実施に限定されず、その代わりに加速度計デバイスは、動作中に、例えば非制御加速環境で、加速度計の外部の設備または情報、例えば他のシステムによって加速度計に接続された加速環境に関する補助的な情報などを使用することなく較正プロセスを実施することができる。
【００１６】
[0024]本開示の技法によれば、ＭＥＭＳプルーフマスに作用する総ばね力の、速やかな、有効かつ制御可能な修正を達成することができる。一例では、同調可能補助ばねを、該同調可能補助ばねが部分的にプルーフマスに対する回復力に寄与するように配置することができる。一例では、この同調可能ばねは、キャビティ内を循環する光パワーがキャビティの壁に力を加える光機械キャビティであってもよい。キャビティの１つの壁がプルーフマスの部分であり、他の壁がフレームの部分である場合、光キャビティ内を循環する光パワーの存在は、いくつかの状況では、プルーフマスに対する回復力を生成することができる。これは、しばしば「光ばね効果」と呼ばれている。説明されている構造の場合、この効果を使用して同調可能補助ばねを生成することができ、この同調可能補助ばねは、プルーフマスを正規の位置に保持する主アンカと同時に作用して、プルーフマスを正規の位置に保持する可変総ばね力を生成することができ、したがって加速度を感知するための可変スケールファクタを生成することができる。
【００１７】
[0025]同調可能補助ばねとして使用することができる光機械キャビティ構造の一例は、参照によりそのすべての内容が本明細書に組み込まれている、Ｅｉｃｈｅｎｆｉｅｌｄ、Ｍａｔｔ、ｅｔ  ａｌ、「Ａ  ｐｉｃｏｇｒａｍ−ａｎｄ  ｎａｎｏｍｅｔｒｅ−ｓｃａｌｅ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ−ｃｒｙｓｔａｌ  ｏｐｔｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｃａｖｉｔｙ（ピコグラムおよびナノメートルスケール・フォトニック結晶光機械キャビティ）」（Ｎａｔｕｒｅ  ４５９．７２４６（２００９）、５５０〜５５５頁（２００９年５月２８日））に記載されている「ジッパー光機械キャビティ」である。光キャビティがレーザ源に結合されると、光キャビティ内の光パワーの蓄積は、ギャップ空間を比較的一定に維持し、つまり比較的一定の「光ばね効果」を維持するように作用することができる比較的大きい力を生成することができる。このような構造は、主アンカと機械的に並列に配置することによって同調可能ばねとして使用することができる。したがって総実効ばね定数は、キャビティ中に結合されるレーザパワーの関数である。共振キャビティへのレーザの結合の強度を変えるためにレーザパワーが変更されるか、またはレーザの波長が変更されると、光ばね効果を変えることができ、また、総実効ばね定数を変えることができ、したがって加速度計のスケールファクタを変えることができる。これは、十分な光補剛（ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｔｉｆｆｅｎｉｎｇ）を達成することができる場合に働き、光キャビティのばね定数ｋｏｐｔｉｃａｌ  ｓｐｒｉｎｇは、主アンカによって生成される主ばね定数ｋ０の有意部分（ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ）（例えば１％と１００％の間）である。
【００１８】
[0026]アンカのスケールファクタを変更するための他の技法は、単独で、あるいは本明細書において説明されている他の技法と組み合わせて、ＭＥＭＳ撓みの静電補剛を利用することである。例えばＭＥＭＳビームの剛性は、静電（容量性）アクチュエータを使用して外部応力を加えることによって同調させることができる。また、ＭＥＭＳビームの剛性は、ビーム材料自体の弾性率を変化させることによっても変えることができ、これは、金属および金属合金の場合、それぞれ参照によりそのすべての内容が本明細書に組み込まれている、Ｄａｔｔａ、Ｓｕｐｒａｔｉｋ、ｅｔ  ａｌ．「Ｓｔｒｅｓｓ  ａｎｄ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｆｉｅｌｄ−ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  Ｙｏｕｎｇ’ｓ  Ｍｏｄｕｌｕｓ  ｉｎ  ｓｉｎｇｌｅ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｉｒｏｎ−ｇａｌｌｉｕｍ  ａｌｌｏｙｓ（単結晶鉄−ガリウム合金における応力および磁界依存ヤング率）」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ  ａｎｄ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ３２２．１５（２０１０）：２１３５〜２１４４頁、およびＳｉｅｇｅｌ，  Ｓｉｄｎｅｙ，  ａｎｄ  Ｓ．  Ｌ．  Ｑｕｉｍｂｙ）、および「Ｔｈｅ  Ｖａｒｉａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｙｏｕｎｇ’ｓ  Ｍｏｄｕｌｕｓ  ｗｉｔｈ  Ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｉｎ  Ｎｉｃｋｅｌ（ニッケルにおける磁化および温度によるヤング率の変化）」（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  ４９．９（１９３６）、６６３頁）に記載されているように外部磁界を印加することによって達成することができる。
【００１９】
[0027]アンカのスケールファクタを変更するための他の技法は、例えば力再平衡（ｆｏｒｃｅ  ｒｅｂａｌａｎｃｅ）容量性ＭＥＭＳ加速度計に使用される力再平衡回路の利得を調整することである。これらの例では、回復力を提供する実効スケールファクタは、主として、力アクチュエータ（例えばコンデンサ）を駆動する閉ループ比例−積分−微分（ＰＩＤ）回路の起動によるものである。したがってスケールファクタは、主として主アンカの真性剛性によるものではなく、力再平衡システムによって既に制御可能である。これらの例では、回路が入力慣性力に比例する回復力を質量に提供する限り、実効ばね定数ｋｅｆｆｅｃｔｉｖｅを有するものとしてシステムを考えることが依然として正確であると思われる。
