(57)【要約】【課題】微小電気機械（ＭＥＭＳ）加速度計を較正するためのデバイス及び方法を提供する。【解決手段】その場での較正のために構成される加速度計デバイスは、第１の大きさのレーザ誘起プッシュ力を加速度計のプルーフマスに印加し、第１の大きさのレーザ誘起プッシュ力をプルーフマスに印加する間に、当該デバイスは加速度計から第１の出力を取得する。デバイスは、さらに、第２の大きさでレーザ誘起プッシュ力をプルーフマスに印加するように構成され、第２の大きさでレーザ誘起プッシュ力をプルーフマスに印加する間に、デバイスは加速度計から第２の出力を取得する。第１の出力及び第２の出力に基づいて、デバイスは、加速度計のスケールファクタを決定する。デバイスは、加速度計の第３の出力を決定し、スケールファクタ及び第３の出力に基づいて加速度値を決定するように構成される。【選択図】図１
2016218054.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、
レーザ光源の出力を加速度計のプルーフマス上に向けて、前記プルーフマスに印加される第１の大きさの散乱力を生成するステップと、
前記第１の大きさで散乱力を前記プルーフマスに印加する間に、前記加速度計から第１の出力を取得するステップと、
前記レーザ光源の出力を前記加速度計の前記プルーフマス上に向けて、前記プルーフマスに印加される第２の大きさの散乱力を生成するステップと、
前記第２の大きさで散乱力を前記プルーフマスに印加する間に、前記加速度計から第２の出力を取得するステップと、
前記第１の出力及び前記第２の出力に基づいて、前記加速度計のスケールファクタを決定するステップと、
前記加速度計の第３の出力を得るステップと、
前記スケールファクタ及び前記第３の出力に基づいて、加速度値を決定するステップと
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つ又は複数のアンカー要素と、
前記プルーフマス上にレーザ光を向けるように構成されたレーザ光源と、
前記レーザ光源に、第１の大きさの散乱力を前記プルーフマスに印加させ、
前記レーザ光源に、第２の大きさの散乱力を前記プルーフマスに印加させる
ように構成されたレーザ制御モジュールと、
前記レーザ光源が前記第１の大きさの散乱力を前記プルーフマスに印加する間に、加速度計から第１の出力を取得し、
前記レーザ光源が前記第２の大きさの散乱力を前記プルーフマスに印加する間に、前記加速度計から第２の出力を取得し、
前記加速度計の第３の出力を決定する
ように構成された感知モジュールと、
前記第１の出力及び前記第２の出力に基づいて、前記加速度計のスケールファクタを決定し、
前記スケールファクタ及び前記第３の出力に基づいて、加速度値を決定する
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】
レーザ光の第１の部分を振幅変調するように構成された第１の振幅変調器と、
前記レーザ光の第２の部分を振幅変調するように構成された第２の振幅変調器と、
第１の光検出器であって、前記レーザ制御モジュールが、前記第１の光検出器の電気的応答を監視することに基づいて、前記プルーフマスの第１の側に向けられる、前記レーザ光源によって生成されるレーザ光の前記第１の部分の力の大きさを決定するように構成される、第１の光検出器と、
第２の光検出器であって、前記レーザ制御モジュールが、前記第２の光検出器の電気的応答を監視することに基づいて、前記プルーフマスの第２の側に向けられる、前記レーザ光源によって生成されるレーザ光の前記第２の部分の力の大きさを決定するように構成される、第２の光検出器と
をさらに備える、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】
[0001]本願は、２０１５年５月１５日に出願された「光学力を使用したＭＥＭＳ加速度計のアクティブな現場較正」と題する米国仮特許出願第６２／１６２，５０３号の利益を主張するものであり、その全内容が参照により本願に包含される。
【０００２】
[0002]本開示は加速度計に関する。
【背景技術】
【０００３】
[0003]いくつかの例では、微小電気機械（ＭＥＭＳ）加速度計は、１つ又は複数の柔軟な機械的アンカー上のプルーフマスによって印加される慣性力を感知することにより、加速度を測定する。力、及びしたがって入力加速度を読み出す１つの技術は、フレームに対する質量の変位を測定することである。別の技術は、復元するアンカーが慣性力に対抗するときに、復元するアンカーに誘起される応力を測定することである。応力は、例えば、それらのアンカーの音叉振動モードの周波数の変化を測定することによって決定することができる。いくつかのＭＥＭＳ加速度計では、これらの測定はしばしば、変位又は応力の変化を伝える容量の変化を感知することによりなされる。これらの変化はまた、光場に対する変化を通じて感知することができる。ＭＥＭＳ加速度計は、一般的に一度較正され、これは工場において且つ使用前になされる。較正の際、加速度計デバイスが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、出力が標準出力値へと補正される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
