(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
動的な動作条件下で、バイアス誤差を加速度測定から連続的に除去する自己較正加速度計システムにおいて、
フレームと、
第１のフレクシャ懸架によって検知要素フレームに取り付けられた第１のプルーフ・マスを含む、前記フレーム内で位置決めされた第１の質量変調加速度計であって、前記第１のプルーフ・マスが、前記検知要素フレームの第１の入力軸に沿った加速度に応答して、出力軸の周りで回転するように構成され、前記第１のプルーフ・マスが、前記第１のプルーフ・マスの質量変調をもたらすように、また前記第１の入力軸に選択的に可逆の極性をもたらすように、またバイアスの自己較正をもたらすように、前記出力軸の第１の側の第１の安定位置と、前記出力軸の第２の側の第２の安定位置との間で移動可能である第１の二次質量を含む、第１の質量変調加速度計と、
第２のフレクシャ懸架によって前記検知要素フレームに取り付けられた第２のプルーフ・マスを含む、前記フレーム内で位置決めされた第２の質量変調加速度計であって、前記第２のプルーフ・マスが、第２の入力軸に沿った前記検知要素フレームの加速度に応答して、前記出力軸の周りで回転するように構成され、前記第２のプルーフ・マスが、前記第２のプルーフ・マスの質量変調をもたらすように、また前記第２の入力軸に選択的に可逆の極性をもたらすように、またバイアスの自己較正をもたらすように、前記出力軸の第１の側の第１の安定位置と、前記出力軸の第２の側の第２の安定位置との間で移動可能である第２の二次質量を含む、第２の質量変調加速度計と、
前記検知要素フレーム内の前記第１および第２のプルーフ・マスの前記第１および第２の入力軸に沿った直線加速度を示す信号を送るように構成された信号ピックオフシステムとを備え、
前記バイアスの自己較正のために、前記第１および第２の質量変調加速度計は、前記第１および第２の二次質量がそれらのそれぞれの安定位置にあるとき反対の極性を有するように構成される、自己較正加速度計システム。
【請求項２】
前記信号ピックオフシステムが、
前記検知要素フレーム内の前記第１のプルーフ・マスの角度位置によって決定される第１のキャビティ長を有する第１のレーザと、
前記検知要素フレーム内の前記第２のプルーフ・マスの角度位置によって決定される第２のキャビティ長を有する第２のレーザと、
第３のレーザに対する前記検知要素フレームの位置によって決定されるキャビティ長を有する第３のレーザと、
前記第１のレーザの出力を前記第３のレーザの出力と組み合わせ、第１の光出力信号を生成するように構成され、さらに、前記第２のレーザの出力を前記第３のレーザの前記出力と組み合わせ、第２の光出力信号を生成し、かつ前記第１の光出力信号と前記第２の光出力信号との間で干渉パターンを形成するように構成された合成光学系システムと
を備える、請求項１に記載の自己較正加速度計システム。
【請求項３】
前記信号ピックオフシステムが、前記検知軸の周りでの前記第１および第２のプルーフ・マスの回転を示す信号を生成するように構成された複数のコンデンサを備える、請求項１に記載の自己較正加速度計システム。
【請求項４】
前記第１および第２の質量変調加速度計が、ハンドル層と、二酸化ケイ素層と、デバイス層とを有するシリコン・オン・インシュレータウェハ内に形成され、前記第１および第２のプルーフ・マスと、前記第１および第２のフレクシャ懸架とが前記ハンドル層内に形成されており、
前記第１のプルーフ・マス内で前記第１の二次質量を支持するように構成された第１の座屈ビームフレクシャシステムと、
前記第１の二次質量がその第１の安定位置にあるように前記第１の座屈ビームフレクシャシステムを圧縮して保持するように構成された第１の１対の熱アクチュエータビームであって、前記圧縮を前記第１の座屈ビーム懸架から選択的に除去するように構成され、前記第１の二次質量をその第２の安定位置に移動させ、加速度に応答する前記第１のプルーフ・マスの前記極性のトルクを反転させ、一方、加速度で誘発されたものでないトルクは反転しない、第１の１対の熱アクチュエータビームと、
前記第２のプルーフ・マス内で前記第２の二次質量を支持するように構成された第２の座屈ビームフレクシャシステムと、
前記第２の二次質量がその第１の安定位置にあるように前記第２の座屈ビームフレクシャシステムを圧縮して保持するように構成された第２の１対の熱アクチュエータビームであって、前記圧縮を前記第２の座屈ビーム懸架から選択的に除去するように構成され、前記第２の二次質量をその第２の安定位置に移動させ、加速度に応答する前記第２のプルーフ・マスの前記極性のトルクを反転させ、一方、加速度で誘発されたものでないトルクは反転しない、第２の１対の熱アクチュエータビームと
を備える、請求項２または請求項３に記載の自己較正加速度計システム。
【請求項５】