【００２０】
[0028]いくつかの例では、加速度計の出力は、通常、以下の通りである。
【００２１】
Ｖｏｕｔ＝（ａｉｎ）（ｄｘ／ｄａ）（ｄＶ／ｄｘ）＋（ｘｏｆｆｓｅｔ）ｄＶ／ｄｘ＋Ｖｏｆｆｓｅｔ    （１）
第１の項（ａｉｎ）（ｄｘ／ｄａ）（ｄＶ／ｄｘ）は、入力加速度に比例する所望の出力であり、最後の２つの項（ｘｏｆｆｓｅｔ）ｄＶ／ｄｘおよびＶｏｆｆｓｅｔは、入力加速度に依存しないバイアス項である。最後の項から２つ目の（ｘｏｆｆｓｅｔ）ｄＶ／ｄｘは、最後の工場較正後のプルーフマスのシフトによるバイアスである。最後の項Ｖｏｆｆｓｅｔは、例えば電子オフセット、すなわち容量性読出しＭＥＭＳ加速度計内の読出しコンデンサ上の望ましくない電荷蓄積による電圧によるバイアスである。変位加速度計の場合、積（ａｉｎ）（ｄｘ／ｄａ）＝Δｘは、加速中のプルーフマスの比較的大きい変位Δｘをもたらす。加速度の値は、加速度がもたらすプルーフマスの位置の変化によって決定される。振動ビーム加速度計の場合、変位Δｘは比較的小さく、加速度の値は、アンカの内部振動モードの周波数のシフトを介してアンカの応力の変化を検出することによって決定される。主アンカ自体が調整可能ばね定数を有している場合であれ、あるいはレーザ駆動光機械ジッパーキャビティに由来する調整可能ばね力が主（非調整可能）アンカと機械的に並列に置かれる場合であれ、いずれの形態においても、本開示によればスケールファクタ（ｄｘ／ｄａ）（ｄＶ／ｄｘ）を変えることができる。
【００２２】
[0029]本開示のいくつかの技法によれば、式１の第２のバイアス項および第３のバイアス項の値（ｘｏｆｆｓｅｔ）ｄＶ／ｄｘおよびＶｏｆｆｓｅｔは、加速度計が未知の時間依存入力加速度ａｉｎ＝ａｉｎ（ｔ）にさらされている間であっても、実効ばね定数ｋｅｆｆｅｃｔｉｖｅ＝ｋ０＋ｋａｄｊｕｓｔを速やかに変化させ、かつ、出力電圧の変化を監視することによって確証することができる。線形限界（ｌｉｎｅａｒ  ｌｉｍｉｔ）の加速度計動作における単純な質量−ばねシステムモデルでは、ｄｘ／ｄａ＝１／ｋｅｆｆｅｃｔｉｖｅであり、ｋｅｆｆｅｃｔｉｖｅは、フレームに対する弾性機械回復力をプルーフマスに提供する実効ばね定数である。入力加速度が変化する時間スケールと比較してｋｅｆｆｅｃｔｉｖｅが速やかに変更されると、較正時間（ｔｃａｌ）にわたって式１の第１の被加数がｋｅｆｆｅｃｔｉｖｅの変化によってのみ変化し、最後の２つの被加数は全く変化しない。次に、値Ｖ１＝Ｖ（ａｉｎ、ｋｅｆｆｅｃｔｉｖｅ１）、Ｖ２＝Ｖ（ａｉｎ、ｋｅｆｆｅｃｔｉｖｅ２）．．．Ｖｎ（ａｉｎ、ｋｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎ）のセットを使用して、ゼロスケールファクタであるべき補外値Ｖｅｘｔｒａｐ＝Ｖ（ａｉｎ、ｋｅｆｆｅｃｔｉｖｅ→∞）を計算することができ、この補外値は、構造により、２つのバイアス項からの寄与のみを有している。次に、この値を、今後、加速度計出力から控除し、引き続いて使用するためのバイアスがない出力、またはほぼバイアスがない出力を提供することができる。補外は、手順の間、ｋｅｆｆｅｃｔｉｖｅを大幅に変えることができる場合、一般的により正確である。
【００２３】
[0030]他の技法では、デバイスのスケールファクタは、質量−ばねシステムの機械的帯域幅内で、かつ、入力加速度の最も大きいフーリエ成分より高い周波数になるように選択される周波数ｆｄｉｔｈｅｒで連続的に変調される。これにより、真の入力加速度の応答が変調周波数にアップシフトされ、標準復調技法（ロック−イン検出）によって読み出され、一方、出力のバイアス成分は変調されず、直接拒絶されることになる。
【００２４】
[0031]本開示の技法に従って構成されたデバイスの一例では、加速度計デバイスは、プルーフマスに接続された１つまたは複数のアンカ要素、およびプルーフマスの１つまたは複数のアンカ要素の機械的特性を修正することによってデバイスのスケールファクタを第１の値に設定し、また、プルーフマスの１つまたは複数のアンカ要素の機械的特性を修正することによってデバイスのスケールファクタを第２の値に設定するように構成されたスケールファクタ制御モジュールを含む。また、加速度計デバイスは、デバイスのスケールファクタが第１の値に設定されている間に第１の加速度値を獲得し、また、デバイスのスケールファクタが第２の値に設定されている間に第２の加速度値を獲得するように構成された感知モジュールをも含む。また、加速度計デバイスは、第１の加速度値および第２の加速度値に基づいてバイアス補正値を決定するように構成されたコントローラをも含む。感知モジュールは第３の加速度値を決定し、コントローラは、バイアス補正値に基づいて第３の加速度値を補正する。
【００２５】
[0032]図１は、本開示の技法に従って形成されたＭＥＭＳ加速度計システム２０の一例のブロック図である。ＭＥＭＳ加速度計システム２０は、ＭＥＭＳ加速度計２２および制御ユニット２４を含む。ＭＥＭＳ加速度計２２は、プルーフマスアセンブリ２６およびスケールファクタ制御回路機構２８を含む。制御ユニット２４は、感知モジュール３０およびスケールファクタ制御モジュール３２を含み、これらはいずれもＭＥＭＳ加速度計２２と信号通信している。また、制御ユニット２４は、感知モジュール３０およびスケールファクタ制御モジュール３２と信号通信しているコントローラ３４をも含む。図１の例では、感知モジュール３０、スケールファクタ制御モジュール３２およびコントローラ３４は、説明を単純にするために個別に示されているが、感知モジュール３０、スケールファクタ制御モジュール３２およびコントローラ３４は、実際、高度に統合することができることを理解されたい。
【００２６】
[0033]制御ユニット２４および制御ユニット２４の様々な構成要素は、制御ユニット２４に帰属する技法を実施するための、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはそれらの任意の組合せのうちの任意の適切な構造として実施することができる。例えば制御ユニット２４は、１つまたは複数のマイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ：Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）、書換え可能ゲートアレイ（ＦＰＧＡ：Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）または任意の他の等価集積論理回路機構あるいは離散論理回路機構、ならびにこのような構成要素の任意の組合せのうちのいずれかを含むことができる。制御ユニット２４は、メモリおよび他の構成要素をさらに含むことができる。