[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及び方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
[0005]１つの例では、加速度計を較正する方法は、レーザ光源の出力を加速度計のプルーフマス上に向けて、プルーフマスに印加される第１の大きさの散乱力（ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  ｆｏｒｃｅ）を生成するステップと、第１の大きさで散乱力をプルーフマスに印加しながら、加速度計から第１の出力を得るステップと、レーザ光源の出力を加速度計のプルーフマス上に向けて、プルーフマスに印加される第２の大きさの散乱力を生成するステップと、第２の大きさで散乱力をプルーフマスに印加しながら、加速度計から第２の出力を得るステップと、第１の出力及び第２の出力に基づいて、加速度計のスケールファクタを決定するステップと、加速度計の第３の出力を得るステップと、スケールファクタ及び第３の出力に基づいて、加速度値を決定するステップとを含む。
【０００６】
[0006]一例では、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つ又は複数のアンカー要素と、プルーフマス上にレーザ光を向けるように構成されたレーザ光源と、レーザ光源に、第１の大きさの散乱力をプルーフマスに印加させ、レーザ光源に、第２の大きさの散乱力をプルーフマスに印加させるように構成されたレーザ制御モジュールと、レーザ光源が第１の大きさの散乱力をプルーフマスに印加している間に、加速度計から第１の出力を得て、レーザ光源が第２の大きさの散乱力をプルーフマスに印加している間に、加速度計から第２の出力を得て、加速度計の第３の出力を決定するように構成された感知モジュールと、第１の出力及び第２の出力に基づいて加速度計のスケールファクタを決定し、スケールファクタ及び第３の出力に基づいて加速度値を決定するように構成されたコントローラとを含む。
【０００７】
[0007]本開示の１つ又は複数の例の詳細が、添付の図面及び以下の説明に記載される。本開示の他の特徴、目的及び利点は、説明及び図面から、並びに特許請求の範囲から明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】[0008]本明細書に記載の例による例示的なＭＥＭＳ加速度計システムを示す概念図である。
【図２】[0009]本明細書に記載の例による例示的なプルーフマスアセンブリを示す概念図である。
【図３】[0010]本明細書に記載の例による、ＭＥＭＳ加速度計システムの例示的なＭＥＭＳ加速度計部分を示す概念図である。
【図４】[0011]本明細書に記載の例による、ＭＥＭＳ加速度計システムの例示的なＭＥＭＳ加速度計部分を示す概念図である。
【図５Ａ】[0012]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外挿法の３つの例を示す。
【図５Ｂ】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外挿法の３つの例を示す。
【図６】[0013]本開示の例による、光学力を使用してＭＥＭＳ加速度計を較正する例示的な方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
[0014]本開示は、加速度計に関し、より具体的には、微小電気機械（ＭＥＭＳ）加速度計を較正するためのデバイス、システム及び方法に関する。加速度計のスケールファクタは、デバイスが経験する所与の入力加速度に対する出力信号（例えば、ボルトなどのユニットにおける電気信号）の大きさを規定する因子（又はより一般的には、関数）である。質量ばねシステム（ｍａｓｓ  ｓｐｒｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ）としての加速度計の簡易なモデルでは、スケールファクタは、プルーフマスの復元力をもたらす１つ又は複数のアンカーの弾性係数に直接的に関連する。いくつかのＭＥＭＳ加速度計では、加速度計のスケールファクタは、加速度計の使用前に決定される。人間の動き及び一定の自動車の動きなどの比較的低い慣性力の下で、このスケールファクタはほぼ一定のままであることができ、そのため、加速度計の使用前の較正により、ほとんどの用途にとって十分正確な加速度値の測定値が提供される。
【００１０】
[0015]しかしながら、いくつかの用途では、加速度計は使用時に衝撃を感じることがあり、いくつかの例では、これらの衝撃はかなり大きなものとなり得る。例えば、民間航空機に実装された加速度計デバイスはかなり小さな衝撃を感じ得るが、ミサイルに実装された加速度計デバイスは比較的より深刻な衝撃を感じ得るし、銃によって発射された発射物に実装された加速度計はさらに深刻な衝撃を感じ得る。これらの衝撃事象中に感じられる衝撃は、ＭＥＭＳ加速度計のスケールファクタを変える可能性があり、したがって、加速度計は使用時に精度が失われる。さらに深刻な衝撃により、加速度計は加速度値についてより正確でない測定値を出力し、衝撃が比較的深刻であるいくつかの用途（例えば、銃が発射する発射物のための慣性誘導システム）は、適切に機能するために高精度の加速度測定値を必要とする用途でもある。また、加速度計の経年劣化は、経年に伴って変化する加速度計の様々なコンポーネントの構造的特性に起因して、加速度計のスケールファクタを変化させ得る。