前記ウェハ内に形成され、前記ウェハの平面内にある第１の検知軸に沿った加速度を測定するように構成された、請求項４に記載の第１の１対の質量変調加速度計と、
前記ウェハ内に形成され、前記ウェハの平面内にある、かつ前記第１の検知軸に対して垂直な第２の検知軸に沿った加速度を測定するように構成された、請求項４に記載の第２の１対の質量変調加速度計と、
前記ウェハ内に形成さ前記ウェハの平面に対して垂直な第３の検知軸に沿った加速度を測定するように構成された、請求項４に記載の第３の１対の質量変調加速度計と
をさらに備える、請求項４に記載の自己較正加速度計システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にナビゲーション機器に関し、詳細には、加速度計に関する。さらに詳細には、本発明は、絶えず変化する動作状況において、連続的に測定し、測定された加速度からバイアス誤差のあらゆる発生源を除去する加速度計に関する。
【背景技術】
【０００２】
振子式積分ジャイロ加速度計（ＰＩＧＡ）およびＳＦＩＲ（Specific Force Integrating Receiver）は、主に戦略ミサイル誘導システムで使用される、非常に高精度の加速度計である。振子式加速度計は、懸垂されたマスを変位させる加速度を変位の角度から決定することができるという原理に基づく。これらの加速度計は、従来の航法グレードの加速度計より１桁から２桁精度が高いバイアスおよびスケールファクタ性能を有する。ＰＩＧＡおよびＳＦＩＲは、一方、２桁高価であり、また信頼性がそれより低く、したがってライフサイクルコストが高い。改善された信頼性を有する振動ビーム加速度計（ＶＢＡ）など、代替の、より低いコストの加速度計が、２０年以上もの間、ＰＩＧＡおよびＳＦＩＲを置き換えるものとして、開発されている最中である。これらの代替の、戦略グレードの加速度計技術に、少なからぬ投資が引き続き行われているが、展開したい技術的な即応レベルに達しているものはない。
【０００３】
内部キャビティ長、したがってレーザの周波数が加速度の関数である、レーザジャイロスコープ技術に基づく様々なヘリウムネオンレーザ加速度計もまた、ＰＩＧＡおよびＳＦＩＲを置き換えるものとして過去に提案されている。一般に、キャビティ長をベースとするレーザ加速度計は、モードホッピングを回避するように１波長未満のプルーフ・マス変位で全加速度範囲を測定する。６３３ｎｍのレーザ波長については、キャビティ長の全範囲変位は、０．３２μｍ未満である。この変位は、重力加速度の２０倍の全範囲加速度に対応する。加速度計のダイナミックレンジは、１０７より大きいことが必要とされる。加速度計が２μｇ未満のバイアス安定性および繰返し性を有するために、キャビティ長は、温度全体にわたって、３×１０−１４メートル、または０．００００３Å未満に安定かつ繰り返し可能なものでなければならない。レーザ本体が、０．０２ｐｐｍ／℃と０．１ｐｐｍ／℃の間の熱膨張率を有する、かつキャビティ長が１０ｃｍであるＺｅｒｏｄｕｒなど、ある材料から作製される場合には、周囲温度変化のコモンモード除去を実現するために使用される２つのキャビティ間の温度勾配は、１．５×１０−５℃から３×１０−６℃未満であることを必要とすることになる。温度勾配に対する加速度計バイアスのこの極端な感受性は、従来のレーザ加速度計が、戦略応用分野に必要とされるバイアス安定性および繰返し性を満たさない主な理由の１つである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第４，５９９，８９６号
【特許文献２】米国特許第５，１４２，９２１号
【特許文献３】米国特許第６，５９１，０２７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明による自己較正半導体レーザ加速度計は、動的な動作条件下で、連続的に測定し、測定された加速度からバイアス誤差のあらゆる発生源を除去することにより、従来技術のバイアス制限を克服する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
絶えず変化する動作状況で、バイアス誤差を加速度測定から連続的に除去する自己較正レーザ加速度計システムは、フレームと、そのフレーム内で位置決めされた、１対の本質的に同一の質量変調加速度計とを備える。各加速度計は、フレクシャ懸架によって検知要素フレームに取り付けられたプルーフ・マスを含む。プルーフ・マスは、入力軸に沿った検知要素フレームの加速度に応答して、出力軸の周りで回転するように構成される。第１のプルーフ・マスは、第１のプルーフ・マスの質量変調をもたらすように、また入力軸に選択的に可逆の極性をもたらすように、またバイアスの自己較正をもたらすように、出力軸の第１の側の第１の安定位置と、出力軸の第２の側の第２の安定位置との間で移動可能である二次質量（secondary mass）を含む。