【００２７】
[0034]図２Ａは、図１のプルーフマスアセンブリ２６の一例のブロック図である。プルーフマスアセンブリ２６は、フレーム４０、プルーフマス４２およびアンカ４４Ａ〜４４Ｄ（集合的に「アンカ４４」）を含む。アンカ４４は、アンカ要素、撓み、撓み要素または他のこのような用語を意味することも可能である。フレーム４０は、ベースまたは他のこのような用語を意味することも可能である。アンカ４４は、プルーフマス４２をフレーム４０に接続する。プルーフマスアセンブリ２６は、平面内または平面外のいずれかで動作するように構成することができる。
【００２８】
[0035]図２Ｂおよび２Ｃは、図１および２Ａのプルーフマスアセンブリ２６の代替図を示したものである。上で紹介したように、本開示は、プルーフマス４２などのＭＥＭＳプルーフマスに作用する総ばね力の、速やかな、有効かつ制御可能な修正のための技法を説明している。図２Ｂおよび２Ｃに示されているように、プルーフマス４２は、慣性力が存在するとプルーフマス４２に回復力を加えるように構成されるアンカ（アンカ４４を含む）によってフレーム４０に接続されている。アンカ４４は、ばね定数（ｋ０）を有している。本開示の技法のいくつかの例では、スケールファクタ制御回路機構２８は、アンカ４４のばね定数を修正するように構成することができ、したがってアンカ４４によってプルーフマス４２に加えられる総ばね力（ｋｅｆｆｅｃｔｉｖｅ）に調整可能な成分（ｋａｄｊｕｓｔ）を導入する。この例では、ｋ０は、アンカ４４の非修正ばね定数に対応している。他の例では、アンカ４４によって加えられる総ばね力を修正する代わりに、補助ばね力を生成するようにスケールファクタ制御回路機構を構成することができる。したがってこれらの他の例では、総ばね力の調整可能部分（ｋａｄｊｕｓｔ）は補助ばね力に対応している。図２Ｂは、個別の回復力としてｋ０およびｋａｄｊｕｓｔを概念的に示したものであり、一方、図２Ｃは、ｋ０およびｋａｄｊｕｓｔを単一の回復力として共に見ることも可能である点を示している。
【００２９】
[0036]以下でより詳細に説明されるように、スケールファクタ制御回路機構２８は、いくつかの形態を取ることができ、したがってプルーフマス４２に作用する総ばね力（例えば図２Ｂおよび２Ｃのｋｅｆｆｅｃｔｉｖｅ）を様々な異なる方法で修正することができる。一例では、スケールファクタ制御回路機構２８は、可能構成要素の中でも、とりわけ、レーザおよび外部振幅変調器、光検出器、導波路、および例えばフォトニクス集積回路の形態の他のフォトニック構成要素を含むレーザ源であってもよい。他の例では、スケールファクタ制御回路機構２８は、力再平衡回路機構、静電界生成回路機構および静磁界生成回路機構のうちの１つまたは複数を含むことができる。
【００３０】
[0037]もう一度図２Ａを参照すると、平面内構成では、アンカ４４は、ｚ−軸方向（つまり頁に入る方向および頁から出る方向）には比較的剛直であるが、慣性力が存在する場合、フレーム４０に対してｘ−軸方向およびｙ−軸方向のプルーフマス４２の移動を許容するように構成される。図２Ａには直交ｘ−ｙ軸が示されているが、それは説明を容易にするためにすぎない。それとは対照的に、平面外構成では、アンカ４４は、ｘ−軸方向およびｙ−軸方向には比較的剛直であるが、慣性力が存在する場合、フレーム４０に対してｚ−軸方向のプルーフマス４２の移動を許容するように構成される。図２Ａには４つのアンカが示されているが、本開示の技法は、アンカの数がもっと多いシステムまたはアンカの数がもっと少ないシステムで実施することも可能であることを理解されたい。一例として、プルーフマスアセンブリ２６は、４４Ａおよび４４Ｃのみ、または４４Ｂおよび４４Ｄのみなどのたったの２個のアンカを使用して実施することができる。
【００３１】
[0038]プルーフマスアセンブリ２６が平面内であるか、あるいは平面外であるかどうかには無関係に、図１の感知モジュール３０は、慣性力下におけるプルーフマス４２の変位を検出することによってプルーフマスアセンブリが遭遇する加速度を測定するように構成することができる。感知モジュール３０は、例えば、容量性ピック−オフシステム（図１または図２Ａ〜２Ｃには示されていない）を使用してプルーフマス４２の変位を検出することができる。このような例では、プルーフマス４２の表面にコンデンサ板を堆積させることができ、また、プルーフマスアセンブリ２６内のどこかに同様のコンデンサ板を堆積させることができる。慣性力の下では、容量性板の間の距離、したがってキャパシタンスが変化する。キャパシタンスのこの変化を測定することにより、コントローラ３４は加速度を計算することができる。
【００３２】
[0039]別法としては、プルーフマスの変位が事実上ゼロになるよう、プルーフマスを保持しているアンカを十分に硬くし、アンカビームの内部振動周波数の変化を感知することによって加速度が感知される。振動ビーム加速度計の標準技法では、振動モードを駆動し、かつ、感知するために容量性読出しを使用して、これらのモードを共振駆動し、かつ、共振応答を感知することにより、アンカの振動モードの機械的周波数の変化を検出することができるが、光学感知および駆動などの他の読出しモダリティも可能である。
【００３３】
[0040]追加または別法として、力再平衡システム（図１または図２Ａ〜２Ｃには示されていない）を使用してプルーフマス４２の変位を検出することも可能である。このようなシステムでは、力再平衡コンデンサは、適切な帰還回路と協同して、プルーフマスを支持構造に対して所定の位置つまりヌル位置）に保持する。加速度計の表面の薄膜リード線は、コンデンサピック−オフ板および力再平衡コイルへの電気接続を提供することができる。ＭＥＭＳ加速度計システム２０に印加される加速度は、コンデンサ板に対するキャパシタンスの変化、またはプルーフマスをヌル位置に保持するための力再平衡コンデンサの電圧上昇に基づいてコントローラ３４によって決定することができる。容量性ピックオフおよび力再平衡は、プルーフマス４２の変位を検出することができる方法の２つの例にすぎないこと、また、本開示の技法は、何らかの特定のタイプの変位検出技法に限定されないことを理解されたい。