【００１１】
[0016]本開示は、ＭＥＭＳ加速度計などの加速度計システムが使用中に自己較正することを可能にすることができる、デバイス、システム及び技術について説明する。例えば、本開示は、加速度計デバイスが、使用中に新しいスケールファクタを決定し、新しいスケールファクタに基づいて加速度値の測定値を生成することを可能にし得る技術を導入する。
【００１２】
[0017]本開示の技術によれば、加速度計は、レーザを使用して力（例えば、本願ではレーザ誘起プッシュ力（ｌａｓｅｒ−ｉｎｄｕｃｅｄ  ｐｕｓｈｉｎｇ  ｆｏｒｃｅｓ）と呼んでもよい）をプルーフマスに印加することにより、使用中（例えば、銃発射後）に新しいスケールファクタを決定することができる。加速度計システムは、レーザ誘起力（ｌａｓｅｒ−ｉｎｄｕｃｅｄ  ｆｏｒｃｅｓ）を印加し、レーザ誘起力が印加されている間に加速度計の出力を決定することができる。これらのレーザ誘起プッシュ力は、プルーフマスが比較的小さい場合に大きな加速度測定値を引き起こす可能性がある。例えば、１．５ミクロンの波長発光で３０ミリワット（ｍＷ）のレーザによってプッシュされる１０Ｅ−１２キログラム（ｋｇ）のプルーフマスは、重力加速度、すなわち１ｇの加速度によって引き起こされるのと同じ力を感じ得る。プルーフマスに近い（例えば数ミクロン以内）発光点から伝播する自由空間ビームによって印加されてプルーフマスを打つレーザ誘起力は、ギャップ（例えば、プルーフマスとフレームとの間のギャップ）のサイズや他の機械的パラメータとは無関係とすることができ、衝撃がプルーフマスをギャップのかなりの割合だけ変位させる場合に加速度計が感じる当該衝撃に対して、較正プロセス自体をロバストにすることができる。
【００１３】
[0018]対照的に、ギャップの間の容量結合によってプルーフマスに印加される静電力は、ギャップの寸法に依存し、これは加速度計が衝撃を感じた後に変化して、ある場合には静電力を現場（その場、ｉｎ−ｓｉｔｕ）較正スキームにとって潜在的にあまり適していないものとする可能性がある。また、容量電極によって力を印加することとは対照的に、レーザ力の印加は、ＭＥＭＳ素子上の電荷の蓄積を生じない可能性がある。そのような電荷の蓄積は、それらの電荷がプルーフマスに及ぼす未知の制御されない静電力のために、加速度計出力に対して有害な影響を有し得る。
【００１４】
[0019]本開示の技術によれば、レーザ光源（例えば、同梱されたフォトニクス回路）からのレーザビームは、レーザ光源とＭＥＭＳ加速度計のプルーフマスとの間の自由空間ギャップを通って導かれて、ＭＥＭＳ加速度計の感知軸に沿ってプルーフマスに衝突し得る。振幅変調器は、レーザの強度を調節するために、ある周波数（ｆ＿ｄｉｔｈｅｒ）でレーザを振幅変調することができる。例えば、振幅変調器は、値の間でレーザの駆動電流を離散的又は連続的に変化させてもよい。追加的又は代替的に、（電気的に作動する可変減衰器、又は導波路ベースもしくはファイバベースの干渉変調器などの）外部振幅変調デバイスに対する制御信号はまた、レーザ光源の強度を調整するために変化させることができる。レーザ駆動電流又は外部減衰器もしくはシャッターに対する制御信号を変化させることにより、レーザは、プルーフマス上に異なる大きさの力を誘起することができる。
【００１５】
[0020]いくつかの例では、集積フォトダイオードなどの光検出器は、（例えば、エバネセント結合した導波路又は部分反射器によってサンプリングすることができるものなどの）光子束の既知の安定した一部（ｆｒａｃｔｉｏｎ）を監視することができる。これらの条件下では、加速度計は、集積フォトダイオード信号に比例する印加された力に対応する、（加速度を示す）出力を提供することができる。力の正確な大きさを知る必要はないかもしれない。いくつかの例では、力の直流（ＤＣ）成分が存在しないことを確実にするために、ＤＣ成分は望まれるべきではなく、レーザ散乱力は、例えば、１８０度位相のずれた等しい振幅の励起とともに、プルーフマスの両側に印加されてもよい。いくつかの実施形態では、等しい振幅の条件は、絶対的な大きさよりも確立するのが容易であり得る。
【００１６】
[0021]フーリエ周波数ｆ＿ｄｉｔｈｅｒにおける加速度計の出力は、周波数ｆ＿ｄｉｔｈｅｒの印加された外部加速度のスケールファクタ倍に関連した値を有する。スケールファクタは、未知の外部加速度の影響を排除することができるれるレベルと釣り合う精度へと、これらの測定値から抽出することができる。したがって、ｆ＿ｄｉｔｈｅｒは、外部加速度が白色雑音のようになる可能性が高い周波数であるように選択することができ、そのため、周期的に印加されるレーザ力のロックイン検出は、推論されるスケールファクタについて許容可能なレベルの精度をもたらす。ロックイン検出は、例えば、周波数ｆ＿ｄｉｔｈｅｒでの復調、狭帯域フィルタリング、及び加速度計出力信号の最終的な増幅を含んでもよい。刺激された応答の検出が十分に高いｆ＿ｄｉｔｈｅｒ付近で十分に狭い場合には、未知の加速度のＤＣレベルを知る必要はないかもしれない。
【００１７】