請求項１の発明は、動的な動作条件下で、バイアス誤差を加速度測定から連続的に除去する自己較正加速度計システムにおいて、フレームと、第１のフレクシャ懸架によって検知要素フレームに取り付けられた第１のプルーフ・マスを含む、前記フレーム内で位置決めされた第１の質量変調加速度計であって、前記第１のプルーフ・マスが、前記検知要素フレームの第１の入力軸に沿った加速度に応答して、出力軸の周りで回転するように構成され、前記第１のプルーフ・マスが、前記第１のプルーフ・マスの質量変調をもたらすように、また前記第１の入力軸に選択的に可逆の極性をもたらすように、またバイアスの自己較正をもたらすように、前記出力軸の第１の側の第１の安定位置と、前記出力軸の第２の側の第２の安定位置との間で移動可能である第１の二次質量を含む、第１の質量変調加速度計と、第２のフレクシャ懸架によって前記検知要素フレームに取り付けられた第２のプルーフ・マスを含む、前記フレーム内で位置決めされた第２の質量変調加速度計であって、前記第２のプルーフ・マスが、第２の入力軸に沿った前記検知要素フレームの加速度に応答して、前記出力軸の周りで回転するように構成され、前記第２のプルーフ・マスが
、前記第２のプルーフ・マスの質量変調をもたらすように、また前記第２の入力軸に選択的に可逆の極性をもたらすように、またバイアスの自己較正をもたらすように、前記出力軸の第１の側の第１の安定位置と、前記出力軸の第２の側の第２の安定位置との間で移動可能である第２の二次質量を含む、第２の質量変調加速度計と、前記検知要素フレーム内の前記第１および第２のプルーフ・マスの前記第１および第２の入力軸に沿った直線加速度を示す信号を送るように構成された信号ピックオフシステムとを備え、前記バイアスの自己較正のために、前記第１および第２の質量変調加速度計は、前記第１および第２の二次質量がそれらのそれぞれの安定位置にあるとき反対の極性を有するように構成される、自己較正加速度計システムである。
【０００７】
各加速度計は、キャビティ長が検知要素フレーム内のプルーフ・マスの角度位置によって決定される可変キャビティ長レーザをさらに含むことができる。その加速度計は、固定キャビティ長を有するレーザをさらに含む。各可変キャビティ長レーザからの光出力を、固定キャビティ長レーザからの光出力と組み合わせ、２つの干渉パターンを形成する。これらの干渉パターンにより、両方のレーザの組合せの光周波数差が２つの電気的な加速度計出力信号に変換される。
請求項２の発明は、前記信号ピックオフシステムが、前記検知要素フレーム内の前記第１のプルーフマスの角度位置によって決定される第１のキャビティ長を有する第１のレーザと、前記検知要素フレーム内の前記第２のプルーフ・マスの角度位置によって決定される第２のキャビティ長を有する第２のレーザと、第３のレーザに対する前記検知要素フレームの位置によって決定されるキャビティ長を有する第３のレーザと、前記第１のレーザの出力を前記第３のレーザの出力と組み合わせ、第１の光出力信号を生成するように構成され、さらに、前記第２のレーザの出力を前記第３のレーザの前記出力と組み合わせ、第２の光出力信号を生成し、かつ前記第１の光出力信号と前記第２の光出力信号との間で干渉パターンを形成するように構成された合成光学系システムとを備える、自己較正加速度計システムである。
固定キャビティ長レーザを使用し、２つの可変キャビティ長レーザと干渉パターンを形成することにより、機械的変形および周囲温度変化による、加速度で誘発されたものでない（non-acceleration induced）キャビティ長レーザの変化の１次コモンモード除去（ｆｉｒｓｔ  ｏｒｄｅｒ  ｃｏｍｍｏｎ  ｍｏｄｅ  ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ）が実現される。
【０００８】
質量変調加速度計は、ハンドル層と、二酸化ケイ素層と、デバイス層とを有するシリコン・オン・インシュレータウェハ内に形成され、第１および第２のプルーフ・マスと、第１および第２のフレクシャ懸架とがハンドル層内に形成されていることが好ましい。各二次質量は、座屈ビームフレクシャシステムによって、その対応するプルーフ・マス内で支持される。１対の熱アクチュエータビームは、二次質量がその第１の安定位置にあるように各座屈ビームフレクシャシステムを圧縮して保持するように構成され、熱アクチュエータビームは、圧縮を座屈ビームフレクシャ懸架から選択的に除去するように構成され、二次質量をその第２の安定位置に並進させ、加速度に応答する第１のプルーフ・マスの極性のトルクを反転させ、一方、加速度で誘発されたものでないトルクは反転しない。