【００３４】
[0041]本開示の技法によれば、ＭＥＭＳ加速度計システム２０は、使用中（例えば慣性力に遭遇している間）に較正プロセスを実施することによってインサイチュ・バイアス補正を実施するように構成することができる。以下でより詳細に説明されるように、スケールファクタ制御モジュール３２は、較正プロセスの一部として、スケールファクタ制御回路機構２８と共に、アンカ４４のうちの１つまたは複数のばね定数を修正することによって、または補助ばねを追加することによってスケールファクタを変えるように構成することができる。スケールファクタ制御回路機構２８がアンカ４４のスケールファクタを修正する例では、デバイスのための総合スケールファクタが修正済みスケールファクタになる。スケールファクタ制御回路機構２８が補助ばねを追加する例では、デバイスのための総合スケールファクタがアンカ４４のスケールファクタと補助ばねのスケールファクタの組合せになる。
【００３５】
[0042]以下でより詳細に説明される技法を使用して、スケールファクタ制御回路機構２８は、スケールファクタ制御モジュール３２の制御の下で、プルーフマスアセンブリ２６のアンカ４４のスケールファクタを第１の値に設定する（例えばアンカ４４のうちの１つまたは複数のばね定数を修正することによって、または補助ばねを追加することによって）。感知モジュール３０は、アンカ４４のスケールファクタが第１の値に設定されている間に加速度値の第１の読取りを獲得する。スケールファクタ制御回路機構２８は、スケールファクタ制御モジュール３２の制御の下で、プルーフマスアセンブリ２６のアンカ４４のスケールファクタを第２の値に設定する（例えばばね定数を第１の値の場合とは異なる定数に修正することによって、または第１の値の場合と比較してもっと多くのあるいはもっと少ない補助ばねを追加することによって）。感知モジュール３０は、アンカ４４のスケールファクタが第２の値に設定されている間に加速度値の第２の読取りを獲得する。コントローラ３４は、加速度値の第１の読取りおよび加速度値の第２の読取りに基づいてバイアス補正値を決定する。
【００３６】
[0043]一度コントローラ３４がＭＥＭＳ加速度計システム２０のためのバイアス補正値を決定すると、コントローラ３４は、決定されたバイアス補正値に基づいて将来の加速度の読取り値を補正することができる。例えば感知モジュール３０は、加速度値の第３の読取りを決定することができ、また、コントローラ３４は、バイアス補正値に基づいて加速度値の第３の読取りを補正することができる。コントローラ３４は、例えば加速度値の第３の読取りからバイアス補正値を控除することによって加速度値の第３の読取りを補正することができる。
【００３７】
[0044]図３Ａ〜３Ｃは、ゼロスケールファクタへの線形補外（つまりｋｅｆｆｅｃｔｉｖｅ→∞）の３つの例を示したものである。図３Ａ〜３Ｃで説明されている技法は、例えば、ＭＥＭＳ加速度計システム２０のコントローラ３４によって実施し、それによりバイアス補正値を決定することができる。図３Ａ〜３Ｃに関連して説明されている技法は、一般に、本開示で説明されているスケールファクタ制御回路機構２８の様々な実施態様のすべてに適用することができる。図３Ａ〜３Ｃの例の各々では、加速度計出力は、例えばスケールファクタ１Ｖ／ジーおよび２Ｖ／ジーの２つの値のスケールファクタで測定される。図３Ａは、Ｖ（ａｉｎ）がバイアスと比較して小さい場合の例を示したものである。例えば所与の方向の真の加速度は、対象が空間を漂っており、受ける大気抵抗が小さい場合、ａｉｎ＝２０マイクロジーになり（つまり２０ｘ１０−６ｇであり、ｇは重力定数である）、一方、バイアスは１００マイクロジーになる。図３Ｂは、Ｖ（ａｉｎ）がバイアスと比較して大きい場合の例を示したものである。例えば真の加速度は、対象が自由落下している場合、ａｉｎ＝１ジーになり、一方、バイアスは１００マイクロジーになる。図３Ｃは、対象が休止している場合などのａｉｎ＝ゼロの場合の例を示したものであり、バイアスは１００マイクロジーである。このような場合、異なる値の入力加速度に対しても、ゼロスケールファクタへの補外によって独自のバイアスが識別される。
【００３８】
[0045]補外の精度は、場合によっては、個々の測定の信号対雑音、測定の数、および測定中にスケールファクタを変えることができる度合で決まる。例えば加速度計が３０マイクロジー／ｒｔＨｚの等価白色雑音を有しており、また、スケールファクタをその全値から約ゼロまで変調することができる場合、さらには全スケールファクタおよび約ゼロスケールファクタの２つの極値的な点のみが補外に使用される場合、３０／√２マイクロジー／１秒のバイアスを決定することができる。簡潔にするために、図３Ａ〜３Ｃには、それぞれ２つの測値が示されている。しかしながら、追加測値または異なる測値を使用することも可能であることを理解されたい。図３Ａ〜３Ｃの例では、バイアスは、ゼロスケールファクタを有する加速度計の電圧出力に対応する垂直軸を有する補外線の切片である。
【００３９】
[0046]図３Ａ〜３Ｃに示されている仮説シナリオでは、バイアスは個々のシナリオで同じであり、フレームに作用する外部実加速度がシナリオ間で変更されても適切に識別される。較正時間の間、加速度が一定であり、入力加速度が大きく変化する時間スケールと比較して速やかにスケールファクタが変更または変調されることを意味する限り、未知の入力加速度に対してもこの方法でバイアスを測定することができることに留意されたい。スケールファクタの変更は、例えば電圧出力の電子増幅の単なる変更によってではなく、プルーフマス４２をその平衡位置に拘束しているアンカ４４Ａ〜Ｄの総合システムの実効ばね定数を修正することによって実施されることが肝要である。
【００４０】