[0022]本開示のデバイス、システム及び技術は、材料本体からのレーザ光の散乱力を利用する。材料本体が入射レーザ光の光子を後方反射するとき、物体の運動量は２×ｈ＿ｂａｒ×ｋだけ変化し、ここでｋ＝２π／λはレーザ光の波動ベクトルであり、ｈ＿ｂａｒは２πで割ったプランク定数（ｈ）に対応し、λはレーザによって放射される光の波長を指す。これは、光子の運動量についての平面波限界（ｐｌａｎｅ−ｗａｖｅ  ｌｉｍｉｔ）を仮定している。レーザビームのガウシアンモードにおいて光子によって伝えられる運動量はわずかに異なることがあり得るが、この差は、本明細書に記載の技術の実施において補償することができる。質量により吸収された光子によって伝えられる運動量はｈ＿ｂａｒ×ｋである。したがって、本体に入射する光子束（光子／秒）が知られている場合、レーザ波長及び空間モードが特徴付けられており安定している場合、及び本体の反射／吸収定数が安定している場合には、毎秒本体に伝えられる運動量（すなわち、レーザ誘起力）を知ることができる。特定の加速度計の衝撃事象の直前から直後においてレーザ光源の特性が変化しない限り、このような状況は本明細書に記載の較正手続を実行するために十分であり得る。
【００１８】
[0023]図１は、本開示の例に従って構成された例示的なＭＥＭＳ加速度計システム２０のブロック図である。ＭＥＭＳ加速度計システム２０は、測定された出力が加速度値にマッピングされるスケールファクタを更新することによって、使用中に自己較正するように構成されてもよい。ＭＥＭＳ加速度計システム２０は、ＭＥＭＳ加速度計２２及び制御部２４を含む。ＭＥＭＳ加速度計２２は、プルーフマスアセンブリ２６、レーザ光源２８及び光検出器３０を含む。制御部２４は、感知モジュール３２及びレーザ制御モジュール３４を含み、その両方がＭＥＭＳ加速度計２２と信号通信する。制御部２４はまた、感知モジュール３２及びレーザ制御部３４と信号通信するコントローラ３６を含む。図１の例において、感知モジュール３２、レーザ制御モジュール３４及びコントローラ３６は、説明を簡単にする目的のために別々に示されているが、感知モジュール３２、レーザ制御モジュール３４及びコントローラ３６が実際には高度に統合されてもよいことが理解されるべきである。
【００１９】
[0024]制御部２４及び制御部２４の様々なコンポーネントは、制御部２４に起因する技術を実行するために、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うちの任意の適切な構成として実装することができる。例えば、制御ユニット２４は、１つ又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）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、又は他の同等の集積又はディスクリート論理回路、並びにこのようなコンポーネントの任意の組み合わせのうちの任意のものを含んでもよい。制御部２４は、さらに、メモリ及び他のコンポーネントを含むことができる。
【００２０】
[0025]図２は、例えば正面図で示される、図１の例示的なプルーフマスアセンブリ２６の概念図である。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及びアンカー４４Ａ−４４Ｄ（総称して、「アンカー４４」）を含む。アンカー４４はまた、アンカー要素、フレキシャ（ｆｌｅｘｕｒｅｓ）、フレキシャ要素又は他のそのような用語で呼ばれてもよい。フレーム４０はまた、ベース又は他のそのような用語で呼ばれてもよい。アンカー４４は、プルーフマス４２をフレーム４０に機械的に接続する。プルーフマスアセンブリ２６は、面内又は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。面内構成において、アンカー４４は、ｚ軸方向に比較的固定されるが、慣性力の存在下でプルーフマス４２がフレーム４０に対してＸ軸方向及びＹ軸方向に移動することを可能にするように構成される。したがって、面内構成において、ｘ軸及びｙ軸の両方は敏感な軸である。直交するｘ−ｙ軸が、説明を容易にすることのみを目的として図２に示される。対照的に、面外構成において、アンカー４４は、ｘ軸方向及びｙ軸方向で比較的固定されるが、慣性力の存在下でプルーフマス４２がフレーム４０に対してｚ軸方向に移動することを可能にするように構成される。したがって、面外構成において、ｚ軸は敏感な軸である。
【００２１】
[0026]プルーフマスアセンブリ２６が面内構成又は面外構成で動くように構成されているかどうかにかかわらず、図１の感知モジュール３２は、慣性力の下でプルーフマス４２の変位を検出することにより、プルーフマスアセンブリ２６が感じる加速度（本願では「加速度値」とも呼ぶ）を測定するように構成されてもよい。感知モジュール３２は、例えば、（図１又は図２に示されていない）容量性ピックオフシステムを使用して、プルーフマス４２の変位を検出してもよい。このような例では、キャパシタプレートはプルーフマス４２の表面上に堆積させてもよく、同様のキャパシタプレートがプルーフマスアセンブリ２６内の他の場所に堆積されてもよい。慣性力の下で、容量性プレート間の距離、したがってキャパシタンスは変化する。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３６は加速度値を計算してもよい。
【００２２】