請求項３の発明は、前記第１および第２の質量変調加速度計が、ハンドル層と、二酸化ケイ素層と、デバイス層とを有するシリコン・オン・インシュレータウェハ内に形成され、前記第１および第２のプルーフ・マスと、前記第１および第２のフレクシャ懸架とが前記ハンドル層内に形成されており、前記第１のプルーフ・マス内で前記第１の二次質量を支持するように構成された第１の座屈ビームフレクシャシステムと、前記第１の二次質量がその第１の安定位置にあるように前記第１の座屈ビームフレクシャシステムを圧縮して保持するように構成された第１の１対の熱アクチュエータビームであって、前記圧縮を前記第１の座屈ビーム懸架から選択的に除去するように構成され、前記第１の二次質量をその第２の安定位置に並進させ、加速度に応答する前記第１のプルーフ・マスの極性のトルクを反転させ、一方、加速度で誘発されたものでないトルクは反転しない、第１の１対の熱アクチュエータビームと、前記第２のプルーフ・マス内で前記第２の二次質量を支持するように構成された第２の座屈ビームフレクシャシステムと、前記第２の二次質量がその第１の安定位置にあるように前記第２の座屈ビームフレクシャシステムを圧縮して保持するように構成された第２の１対の熱アクチュエータビームであって、前記圧縮を前記第２の座屈ビーム懸架から選択的に除去するように構成され、前記第２の二次質量をその第２の安定位置に並進させ、加速度に応答する前記第２のプルーフ・マスの極性のトルクを反転させ、一方、加速度で誘発されたものでないトルクは反転しない、第２の１対の熱アクチュエータビームとを備える、自己較正加速度計システムである。
【０００９】
自己較正加速度計システムは、ウェハ内に形成され、ウェハの平面内にある第１の検知軸に沿って加速度を測定するように構成された、上述のような第１の１対の質量変調加速度計と、ウェハ内に形成され、ウェハの平面内にある、かつ第１の検知軸に対して垂直な第２の検知軸に沿って加速度を測定するように構成された、上述のような第２の１対の質量変調加速度計と、ウェハ内に形成され、ウェハの平面に対して垂直な第３の検知軸に沿って加速度を測定するように構成された、上述のような第３の１対の質量変調加速度計とをさらに含むことができる。
【００１０】
自己較正加速度計システムは、容量性信号ピックオフシステムを含むことができる。
また、自己較正加速度計システムは、前記信号ピックオフシステムが、前記検知軸の周りでの前記第１および第２のプルーフ・マスの回転を示す信号を生成するように構成された複数のコンデンサを備えることができる。
【００１１】
以下の本発明の詳細な説明は、戦略ミサイル誘導システムにおいてＰＩＧＡおよびＳＦＩＲに取って代わる可能性を有し、従来の航法グレードの慣性誘導システム用に、改善された性能を有する低コスト、低電力加速度計を提供する、高精度、高信頼性の自己較正半導体レーザ加速度計の、動作原理および構造について述べる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】入力軸が面外にあり、振子軸と出力軸が面内にある加速度計軸のグラフ図である。
【図１Ｂ】振子軸が面外にあり、入力軸と出力軸が面内にある加速度計軸のグラフ図である。
【図１Ｃ】検知要素の平面に対して垂直な入力軸（ＩＡ）を有する自己較正レーザ加速度計の概略図である。
【図１Ｄ】検知要素の平面内にその入力軸（ＩＡ）を有する自己較正レーザ加速度計の概略図である。
【図２Ａ】面外入力軸を有する、本発明による自己較正半導体レーザ加速度計のブロック図である。
【図２Ｂ】面内入力軸を有する、本発明による自己較正半導体レーザ加速度計のブロック図である。
【図３】多層シリコンダイ内に形成された、本発明の一実施形態を示す分解斜視図である。
【図４】図３に示されている、本発明に含めることができる検知要素の平面図である。
【図５】５Ａは、第１の双安定状態で二次質量を保持する座屈ビーム懸架システムの正面図である。５Ｂは、第２の双安定状態で二次質量を保持する座屈ビーム懸架システムの正面図である。
【図６Ａ】面外入力軸を有する、本発明による加速度計用の、二次質量をプルーフ・マスに接続する座屈ビーム懸架システムの平面図である。
【図６Ｂ】面内入力軸を有する、本発明による加速度計用の、二次質量をプルーフ・マスに接続する座屈ビーム懸架システムの平面図である。
【図７】本発明に含めることができる熱アクチュエータの平面図である。
【図８Ａ】面内入力軸を有する、本発明の一実施形態に含めることができる予荷重ラッチ機構および座屈ビーム懸架の図である。
【図８Ｂ】面外入力軸を有する、本発明の一実施形態に含めることができる予荷重ラッチ機構および座屈ビーム懸架の図である。
【図９】本発明に含めることができる合成光学系システムの図である。