[0047]スケールファクタが１つまたは複数の値の間で速やかにステップされ、また、個々のステップで出力が検出される例では、スケールファクタ制御回路機構２８は、加速度計スケールファクタを第１の値に設定し、また、感知モジュール３０は、加速度値の第１の読取りを獲得することができる。スケールファクタ制御モジュール３２は、次に、スケールファクタ制御回路機構２８の１つまたは複数のパラメータを修正して、スケールファクタを第２の値に設定することができる。例えばスケールファクタ１は２Ｖ／ジーであってもよく、また、スケールファクタ２は１Ｖ／ジーであってもよい。感知モジュール３０は、プルーフマスアセンブリ２６の１つまたは複数のアンカ要素のスケールファクタが第２の値に設定されている間に加速度値の第２の読取りを獲得することができる。コントローラ３４は、加速度値の第１の読取りおよび加速度値の第２の読取りに基づいてバイアス補正値を決定することができる。コントローラ３４は、例えば、加速度値の第１の読取りおよび加速度値の第２の読取りに基づいて補外することによってバイアス補正値を決定することができ、加速度値の読取りは、スケールファクタをゼロに設定することができなくてもゼロのスケールファクタ値に対応することになる。
【００４１】
[0048]他の例によれば、スケールファクタ制御回路機構２８は、スケールファクタ制御モジュール３２の制御の下で、アンカ４４の機械的特性を変えることによってスケールファクタを調整することができる。スケールファクタ制御回路機構２８は、例えばコイルまたは電極によってアンカ４４全体に電界および磁界を印加することができる。コントローラ３４の制御の下で静電界または静磁界が主アンカに印加され、それによりそれらの機械率（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｍｏｄｕｌｕｓ）が変化する。追加または別法として、スケールファクタ制御回路機構２８は、レーザ光を光機械キャビティに向けて導き、キャビティの両側の間に光−ばね力を生じさせることも可能であり、この光−ばね力は、主アンカと同時に作用する光学的に同調可能なばね力を生成する。スケールファクタ制御モジュール３２は、レーザ光に関連するパラメータを制御することができる。アンカ４４の機械的特性の変更および光−ばね力の制御の両方の様々な例は、以下でより詳細に説明される。
【００４２】
[0049]図４Ａは、上で紹介した例による同調可能補助ばねとして使用することができる「ジッパー」フォトニック結晶光キャビティを形成する光機械キャビティ構造の一例を示したものである。図４Ａの光機械構造は、光機械キャビティ６１を形成するギャップによって分離された２つのフォトニック結晶ＭＥＭＳビーム６０Ａおよび６０Ｂを含む。光機械キャビティ６１は、比較的高い機械的Ｑを有することができ、これは、光機械キャビティ６１が、機械モードで蓄積されるエネルギーに対して、発振サイクル毎に小さい機械的エネルギー損失を示すことを意味している。さらに、光機械キャビティ６１は、比較的高い光学的Ｑを有することができ、これは、光機械キャビティ６１が、光学モードで蓄積されるエネルギーに対して、発振サイクル毎に小さい光学的エネルギー損失を示すことを意味している。図４Ｂは、レーザ源６２に結合された図４Ａの光機械キャビティを示したものである。レーザ源６２は、例えばスケールファクタ制御回路機構２８の一部であってもよい。レーザ源６２は、ビーム６０Ａ〜Ｂによって形成されたキャビティ中にレーザパワーを導くことができ、それにより光機械キャビティ６１内で光パワーを循環させることができる。光機械キャビティ６１内における光パワーの蓄積は、「光ばね効果」を生成するギャップ空間を比較的一定に維持するように作用する力を生成することができる。
【００４３】
[0050]図４Ｃは、同調可能ばね６４に置き換えられた図４Ｂの光機械構造を示す概念図である。図４Ｃの同調可能ばね６４は、光パワーがフォトニック結晶ＭＥＭＳビーム６０Ａと６０Ｂの間のギャップ中に導かれた場合のフォトニック結晶ＭＥＭＳビーム６０Ａおよび６０Ｂの挙動の様子を示すモデルを表すことが意図されている。同調可能ばね６４は、ジッパー光機械キャビティ中に導かれるレーザパワーの関数である同調可能ばね定数（ｋｏｐｔｉｃａｌ  ｓｐｒｉｎｇ）を有している。
【００４４】
[0051]図４Ａ〜４Ｃの例では、スケールファクタ制御モジュール３２は、レーザ源６２の１つまたは複数のパラメータを調整して光ばね効果の強さを修正することができる。スケールファクタ制御モジュール３２は、例えば振幅変調によってレーザ源６２のレーザの強度を変えることができ、あるいはレーザに供給される電流を調整することによってレーザの周波数を変えることができる（例えばレーザ源がダイオードレーザである場合）。レーザ源６２の１つまたは複数のパラメータを修正することにより、スケールファクタ制御モジュール３２は、光機械キャビティ中に結合するレーザエネルギーのパワーおよび／または周波数を変えることができる。一例として、スケールファクタ制御回路機構２８は、レーザの振幅を０ｕＷから１００ｕＷまでの範囲にわたって同調することによってレーザ光のパワーを０ｕＷから１００ｕＷまで変えることができる。他の例では、レーザ光をレーザ源から光キャビティへ運ぶエバネッセント導波路の位置を１〜４ミクロンの量だけ平面方向外へ修正することによって光機械キャビティ６１中に結合されるレーザパワーを変えることができる。いくつかのケースでは、場合によっては光キャビティへのレーザの周波数を固定する必要があり、これは、光波分光学の標準技法を使用して、示されているレーザコントローラによってやはり実施されることになる。レーザの周波数を調整することにより、光発振線幅の１．５倍だけ光機械キャビティ６１の共振光周波数より高い、あるいは低い周波数にレーザを同調することができ、この周波数は、光ばね効果の強さおよび符号を修正する。光機械キャビティ中に結合されるパワーの量、または光機械キャビティに結合するレーザの周波数を修正することにより、スケールファクタ制御モジュール３２は、プルーフマスに加えられる光ばね力を修正することができ、それによりプルーフマスをフレーム内のその平衡位置に拘束している機械力の総実効ばね定数を、例えばナノグラムプルーフマスおよび１００ｕＷのレーザパワー、ならびにＱ＿ｍｅｃｈａｎｉｃａｌが１Ｅ６およびＱ＿ｏｐｔｉｃａｌが１Ｅ６の光機械ジッパーキャビティの場合、２０％だけ変えることができる。
【００４５】