[0027]また、感知モジュール３２は、プルーフマスの変位に敏感な、プルーフマス４２とのレーザ相互作用を使用することにより、プルーフマス４２の変位を光学的に検出するように構成されてもよい。追加的又は代替的に、感知モジュール３２は、例えば、アンカー４４の音叉振動モードの共振周波数の変化を検出することにより、慣性力に起因するアンカー４４の歪みを検出することによって、加速度を測定するように構成されてもよい。変位や歪みの容量性ピックオフ又は変位や歪みの光学的ピックオフは、プルーフマス４２の加速度を検出することができる方法のうちの２つの例にすぎないこと、及び本開示の技術が任意の特定の種類の加速度検出技術に限定されないことを理解すべきである。
【００２３】
[0028]図３は、本開示の実施形態による、ＭＥＭＳ加速度計２２のより詳細な図を示すブロック図である。図３の例では、レーザ光源２８はレーザを放射（例えば、出力、送信など）する。本開示の例はいかなる特定のパワーにも限定されないが、レーザは、例えば、１ｍＷと３０ｍＷとの間の光パワーを有していてもよい。レーザ光源２８は、例えば、プルーフマス４２に隣接する光集積回路であってもよい。ＭＥＭＳ加速度計２２は、ビーム誘導光学系及びビーム分割光学系を含み、これは、例えば、フレーム４０（図２）の基板中の、又はフレーム４０に接合もしくは付着された第２の基板上の集積フォトニクス導波路であってもよい。いくつかの例では、レーザ光源２８は第２の層内にあってもよく、レーザ光源２８によって生成されるレーザ光は、エバネセント導波路結合を介してＭＥＭＳ基板に結合されてもよい。ビームスプリッタ５０は、レーザ光源２８によって生成されるレーザの（ファクタＡによって決定される）ある割合を光検出器３０に向け、レーザの残り（１−Ａ）をプルーフマス４２に向ける。
【００２４】
[0029]光検出器３０は、例えば、フォトダイオードを含んでもよく、当該フォトダイオードの電気的応答は、レーザ光源２８によって生成されるレーザの力に比例してもよい。いくつかの例では、比例定数（Ａ）の値は、例えば、約０．０１であってもよく、その結果、ビームスプリッタ５０は、レーザの９９％をプルーフマス４２に向け、残りの１％を光検出器３０に向ける。しかしながら、本開示の技術は、いかなる特定の値のＡにも限定されず、さらに、衝撃事象の前及び／又は後の両方でその値が同じままであるか又は同じに近いままである限り、その正確な値は必ずしも知られる必要はない。
【００２５】
[0030]ビームスプリッタ５０は、例えば、レーザ光源２８によって生成されたレーザの一部をプルーフマス４２に向けて伝えてもよく、その部分を自由空間ギャップへと発射して、プルーフマス４２の端部や表面上で光らせてもよい。レーザの散乱力はプルーフマス４２を押す。この散乱力は、レーザ誘起力又はレーザ誘起プッシュ力とも呼ぶことができ、光検出器３０で検出された光検出器の電圧に比例する。
【００２６】
[0031]本開示の実施形態によれば、ＭＥＭＳ加速度計システム２０は、使用の間に（例えば、感知軸に沿って慣性力を感じ、測定している間に）較正処理を行うことにより、その場で（現場で、ｉｎ−ｓｉｔｕ）スケールファクタの補正を行うように構成されてもよい。レーザ制御モジュール３４の制御下で、レーザ光源２８は、第１の大きさのレーザ誘起力をプルーフマス４２に加える。レーザ光源２８が第１の大きさのレーザ誘起力をプルーフマス４２に印加する間に、感知モジュール３２は、ＭＥＭＳ加速度計２２から第１の出力を取得する。レーザ制御モジュール３４の制御下で、レーザ光源２８は、第２の大きさのレーザ誘起力をプルーフマス４２に印加する。レーザ光源２８が第２の大きさのレーザ誘起力をプルーフマス４２に印加する間に、感知モジュール３２は、ＭＥＭＳ加速度計２２から第２の出力を取得する。第１の出力及び第２の出力は、例えば、力再平衡システムによって決定される電圧値又は電流値であってもよい。
【００２７】
[0032]いくつかの例では、レーザ制御モジュール３４の制御下で、レーザ光源は、例えば、プルーフマス４２上に向けられるレーザ光の強度を（変調周波数ｆ＿ｍｏｄで）振幅変調して、第１及び第２の大きさのレーザ誘起力を達成してもよい。図１は振幅変調を明示的に示してはいないが、このような機能は、レーザ光源２８へ統合されてもよいし、レーザ光源２８とは別個であるがレーザ光源２８とともに動作するように構成されてもよい。レーザ制御モジュール３４は、第１及び第２の大きさのレーザ誘起力を達成することの一部として、光検出器３０の電気的応答を監視してもよい。そのような監視に基づいて、レーザ制御モジュール３４は、第１及び第２の大きさを達成するために、レーザ光源２８に対して調整を行ったり、レーザ光源２８によって生成されるレーザの変調に対して調整を行ったりしてもよい。
【００２８】
[0033]第１の出力及び第２の出力、又は時間期間中の多くのそのような測定値の平均に基づいて、コントローラ３６は、ＭＥＭＳ加速度計２２のスケールファクタ（例えば、新たな又は更新されたスケールファクタ）を決定する。コントローラ３６は、較正テーブルを保持し、新たに決定されたスケールファクタに基づいて較正テーブルを更新してもよい。新たなスケールファクタが決定された後、感知モジュール３２はＭＥＭＳ加速度計２２の第３の出力を決定することができ、スケールファクタ及び第３の出力に基づいて、コントローラ３６は加速度値を決定することができる。したがって、第３の出力に基づいて決定された加速度は、較正後の新しいスケールファクタを使用して決定される。
【００２９】