【図１０】本発明に含めることができる合成光学系システムの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の構造上の特長および利点は、慣性測定技術において一般に使用される用語について説明した後で、よりよく理解することができる。入力軸（ＩＡ）に沿った直線加速度は、その入力軸に対して垂直な出力軸（ＯＡ）の周りでの、プルーフ・マスＭの角度変位によって測定される。振子軸は、出力軸に対して垂直な、また出力軸と交差するプルーフ・マスの質量中心を通る線である。正の方向は、出力軸からプルーフマスにかけて画定される。図１Ａは、面内振子軸、面内出力軸、面外入力軸を示す。図１Ｂを参照すると、振子軸ＰＡは面外であり、入力軸および出力軸は、直交しており、面内である。
【００１４】
図１Ｃは、フレーム１１と検知要素１２とを有する加速度計１０の概略図である。感度軸または入力軸ＩＡは、検知要素１２の平面に対して垂直である。検知要素１２は、出力軸である、横切る中心線の周りでの回転を可能にするフレクシャ（図１Ｃには図示せず）によって支持されたプレートとして形成することができる。図１Ｃにおける三角形の頂点は、この中心線を支点として示す。検知要素１２の質量中心（ＣＧ）は、懸架の中心線によって画定される回転軸の両側にある２つの安定位置ＣＧ１、ＣＧ２を有する。プルーフ・マス内の二次質量１４は、プレート１２と同面内で並進し、質量中心を２つの安定位置の間で左右に移動させる。質量中心の場所を変える能力が質量変調と呼ばれる。質量変調の原理は、米国特許第４，５９９，８９６号に記載されている。懸架の中心線の一方の側から他方の側に質量中心を再配置することにより、入力軸の極性が反転され、加速度計バイアスの自己較正が可能になる。入力軸に沿った加速を受けると、検知要素は、質量中心がＣＧ１位置にある状態で、中心線の周りで時計回りに、また質量中心がＣＧ２位置にある状態で、中心線の周りで反時計回りに回転する。検知要素１２の回転は、コンデンサＣ１、Ｃ２のキャパシタンスの変化を引き起こし、この変化を検出および使用し、加速度計１０のための信号ピックオフを形成することができる。加速度を決定するための好ましい方法は、米国特許第５，１４２，９２１号に記載されているパルス幅変調型電荷制御サーボを使用して、検知要素１２を静電力により再度釣り合わせることである。したがって、検知要素を再度釣り合わせるために必要とされる電気信号が加速度を示す。
【００１５】
図１Ｄは、その入力軸ＩＡが検知要素１６と同面内にある加速度計１５の概略図である。加速度計１５の極性を変化させるために、質量中心は、懸架の中心線の上方および下方の、２つの双安定位置間で垂直に移動される。質量中心の移動は、二次質量１７を上下に面外に移動させることによって行われる。検知要素１６は、図１Ｃを参照して上述したのと同じ仕方で、静電力により再度釣り合わされることが好ましい。
【００１６】
加速度計バイアスを誤差源として除去するための自己較正は、順次交番する極性を有する２つの加速度計による加速度の連続同時測定を含む。これらの２つの加速度計による加速度測定値を示す信号を組み合わせ、各加速度計のバイアスをゼロにし、かつ選択された検知軸に沿った加速度だけを示す信号を生成する。
【００１７】
図２Ａは、面外入力軸を有する、本発明による自己較正半導体レーザ加速度計システム２０の概略図である。自己較正半導体レーザ加速度計システム２０は、第１の質量変調プルーフ・マス加速度計２３で構成される第１の検知要素２２と、第２の質量変調プルーフ・マス加速度計２５で構成される第２の検知要素２４とを含む。第１および第２の質量変調プルーフ・マス加速度計２３、２５は、検知要素フレーム２６に取り付けられる。第１の質量変調プルーフ・マス加速度計と第２の質量変調プルーフ・マス加速度計は、それぞれミラー２８とミラー２９を含む。検知要素フレーム２６は、ミラー３０を含む。
【００１８】
ミラー２８〜３０は、それぞれ、対応する複数の半導体レーザＡ〜Ｃに面するように構成される。半導体レーザＡ〜Ｃは、それぞれ部分反射表面３６〜３８を含む。ミラー２８〜３０は、それぞれ半導体レーザＡ〜Ｃ用の外部キャビティＡ〜Ｃを画定するように、それぞれ部分反射表面３６〜３８から離隔される。半導体レーザＡ〜Ｃは、出力レーザビームＡ〜Ｃを、部分反射表面３６〜３８を介して合成光学系デバイス４０に送る。合成光学系デバイス４０は、半導体レーザＡおよび半導体レーザＢからの信号出力を組み合わせ、組み合わされた出力を光検出器４２に向けて送る。合成光学系デバイス４０は、半導体レーザＢおよび半導体レーザＣからの信号出力を組み合わせ、組み合わされた出力を光検出器４４に向けて送る。
【００１９】