[0052]光制御の場合、スケールファクタ制御モジュール３２は、例えばレーザからキャビティ中に結合されるレーザパワーを変えることによって補助キャビティ内の光ばね力を変えることができる。これは、レーザダイオードがレーザ源として使用される場合、レーザダイオードを駆動する電流を小さくするか、または大きくし、それによりレーザによって放出されるパワーを弱くするか、または強くすることによって達成することができる。レーザ周波数が光機械キャビティ光共振との共振が維持され、また、他の結合要素が同じ状態に維持されると仮定すると、ジッパーキャビティの両側にわたって加えられる光ばね力は、駆動レーザの振幅に比例し、したがってレーザの振幅が１０％変化すると、光機械キャビティによってプルーフマスに加えられる光ばね効果力が１０％だけ変化することになる。このキャビティは、主アンカによって加えられる力と同時にプルーフマスに力を加えるため、プルーフマスに加えられる総回復力は、
ｋｅｆｆｅｃｔｉｖｅ＝ｋ０＋ｋａｄｊｕｓｔｉｂｌｅ
に従って変化し、ｋａｄｊｕｓｔｉｂｌｅ＝ｋｏｐｔｉｃａｌ  ｓｐｒｉｎｇである。この方法によれば、駆動レーザによって放出されるパワーを変えることによって、プルーフマスを正規の位置に保持する実効ばね定数を修正することができる。
【００４６】
[0053]追加または別法として、スケールファクタ制御モジュール３２は、レーザ源の波長を光機械ジッパーキャビティの光共振に対して変化させることによって修正することも可能である。レーザの周波数が光共振に対して低い場合、光ばね効果は、ｋｏｐｔｉｃａｌ  ｓｐｒｉｎｇ＞０であるようになり、力の大きさは１／２発振線幅点付近の離調と共に変化し、力はその１／２発振線幅点で最大になる。レーザの周波数が光共振に対して高い場合、光ばね効果は、ｋｏｐｔｉｃａｌ  ｓｐｒｉｎｇ＜０であるようになり、力の大きさは１／２発振線幅点付近の離調と共に変化し、力はその１／２発振線幅点で最大になる。レーザが光共振で共振している場合、光ばね効果は消滅する。熱効果によってキャビティがミスチューンになる場合、キャビティ中に結合されたレーザパワーが変化すると、レーザは、場合によっては、標準レーザ固定技法を使用してキャビティの共振を能動的に追跡する必要がある。このキャビティは、主アンカと同時に力を加えるため、総ばね力は、
ｋｅｆｆｅｃｔｉｖｅ＝ｋ０＋ｋａｄｊｕｓｔｉｂｌｅ
に従って変化し、ｋａｄｊｕｓｔｉｂｌｅ＝ｋｏｐｔｉｃａｌ  ｓｐｒｉｎｇである。この方法によれば、ジッパー光機械キャビティ中にパワーを結合するレーザの周波数を変えることによって、プルーフマスを正規の位置に保持する実効ばね定数を修正することができる。
【００４７】
[0054]追加または別法として、スケールファクタ制御モジュール３２は、光路の幾何構造を調整することも可能であり、それによりレーザ源６２によって生成されるレーザが光機械キャビティ６１に結合される。キャビティ中への光パワーの結合は、導波路の横方向寸法である１００ナノメートル程度の特性長さスケールで導波路間の距離に指数的に依存するため、例えばレーザ源からのレーザ光を光機械キャビティに結合する導波路が最適位置から１ないし２ミクロンだけ変位すると、キャビティ中に結合される光パワーが著しく小さくなることがある。したがって約１ミクロンの結合導波路の相対位置が変化すると、光キャビティによって加えられる回復力が約１００％だけ変化することになる。このキャビティは、主アンカと同時に力を加えるため、総ばね力は、ｋｅｆｆｅｃｔｉｖｅ＝ｋ０＋ｋａｄｊｕｓｔｉｂｌｅに従って変化し、ｋａｄｊｕｓｔｉｂｌｅ＝ｋｏｐｔｉｃａｌ  ｓｐｒｉｎｇである。この方法によれば、レーザ源を光機械キャビティに結合する導波路構造の機械的位置を変えることによって、プルーフマスを正規の位置に保持する実効ばね定数を修正することができる。
【００４８】
[0055]図５は、プルーフマスアセンブリ２６の代替図を示したものである。図５に示されているプルーフマスアセンブリ２６の構成は、例えば図１のＭＥＭＳ加速度計システム２０の中に実施することができる。このような実施態様では、アンカ４４はメタマテリアルで構築することができ、スケールファクタ制御回路機構２８は、材料の弾性率を修正するために、スケールファクタ制御モジュール３２の制御の下で、電界または磁界をアンカ４４に向けて導くことができる。アンカ４４の材料の弾性率を修正することにより、スケールファクタ制御モジュールは、プルーフマス４２とフレーム４０の間の回復力の総実効ばね定数を修正する。
【００４９】
[0056]図６は、プルーフマスアセンブリ２６の他の例を示したものである。図６に示されているプルーフマスアセンブリ２６の構成は、例えば図１のＭＥＭＳ加速度計システム２０の中に実施することができる。プルーフマスアセンブリ２６は光機械キャビティ６８を含む。光機械キャビティ６８は、図４Ｂのレーザ源６２などのレーザ源によって駆動されると調整可能ばねとして作用する。光機械キャビティ６８の調整可能ばねは、アンカ４４と機械的に並列である。したがってスケールファクタ制御回路機構２８は、スケールファクタ制御モジュール３２の制御の下で、光機械キャビティ６８のばね定数を修正することによってプルーフマス４２とフレーム４０の間の総実効ばね定数を修正することができる。
【００５０】
[0057]図７は、プルーフマスアセンブリ２６の他の例を示したものである。図７に示されているプルーフマスアセンブリ２６の構成は、例えば図１のＭＥＭＳ加速度計システム２０の中に実施することができる。プルーフマスアセンブリ２６は光機械キャビティ７０Ａおよび７０Ｂを含む。光機械キャビティ７０Ａおよび７０Ｂは、図４Ｂのレーザ源６２などのレーザ源によって駆動されると調整可能ばねとして作用する。光機械キャビティ７０Ａおよび７０Ｂの調整可能光ばね効果力は、アンカ４４と機械的に並列である。したがってスケールファクタ制御回路機構２８は、スケールファクタ制御モジュール３２の制御の下で、光機械キャビティ７０Ａおよび７０Ｂの光ばね効果を修正することによってプルーフマス４２とフレーム４０の間の総実効ばね定数を修正することができる。図７には、以下の図１０で説明される光機械振動ビーム加速度計１００などのＶＢＡ加速度計と共に使用することができるＶＢＡ構成が示されている。
【００５１】