[0034]コントローラ３６は、較正するための「基準」値を与えるために、衝撃事象前データを取得し、記憶してもよい。実際には、制御部２４は、衝撃前測定においてレーザパワーを較正するために加速度を使用し、次いで衝撃後測定においてＭＥＭＳ応答を測定するためにレーザパワーを使用する。このように、制御部２４は、衝撃事象後に、又はより一般的には、時間内の任意の２つの点におけるスケールファクタを比較するために、元のスケールファクタを復元することができる。比較の精度は、レーザ力の測定の安定性に関係し、これは（衝撃事象の前後などの）短い時間間隔の間、非常に安定であり得る。較正手順は、（衝撃の前後などの）２つの異なる時点における実質的に同じ（例えば、同一又は同一に近い）レーザ力の刺激に対する加速度計の応答を比較し、いずれかの時点におけるプルーフマス４２上のレーザ誘起力の絶対的な大きさを制御部２４が知ることを必要としない。
【００３０】
[0035]以下でより詳細に説明するように、追加的又は代替的に、レーザ光源２８は、プルーフマス４２の両側上にレーザ誘起力を向けてもよい。レーザ誘起力の相対的な位相がプルーフマス４２の各々の側に印加されてもよく、プルーフマス４２の各々の側上の実質的に対称な（例えば、対称又はほぼ対称な）押圧（ｐｕｓｈｉｎｇ）をもたらすように調整されてもよい。図４を参照して以下で説明されるように、これは、追加の分岐導波路及び光検出器を使用することによって達成することができる。
【００３１】
[0036]図４は、本開示の技術によるＭＥＭＳ加速度計１２２の詳細な図を示すブロック図である。いくつかの例では、ＭＥＭＳ加速度計１２２は、ＭＥＭＳ加速度計２２の代わりに、図１のＭＥＭＳ加速度計システム２０に組み込むことができる。ＭＥＭＳ加速度計１２２は、レーザ光源１２８、ビームスプリッタ１３２、振幅変調器１３６Ａ及び１３６Ｂ、ビームスプリッタ１４０Ａ及び１４０Ｂ、プルーフマス１４２、ビームスプリッタ１４４Ａ及び１４４Ｂ、光検出器１４８Ａ及び１４８Ｄ、並びに分割光検出器１５２を含む。
【００３２】
[0037]図４の例では、レーザ光源１２８は、ある光パワーでレーザを発光（例えば、出力、送信など）する。レーザ光源１２８は、例えば、プルーフマス１４２に隣接する光集積回路であってもよい。ＭＥＭＳ加速度計１２２は、ビーム誘導光学系及びビーム分割光学系を含み、これらは、例えば、加速度計１２のフレームの基板内又はフレームに結合又は付着された第２の基板上の集積フォトニクス導波路であってもよい。いくつかの例では、レーザ光源１２８は、第２の層にあってもよく、レーザ光源１２８によって生成されるレーザ光は、エバネセント導波路結合を介して、ＭＥＭＳ基板へと結合されてもよい。ビームスプリッタ１３２は、レーザ光源１２８によって生成されるレーザの（図４においてレーザＡとラベル付けされた）第１の部分を第１の振幅変調器１３６Ａへ向け、レーザ光源１２８によって生成されたレーザの（図４においてレーザＢとラベル付けされた）第２の部分を第２の振幅変調器１３６Ｂへ向ける。振幅変調器１３６Ａは、レーザＡの強度を調整するためにある周波数（ｆ＿ｄｉｔｈｅｒ）でレーザＡを振幅変調する。振幅変調器１３６Ｂは、同様に、レーザＢの強度を調整するためにある周波数（ｆ＿ｄｉｔｈｅｒ）でレーザＢを振幅変調する。
【００３３】
[0038]振幅変調器１３６Ａは、振幅変調されたレーザＡをビームスプリッタ１４０Ａに送信し、ビームスプリッタ１４０Ａは、振幅変調されたレーザＡの第１の部分をプルーフマス１４２の第１の側に向ける。振幅変調器１３６Ｂは、振幅変調されたレーザＢをビームスプリッタ１４０Ｂに送信し、ビームスプリッタ１４０Ｂは、振幅変調されたレーザＢの第１の部分をプルーフマス１４２の第２の側に向ける。両側に力を印加することにより、プルーフマス１４２は、時間とともに、平均して正味ゼロの力を感じ、これにより、較正が実行されている間に感知モジュール３２（図１）がＭＥＭＳ加速度計２２からデータを読み出すことが可能になる。
【００３４】
[0039]ビームスプリッタ１４０Ａは、振幅変調されたレーザＡの残りの部分をビームスプリッタ１４４Ａに向け、ビームスプリッタ１４０Ｂは、振幅変調されたレーザＢの残りの部分をビームスプリッタ１４４Ｂに向ける。いくつかの実施形態では、ビームスプリッタ１４０Ａ及び１４０Ｂは、振幅変調されたレーザの大部分（例えば９５％以上）をプルーフマス１４２に向け、振幅変調されたレーザの残りの部分を、それぞれ、ビームスプリッタ１４４Ａ及び１４４Ｂに向ける。ビームスプリッタ１４４Ａ及び１４４Ｂは、レーザＡ及びＢの残りの部分を、それぞれ、光検出器１４８Ａ及び１４８Ｂ、並びに分割光検出器１５２に向ける。
【００３５】
[0040]光検出器１４８Ａは、例えば、振幅変調器１３６Ａによって提供されるレーザの力に比例するフォトダイオードの電気的応答を有する、フォトダイオードを含んでもよい。光検出器１４８Ｂは、同様に、振幅変調器１３６Ｂによって提供されるレーザの力に比例するフォトダイオードの電気的応答を有する、フォトダイオードを含んでもよい。いくつかの場合、フォトダイオードの物理的特性の通常の変動に起因して、光検出器１４８Ａ及び１４８Ｂは、まったく同じ応答を有さないことがある。したがって、分割光検出器１５２が、光検出器１４８Ａ及び１４８Ｂを較正するために使用されてもよい。分割光検出器１５２は、本質的には、単一のコンポーネントへと加工された２つの別個のフォトダイオードであってもよい。単一のコンポーネントへと加工されるため、応答は、光検出器１４８Ａよりも互いに類似することができ、したがって、分割光検出器１５２において測定される２つのレーザ間で検出される差は、システムを較正するために使用することができる。このような較正の一部として、振幅変調器１３６Ａ及び１３６Ｂのうちの１つ又は両方の変調は、分割光検出器１５２において検出された応答に基づいて調整することができる。