図４に示されているように、質量変調プルーフ・マス加速度計２４は、対応する１対のフレクシャ５４、５６によって検知要素フレーム２６に対して支持された、好ましくは矩形のプレートとして形成された１対のプルーフマス５０、５２を含む。フレクシャ５４、５６は、プルーフ・マス５０、５２がそれらの懸架軸または出力軸の周りで回転することができるようにする。図２Ａでは、三角形５８、６０がこれらの出力軸を支点として示す。検知要素２２、２４の重心（ＣＧ）は、出力軸の各側に１つずつ、２つの安定位置ＣＧＡ、ＣＧＢを有するものとして示されている。これらの重心を出力軸の一方の側から他方の側に再配置することにより、入力軸（図２ＡにおけるＩＡ）の極性が反転され、加速度計バイアスの自己較正が可能になる。図２Ａの上と下に示されている外部キャビティ半導体レーザＡ、Ｃは、検知要素１、２の角度偏向を、それらのキャビティ長の変化として検知する。各レーザの周波数は、その対応する外部キャビティの長さの変化と共に変わり、キャビティ長が減少するにつれて周波数が増大する。レーザＡ、Ｃの個々の出力は、合成光学系４０内で、非加速度感受性のレーザＢの出力と組み合わされ、光検出器４２、４４に向けて送られる干渉パターンを形成する。これらの干渉パターンにより、両レーザの組合せＡ−ＢおよびＢ−Ｃに関する光周波数差が電気的な加速度計出力信号１、２に変換される。レーザＢを使用し、レーザＡおよびレーザＣと干渉パターンを形成することにより、機械的変形および周囲温度変化による、加速度で誘発されたものでないキャビティ長の変化の１次コモンモード除去が実現される。
【００２０】
図２Ｂは、図２Ａと同様であり、入力軸ＩＡ１、ＩＡ２がそれらの対応する検知要素に対して面内にあることが異なる自己較正半導体加速度計システム６１を示す。垂直な軸に沿った加速度を測定するように構成された２つの面内加速度計２０を面外軸上の加速度を測定するための加速度計６１と組み合わせることにより、３軸加速度計システムを形成することができる。
【００２１】
キャビティ長の変化（ΔＬ）に対するレーザ周波数の変化（Δｆ）は、式
【００２２】
【数１】
0004965604.tif 000002
によって与えられる。次に、
【００２３】
【数２】
0004965604.tif 000003
であるから、周波数変化は、
【００２４】
【数３】
0004965604.tif 000004
であり、上式で、
ｃ＝光の速度
λ＝光波の波長
【００２５】
【数４】
0004965604.tif 000005
Ｌ＝キャビティ長。
【００２６】
キャビティ長Ｌ＝７．５×１０−３ｍを有するレーザは、Δｆ＝１×１０１０Ｈｚを有することになる。±２０ｇ（ｇは重力加速度）の範囲を有する加速度計に関するスケールファクタは、１．０ＧＨｚ／ｇである。
【００２７】
加速度計バイアスの安定性および繰返し性は、０．１μｇから１．０μｇの範囲内にあることが望ましい。この要件は、単結晶シリコンまたは溶融石英など、非常に安定かつ繰り返し可能な弾性を有するフレクシャ材料と、非常に安定かつ繰り返し可能かつ線形のレーザピックオフとを使用することによって満たされる。また、一定の動作温度を維持することにより、スケールファクタの安定性および繰返し性を改善することができる。
【００２８】
従来、バイアス安定性および繰返し性は、満たすのが最も困難な要件であった。本発明による自己較正半導体レーザ加速度計システムは、連続的な動的測定、および測定された加速度からのバイアスの除去によって、バイアス性能を満たすように設計される。動的条件下でのバイアス自己較正は、順次交番する極性を有する２つの加速度計２３、２５による加速度の同時測定を必要とする。加速度計２３、２５の出力をデジタル信号プロセッサ（図示せず）内で処理し、実際の加速度を決定することができる。極性反転は、プルーフ・マス５０、５２の重心の位置を、先に指摘したように出力軸の両側間で交番させることによって行われる。
【００２９】
自己較正半導体レーザ加速度計センサシステム２０は、図３の分解斜視図に示されているように、３層を含むシリコンダイ６２として形成されることが好ましい。上層は、カバー６４である。中央層は、検知要素２２、２４を含む検知要素層６６である。下層は、光学ピックオフ１３を含む。自己較正半導体レーザ加速度計センサシステム２０の出力は、順次交番するスケールファクタ極性を有する加速度の２つの同時測定値である。これらの２つの加速度測定値は、測定された加速度のそれぞれからバイアスを連続的に測定および除去するカルマンフィルタで処理されることが好ましい。これらの２つの自己補償された加速度測定値は、２の平方根によって、ランダムウォークを低減するように平均される。
【００３０】
図３に示されている、自己較正半導体レーザ加速度計センサシステム２０のカバー６４は、直接ウェハ融着、またはハーメチックシールを形成するための他の好適な方法によって検知要素に接合される矩形のシリコンプレート６９であることが好ましい。また、カバー６４は、プルーフ・マス５０、５２を質量変調する際に使用される熱アクチュエータ（図３には図示せず）用のヒートシンクとして働く。熱アクチュエータは電流パルスによって急速に加熱されるものであり、熱伝導および放射によって急速に冷却されることを必要とする。
【００３１】
図４は、検知要素層６６の平面図である。検知要素層６６は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハから作製されることが好ましい。