[0058]図８は、本開示の例による加速度計を較正する方法の一例を示すフローチャートである。図８の技法は、ＭＥＭＳ加速度計システム２０に関連して説明されているが、図８の技法は、他のタイプのＭＥＭＳ加速度計システムによって実施することも可能であることを理解されたい。図８の例では、ＭＥＭＳ加速度計システム２０は、フレーム内のプルーフマスを保持している実効ばね定数を第１の値に設定することによって加速度計のスケールファクタを第１の値に設定する（８０）。ＭＥＭＳ加速度計システム２０は、加速度計のスケールファクタが第１の値に設定されている間に加速度計出力の第１の読取りを獲得する（８２）。ＭＥＭＳ加速度計システム２０は、フレーム内のプルーフマスを保持している実効ばね定数を第２の値に設定することによって加速度計のスケールファクタを第２の値に設定する（８４）。ＭＥＭＳ加速度計システム２０は、加速度計のスケールファクタが第２の値に設定されている間に加速度計出力の第２の読取りを獲得する（８６）。ＭＥＭＳ加速度計システム２０は、加速度計出力の第１の読取りおよび加速度計出力の第２の読取りに基づいてバイアス補正値を決定する（８８）。ＭＥＭＳ加速度計システム２０は、加速度計出力の第３の読取りを獲得し（９０）、かつ、バイアス補正値に基づいて加速度計出力の第３の読取りを補正する（９２）。
【００５２】
[0059]図９は、本開示の例による加速度計を較正する方法の一例を示すフローチャートである。図９の技法は、ＭＥＭＳ加速度計システム２０に関連して説明されているが、図９の技法は、他のタイプのＭＥＭＳ加速度計システムによって実施することも可能であることを理解されたい。図９の例では、スケールファクタ制御モジュール３２およびスケールファクタ制御回路機構２８は、フレーム４０内のプルーフマス４２を保持している実効ばね定数を第１の値に設定することによってＭＥＭＳ加速度計システム２０のスケールファクタを第１の値に設定する（１００）。感知モジュール３０は、ＭＥＭＳ加速度計システム２０のスケールファクタが第１の値に設定されている間に加速度計出力の第１の読取りを獲得する（１０２）。スケールファクタ制御モジュール３２およびスケールファクタ制御回路機構２８は、フレーム４０内のプルーフマス４２を保持している実効ばね定数を第２の値に設定することによって加速度計のスケールファクタを第２の値に設定する（１０４）。感知モジュール３０は、加速度計のスケールファクタが第２の値に設定されている間に加速度計出力の第２の読取りを獲得する（１０６）。コントローラ３４は、加速度計出力の第１の読取りおよび加速度計出力の第２の読取りに基づいてバイアス補正値を決定する（１０８）。感知モジュール３０は、加速度計出力の第３の読取りを獲得し（１１０）、かつ、バイアス補正値に基づいて加速度計出力の第３の読取りを補正する（１１２）。
【００５３】
[0060]コントローラ３４は、加速度計出力の第１の読取りおよび加速度計出力の第２の読取りに基づいてバイアス補正値を決定するために、加速度計出力をゼロのスケールファクタ値に対して補外する。コントローラ３４は、バイアス補正値に基づいて第３の加速度計出力を補正するために、加速度値の第３の読取りからバイアス補正値を控除する。
【００５４】
[0061]一例では、スケールファクタ制御モジュール３２およびスケールファクタ制御回路機構２８は、フレーム４０内のプルーフマス４２を保持している実効ばね定数を第１の値に設定することによって加速度計のスケールファクタを第１の値に設定し、かつ、フレーム４０内のプルーフマス４２を保持している実効ばね定数を第２の値に設定することによって加速度計のスケールファクタを第２の値に設定するために、レーザ場とプルーフマス４２に結合されている光機械構造とを相互作用させる。
【００５５】
[0062]他の例では、スケールファクタ制御モジュール３２およびスケールファクタ制御回路機構２８は、フレーム４０内のプルーフマス４２を保持している実効ばね定数を第１の値に設定することによって加速度計のスケールファクタを第１の値に設定し、かつ、フレーム４０内のプルーフマス４２を保持している実効ばね定数を第２の値に設定することによって加速度計のスケールファクタを第２の値に設定するために、プルーフマス４２に結合されている光機械構造と相互作用するようにレーザ場を調整し、それによりプルーフマス４２に作用する正味回復力を修正する。スケールファクタ制御モジュール３２およびスケールファクタ制御回路機構２８は、レーザ場を調整するために、レーザによって放出されるパワーを変えることができる。スケールファクタ制御モジュール３２およびスケールファクタ制御回路機構２８は、レーザ場を調整するために、追加または別法として、光機械構造の共振に対するレーザ場の周波数を離調させることも可能である。スケールファクタ制御モジュール３２およびスケールファクタ制御回路機構２８は、レーザ場を調整するために、追加または別法として幾何構造を修正することも可能であり、それによりレーザ場が光機械構造に結合される。
【００５６】
[0063]他の例では、スケールファクタ制御モジュール３２およびスケールファクタ制御回路機構２８は、フレーム４０内のプルーフマス４２を保持している実効ばね定数を第１の値に設定することによって加速度計のスケールファクタを第１の値に設定し、かつ、フレーム４０内のプルーフマス４２を保持している実効ばね定数を第２の値に設定することによって加速度計のスケールファクタを第２の値に設定するために、アンカ４４の静電補剛を調整することができる。他の例では、スケールファクタ制御モジュール３２およびスケールファクタ制御回路機構２８は、フレーム４０内のプルーフマス４２を保持している実効ばね定数を第１の値に設定することによって加速度計のスケールファクタを第１の値に設定し、かつ、フレーム４０内のプルーフマス４２を保持している実効ばね定数を第２の値に設定することによって加速度計のスケールファクタを第２の値に設定するために、力再平衡回路の利得を調整することができる。
【００５７】
[0064]特に明記されていない限り、図８および９で説明されている様々なステップは、必ずしも図８および９に示されている順序で実施する必要はない。例えば図８の技法の一実施態様では、スケールファクタ制御モジュール３２は、感知モジュール３０が加速度データを取得している間にスケールファクタを変調することができ、したがって実加速度データがベースバンドから離れる方向にアップシフトされる。信号を復調することにより、コントローラ３４は、較正、感知、較正、感知、等々の明確にステップ化された手順を使用することなく、バイアスがない真の加速度（つまりスケールファクタ制御回路機構２８によって生成される力を除いた加速度）を決定することができる。さらに、図８および９は、提供されているいくつかの代替実施態様例を使用して、一般概念が同じである別の説明がなされることが意図されている。したがって図８および９の技法は組み合わせることができることがやはり企図されている。