【００３６】
[0041]図５Ａ及び図５Ｂは、コントローラ３６が衝撃事象の前（図５Ａ）及び後（図５Ｂ）においてＭＥＭＳ加速度計システム２０のスケールファクタを計算し得る方法の例を示す。図５Ａ及び図５Ｂに関して説明される技術は、図１及び図３のＭＥＭＳ加速度計２２の両方、並びに図４のＭＥＭＳ加速度計１２２に適用可能である。図５Ａ及び図５Ｂは、特定の計算がなされる方法のグラフィカルな表現を提供することを意図しており、制御部２４により実行されるステップ又は動作に直接的に対応しない可能性があることを理解すべきである。
【００３７】
[0042]図５Ａのグラフ５０２Ａ及び図５Ｂのグラフ５０２Ｂは、加速度計の出力を、加速度計のプルーフマスに印加されるレーザの力の関数として示す。次式で表されるように、加速度計の出力信号Ｖｏｕｔは、複数のソースからの寄与を有する。
【００３８】
【数１】
2016218054.tif 000003
【００３９】
ここで、第１項
【００４０】
【数２】
2016218054.tif 000004
【００４１】
は入力加速度に比例する所望の出力であり、次の２つの項
【００４２】
【数３】
2016218054.tif 000005
【００４３】
及びＶ０は入力加速度に依存しないバイアス項であり、最後の項
【００４４】
【数４】
2016218054.tif 000006
【００４５】
は、較正レーザ（例えば、レーザ源２８又は１２８）の力に関連する出力の一部を表す。グラフ５０２Ａ及び５０２Ｂにおけるｘ軸は、任意の単位のレーザ誘起プッシュ力を示し、すなわち、ここで「０」は力が存在しない状態であり、「１．０」は、９．８ｐＮ又は他の値などの基準の力である。
【００４６】
[0043]グラフ５０４Ａ及び５０４Ｂは、それぞれ、衝撃事象の前及び後の時間にわたるＭＥＭＳ加速度計システム２０の出力のプロットを示す。グラフ５０４Ａに示すように、衝撃事象の前に、感知モジュール３２は、プッシュ（押圧、ｐｕｓｈｉｎｇ）レーザパワーの少なくとも２つの値について、ＭＥＭＳ加速度計システム２０の（図５Ａにおいて第１の出力及び第２の出力とラベル付けされる）少なくとも２つの出力を読み取ることができる。プッシュ力の２つの値はグラフ５０６Ａにおいて第１の力及び第２の力とラベル付けされる。グラフ５０２Ａに戻り、コントローラ３６は、（加速度計が非線形性を呈する点まで）ＭＥＭＳ加速度計２２上の全外部加速度に関わらず、スケールファクタ
【００４７】
【数５】
2016218054.tif 000007
【００４８】
の第１の測定値に対応する、第１の出力の値と第２の出力の値とを結ぶ線の傾きを計算してもよい。線の傾きｄＶ／ｄＦはスケールファクタに比例する。スケールファクタは、一般に、入力加速度の変化あたりの出力電圧の変化に対応する。
【００４９】
[0044]図５Ｂに示すように、衝撃事象後、感知モジュール３２は、プッシュレーザパワーの同じ少なくとも２つの値について、ＭＥＭＳ加速度計２２の（グラフ５０４Ｂにおいて第１の出力及び第２の出力とラベル付けされた）少なくとも２つの出力を再び読み取ってもよい。コントローラ３６は、スケールファクタｄＶ２／ｄｘの第２の測定値に対応する、第１の出力値及び第２の出力値を結ぶ線の傾きを計算してもよい。ＭＥＭＳ加速度計における全体の加速度は（図５Ａ及び５Ｂに示されるように）衝撃事象の前後で異なり得る。いくつかの例では、２つのサンプルは、２つの別個の値の間の力をステップする（ｓｔｅｐ）ことによってではなく、印加されるレーザパワーの連続的な（例えば、正弦波）変調によって達成することができる。サンプルは、応答の最大値及び最小値、又は他の値を測定することにより、連続データストリームから抽出することができる。以上の説明において、ｄｘは、プルーフマスの微小変位に相当する。図５Ａ及び５Ｂにおいて、ｄｘは、対応する出力電圧へと変換されている。
【００５０】
[0045]図６は、本開示のいくつかの例による、加速度計を較正する例示的な方法を示すフローチャートである。図６の技術は、ＭＥＭＳ加速度計システム２０に関して説明されるが、図６の技術がまた、他の種類のＭＥＭＳ加速度計システムによって実行されてもよいことを理解すべきである。
【００５１】
[0046]図６の例では、レーザ光源２８は、レーザ制御モジュール３４の制御下で、ＭＥＭＳ加速度計２２のプルーフマス４２上にレーザ光源２８の出力を向けて、プルーフマス４２に印加される第１の大きさの散乱力を生成する（８０）。プルーフマス４２に第１の力でレーザを印加している間に、感知モジュール３２は、ＭＥＭＳ加速度計２２から第１の出力を取得する（８２）。レーザ光源２８は、レーザ制御モジュール３４の制御下で、ＭＥＭＳ加速度計２２のプルーフマス４２上にレーザ光源２８の出力を向けて、プルーフマス４２に印加される第２の大きさの散乱力を生成する（８４）。プルーフマス４２に第２の力でレーザを印加している間に、感知モジュール３２は、ＭＥＭＳ加速度計２２から第２の出力を取得する（８６）。第１の出力及び第２の出力に基づいて、コントローラ３６は、ＭＥＭＳ加速度計システム２０のスケールファクタを決定する（８８）。感知モジュール３２は、ＭＥＭＳ加速度計２２から第３の出力を取得し（９０）、スケールファクタ及び第３の出力に基づいて、コントローラ３６は加速度値を決定する（９２）。いくつかの例では、レーザ光源２８は、レーザ制御モジュール３４の制御下で、２つの別個の値の間で、印加されるレーザ誘起プッシュ力をステップすることができる。他の例では、レーザ光源２８は、最大値と最小値との間で、印加されるレーザ誘起プッシュ力を連続的に変化させる。