【００３２】
図３に示されているように、ＳＯＩウェハは、３つの層、すなわちハンドル層７０と、二酸化ケイ素層７２と、デバイス層７４とを有する。本発明では、ハンドル層７０は、それぞれフレクシャ５４、５６によってフレーム２６に支持された２つのプルーフ・マス５０、５２を形成するようにパターニングおよびエッチングされる。二次質量７６、７８は、それぞれプルーフ・マス５０、５２内の、それぞれのキャビティ７７、７９内に位置する。二次質量７６、７８は、デバイス層７４内に形成される。二次質量７６、７８のそれぞれは、前述のように、２つの双安定位置間で移動可能である。二次質量７６、７８は、対応する座屈ビーム懸架システム８０、８２によって支持される。座屈ビーム懸架システム８０、８２は、それぞれ４つの座屈ビーム８３〜８６および座屈ビーム８７〜９０を含むように形成することができる。
【００３３】
座屈ビーム８３〜９０は、すべて同一であることが好ましく、したがって、本明細書では、座屈ビーム８３の構造だけが提示されている。図５Ａおよび図５Ｂは、面外入力軸、ならびに面内出力軸および面内振子軸用に構成された座屈ビーム８３を示す。図５Ａおよび図５Ｂを参照すると、座屈ビーム８３は、複数の懸架要素９１、９２と、コンプライアントな端受け９７、９８とを含むことができる。懸架要素９１、９２は、それぞれ可撓性部材９３、９４によって二次質量７６に接続される。可撓性部材９５は、コンプライアントな端受け９７を懸架要素９１に接続し、可撓性部材９６は、コンプライアントな端受け９８を懸架要素９２に接続する。図５Ａおよび図５Ｂに示されているように、座屈ビーム懸架システム８３は、二次質量７６を面内で、２つの双安定位置ＣＧＡ、ＣＧＢ間で移動させるように構成される。
【００３４】
図６Ａは、検知要素２２の平面に対して垂直な加速度に応答して信号を生成するように構成された検知要素２２を示す平面図である。二次質量７６は、プルーフ・マス５０の内部で、面内座屈ビーム８３〜８６によって吊られている。プルーフ・マス５０は、フレクシャ構成要素５４Ａ、５４Ｂを含むフレクシャ懸架５４によってフレーム２６に接続される。二次質量７６は、座屈ビーム８３〜８６が圧縮された状態で、双安定位置の一方ＣＧ１内で示されている。二次質量７６がＣＧ１位置にあるとき、二次質量７６の第１の端部７６Ａは、キャビティ７７の内壁部分７７Ａに隣接している。熱アクチュエータ（図６Ａには図示せず）が圧縮力を一時的に臨界座屈力未満に低減し、二次質量７６を他方の双安定位置に移動させる。圧縮力の除去後、二次質量は、図６Ａで左に移動したとき、その慣性により中立点を越えて第２の双安定位置ＣＧ２に運ばれ、第２の双安定位置ＣＧ２では、二次質量７６の端部７６Ｂがキャビティ７７の内壁部分７７Ｂに接触する。熱アクチュエータをオフにすると、圧縮力が再度確立され、次いでその圧縮力により、電流が熱アクチュエータに再び印加されるまで二次質量が他方の双安定位置で保持される。
【００３５】
双安定位置ＣＧ１、ＣＧ２は、フレクシャ５４Ａ、５４Ｂの中心を通る線によって画定される出力軸ＯＡの両側にある。検知要素の平面に対して垂直な加速度により、検知要素２２が、面内である出力軸ＯＡの周りで回転する。線ＯＡの周りの回転方向は、二次質量７６がそのＣＧ１位置にあるか、それともそのＣＧ２位置にあるかによって決まる。
【００３６】
図６Ｂは、検知要素２４の面内の加速度に対して感受性があるように構成された検知要素２４を示す。検知要素２４内に含まれる構成要素は、図６Ａの検知要素２２のものと同様である。その違いは、検知要素２４の平面に対する座屈ビーム８７〜９０の向きにある。図６Ｂは、二次質量７８がフレーム２６に対して面外に、中立の面内位置の上方および下方の双安定位置間で移動するように構成された座屈ビーム８７〜９０を有する。したがって、質量中心は、支持中心の上方または下方である。したがって、入力軸は、検知要素の平面内にあり、懸架の中心線および質量中心を含む平面に対して垂直である。上述のような面内検知軸を有する２つの検知要素および面外検知軸を有する１つの検知要素は、３軸直交系を形成するように構成することができる。
【００３７】
図７および図８Ａを参照すると、電流パルスにより、座屈ビーム８３〜９０に隣接する２重熱アクチュエータ１００が抵抗加熱される。２重熱アクチュエータ１００は、当技術分野で周知の仕方で、薄膜加熱デバイスとして形成することができる。アクチュエータビーム１０２〜１０５の一時的な熱膨張により、座屈ビーム８７〜９０に対する圧縮力が減少し、二次質量７６、７８が他方の双安定位置に並進する。好適な熱作動法の詳細な説明については、「Bi-stable Micro Actuator and Optical Switch」という名称の米国特許第６，５９１，０２７号を参照されたい。入力軸（ＩＡ）は検知要素の平面内にあり、重心が２つの双安定位置間で並進したとき、加速度に応答するプルーフ・マス５０、５２のそれぞれに対するトルクの極性は反転され、一方、加速度で誘発されたものでないトルク（バイアス）は反転しない。