【００５８】
[0065]図１０Ａ〜１０Ｃは、実加速度情報をゼロフーリエ周波数から離れる方向にアップシフトするためのスケールファクタの連続変調の一例を集合的に示したもので、バイアス電圧はシフトされていない。ＭＥＭＳ加速度計システム２０は、高域通過フィルタリングを実施し、引き続いて信号を復調してバイアスがない実加速度情報を回復することができる。図１０Ａは、真の加速度値に対応する信号およびバイアスに対応する信号の両方を含む出力信号の一例を示したものである。図１０Ｂに示されているように、ＭＥＭＳ加速度計システム２０は、ある周波数（ｆ＿ｄｉｔｈｅｒ）でスケールファクタを変調して信号をアップシフトすることができる。図１０Ｃに示されているように、ＭＥＭＳ加速度計システム２０は、ロック−イン検出を実施してバイアスがない信号を抽出することができる。
【００５９】
[0066]１つまたは複数の例では、本明細書において説明されている機能は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはそれらの任意の組合せとして加速度計の中で実施することができる。ソフトウェアで実施される場合、機能は、１つまたは複数の命令またはコードとしてコンピュータ可読媒体上に記憶することができ、あるいはコンピュータ可読媒体を介して伝送することができ、また、ハードウェアをベースとする処理装置によって実行することができる。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、または例えば通信プロトコルに従ってある場所から別の場所へのコンピュータプログラムの転送を容易にする任意の媒体を含む通信媒体に対応するコンピュータ可読記憶媒体を含むことができる。この方法によれば、コンピュータ可読媒体は、一般に、（１）非一時的である有形コンピュータ可読記憶媒体、または（２）信号波または搬送波などの通信媒体に対応することができる。データ記憶媒体は、１つまたは複数のコンピュータ、または１つまたは複数のプロセッサがアクセスして、本開示で説明されている技法を実施するための命令、コードおよび／またはデータ構造を検索することができる任意の利用可能媒体であってもよい。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むことができる。
【００６０】
[0067]非制限の一例として、このようなコンピュータ可読記憶媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、もしくは他の光ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置、または他の磁気記憶デバイス、フラッシュメモリ、あるいは所望のプログラムコードを命令またはデータ構造の形態で記憶するために使用することができ、かつ、コンピュータがアクセスすることができる任意の他の媒体を備えることができる。また、すべての接続は、適切にコンピュータ可読媒体と称される。例えば命令が任意の有線または無線技術を使用して伝送される場合、このような技術は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およびデータ記憶媒体は、接続、搬送波、信号または他の一時的媒体を含まず、その代わりに非一時的有形記憶媒体を対象としていることを理解されたい。また、上記の組合せも、コンピュータ可読媒体の範囲に含まれるべきである。
【００６１】
[0068]命令は、１つまたは複数のＤＳＰ、汎用マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡまたは他の等価集積論理回路機構あるいは離散論理回路機構などの１つまたは複数のプロセッサによって実行することができる。したがって本明細書において使用されている「プロセッサ」という用語は、任意の上記構造、または本明細書において説明されている技法を実施するために適した任意の他の構造を意味することができる。さらに、いくつかの態様では、本明細書において説明されている機能は、本明細書において説明されている技法を実施するように構成された専用ハードウェアモジュールおよび／またはソフトウェアモジュールの中に提供することができる。また、技法は、１つまたは複数の回路または論理素子の中ですべて実施することも可能である。
【００６２】
[0069]本開示の技法は、集積回路（ＩＣ：Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）またはＩＣのセット（例えばチップセット）を組み込んだデバイスを始めとする広範囲にわたる様々なデバイスまたは装置の中で実施することができる。開示されている技法を実施するように構成されたデバイスの機能面を強調するために、本開示では様々な構成要素、モジュールまたはユニットが説明されているが、必ずしも異なるハードウェアユニットによる実現を必要とするわけではない。そうではなく、上で説明したように、共通のハードウェアユニットの中で様々なユニットを組み合わせることができ、あるいは適切なソフトウェアおよび／またはファームウェアと共に、上で説明した１つまたは複数のプロセッサを含む協同して動作するハードウェアユニットの集合によって様々なユニットを提供することができる。
【００６３】
[0070]様々な例を説明した。これらおよび他の例は、以下の特許請求の範囲内である。
【符号の説明】
【００６４】
２０  ＭＥＭＳ加速度計システム
２２  ＭＥＭＳ加速度計
２４  制御ユニット
２６  プルーフマスアセンブリ
２８  スケールファクタ制御回路機構
３０  感知モジュール
３２  スケールファクタ制御モジュール
３４  コントローラ
４０  フレーム
４２  プルーフマス
４４、４４Ａ〜４４Ｄ  アンカ
６０Ａ、６０Ｂ  フォトニック結晶ＭＥＭＳビーム
６１、６８、７０Ａ、７０Ｂ  光機械キャビティ
６２  レーザ源
６４  同調可能ばね
１００  光機械振動ビーム加速度計
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【外国語明細書】
2016218055000001.pdf