【００５２】
[0047]１つ又は複数の例では、本明細書に記載された機能は、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として加速度計システムに実装することができる。ソフトウェアで実装する場合、機能は、１つ又は複数の命令又はコードとして、コンピュータ読取可能な媒体上に格納されるか又はそれを介して送信され、ハードウェアベースの処理部によって実行されてもよい。コンピュータ読み取り可能な媒体は、データ記憶媒体などの有形の媒体に対応するコンピュータ読み取り可能な記憶媒体、又は、例えば通信プロトコルに従う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を含むことができる。このように、コンピュータ読み取り可能な媒体は、一般に、（１）非一時的である有形のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体又は（２）信号や搬送波などの通信媒体に対応し得る。データ記憶媒体は、本開示に記載された技術を実施するための命令、コード及び／又はデータ構造を取得するために、１つもしくは複数のコンピュータ又は１つもしくは複数のプロセッサによってアクセスできる、任意の利用可能な媒体であってもよい。コンピュータプログラム製品は、コンピュータ読み取り可能な媒体を含むことができる。
【００５３】
[0048]例として、限定するものではないが、そのようなコンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭもしくは他の光ディスクストレージ、磁気ディスクストレージ、又は他の磁気記憶デバイス、フラッシュメモリ、又は、命令もしくはデータ構造の形で所望のプログラムコードを格納するために使用することができ、コンピュータによってアクセスすることができる、任意の他の媒体を含むことができる。また、任意の接続はコンピュータ読み取り可能な媒体と適切に呼ばれる。例えば、命令が任意の有線又は無線技術を使用して送信される場合、そのような技術は媒体の定義に含まれる。しかし、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体及びデータ記憶媒体が、接続、搬送波、信号又は他の一次的な媒体を含まず、代わりに非一時的な有形の記憶媒体を対象としたものであることが理解されるべきである。上記の組み合わせもまた、コンピュータ読み取り可能な媒体の範囲内に含まれるべきである。
【００５４】
[0049]命令は、１つ又は複数のＤＳＰ、汎用マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、又は他の同等の集積論理回路やディスクリート論理回路などの、１つ又は複数のプロセッサによって実行されてもよい。したがって、本明細書で使用される「プロセッサ」という用語は、前述の構造又は本明細書で説明する技術の実施に適した任意の他の構造のうちの任意のものを指すことができる。また、いくつかの態様では、本明細書に記載の機能は、本明細書に記載された技術を実行するために構成された専用ハードウェア及び／又はソフトウェアモジュール内で提供されてもよい。また、当該技術は、１つ又は複数の回路又は論理要素で完全に実施することができる。
【００５５】
[0050]本開示の技術は、集積回路（ＩＣ）又はＩＣのセット（例えば、チップセット）を包含するデバイスを含む、多種多様なデバイス又は装置で実施することができる。様々なコンポーネント、モジュール又はユニットは、開示された技術を実行するように構成されたデバイスの機能的態様を強調するように本開示において記載されており、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ものではない。そうではなく、上述したように、様々なユニットは、共通のハードウェアユニットに結合されてもよく、又は、適切なソフトウェア及び／又はファームウェアとともに、上述のような１つ又は複数のプロセッサを含む相互運用ハードウェアユニットの集合によって提供されてもよい。
【００５６】
[0051]様々な例が説明された。これら及び他の例は以下の特許請求の範囲の範囲内にある。
【図１】
2016218054.tif 000008
【図２】
2016218054.tif 000009
【図３】
2016218054.tif 000010
【図４】
2016218054.tif 000011
【図５Ａ】
2016218054.tif 000012
【図５Ｂ】
2016218054.tif 000013
【図６】
2016218054.tif 000014
【外国語明細書】
2016218054000001.pdf