【００３８】
図７は、本発明に含めることができる２重熱アクチュエータ１００の平面図である。熱アクチュエータ１００は、検知要素ＳＯＩウェハのデバイス層７４から作製される。２重熱アクチュエータ１００は、４つの領域を含む。２つの外側領域１０２、１０４は、ＳＯＩウェハの埋込み酸化物層を介して、ハンドル層７０内の検知要素フレーム２６に取り付けられる。ＳＯＩウェハの埋込み酸化物層を介して、２つの内側領域１０６、１０８は、プルーフ・マス７６に取り付けられ、２つの内側領域１１０、１１２は、検知要素２２のハンドル層７０内のプルーフ・マス７８に取り付けられる。電流パルスは、フレクシャ懸架５４、５６を介して、内側領域１０６、１０８、１１０、１１２に交互に印加される。図７における、矢印を有する破線は、熱アクチュエータ１００内の電流経路を示す。２重熱アクチュエータ１００は、検知要素２２、２４の極性を、約１０Ｈｚから５０Ｈｚで交番させることができる。電流パルスは、酸化物層によって検知要素フレーム２６から電気的に分離される。フレクシャ５４、５６と、熱アクチュエータ１００の内側領域１０６、１０８、１１０、１１２との間の電気接触は、当技術分野で周知の仕方で、メタライズされたビアを介して行われる。デバイス層７４の抵抗率および厚さ、ならびにカバー６４の間隙は、最小限の電圧で確実な動作が得られ、熱作動が最適なものとなるように選択される。
【００３９】
図８Ａは、図４の装置の一部分の拡大図である。図８Ａは、座屈ビーム懸架８３〜９０に予荷重を加えるのを容易にする４つの予荷重ラッチ機構１２４〜１２７のうちの１つを示す。図８Ａは、座屈ビーム懸架８３〜９０が面内入力軸に沿って加速度を検知するように構成される状況を表す。予荷重は、検知要素２２の平面に対して垂直に二次質量７６を偏向させるように力を加えることによって行われる。それにより、座屈ビーム懸架のコンプライアントな端受け９２は、端受け９２内の切り欠き１３０が熱アクチュエータビーム端受け（図示せず）内のラッチと係合するまで引き戻される。二次質量８０を偏向させる力が除去されたとき、熱アクチュエータビームは、圧縮された状態になり、座屈力が座屈ビーム懸架８４〜８７内で維持される。電流パルスによって熱アクチュエータビームを抵抗加熱することにより、ビームが延び、座屈力を臨界座屈荷重未満に低減させる。座屈ビーム懸架内の蓄えられた弾性エネルギーにより、二次質量が中立軸に向かって移動する。二次質量８０の運動量により、二次質量８０が中立軸を通過する。熱アクチュエータビームを冷却することにより、熱アクチュエータビームが収縮し、二次質量の新しい位置を維持するように限界座屈荷重（critical buckling load）を復元する。
【００４０】
図８Ｂは、図８Ａと同様であり、座屈ビーム８３〜９０が、面外入力軸に沿って加速度を検知するように構成されることが異なる。
【００４１】
図９は、本発明に含めることができる合成光学系アセンブリ１５６を示す。レーザアセンブリ１４０は、図８の場合と同様にレーザＡ〜Ｃを含む。レンズ１６０〜１６２は、それぞれレーザＡ〜Ｃから出力された光ビームを平行化し、平行化された光をシリカブロック１６３に向けて送る。シリカブロック１６３は、その両側に形成された回折格子１６４、１６５を含む。レーザビームＡ、Ｃは、シリカブロック１６３を通過し、回折格子１６４上に垂直入射する。レーザＢからの光ビームは回折格子１６５上に入射し、回折格子１６５は、レーザビームＢを２つの別々のビームに分割する。レーザビームＢの第１の部分は、回折格子１６４のところでレーザビームＡと組み合わされ、回折格子１６４を通過し光検出器４２に至る干渉パターンを形成する。レーザビームＢの第２の部分は、回折格子１６４のところでレーザビームＣと組み合わされ、回折格子１６４を通過し光検出器４４に至る別の干渉パターンを形成する。
【００４２】
図１０は、本発明に含めることができる光学系合成アセンブリの代替の実施形態１６８を示す。レーザビームＡ、Ｂは、シリカブロック１７６上に形成された回折格子１７４上に入射し、回折格子１７８のところで組み合わされ、光検出器４２によって検出される干渉パターンを形成する。レーザビームＣは、シリカブロック１７６から回折格子１７８に伝播する。レーザビームＢは、回折格子１７４のところで分割され、その結果、その一部分が、レーザビームＣと組み合わされるように偏向され、光検出器４４によって検出される干渉パターンを形成する。
【符号の説明】
【００４３】
Ａ，Ｂ，Ｃ  半導体レーザ、レーザビーム
Ｃ１，Ｃ２  コンデンサ
ＣＧ１，ＣＧ２，ＣＧＡ，ＣＧＢ  安定位置
ＩＡ，ＩＡ１，ＩＡ２  入力軸
Ｍ  プルーフ・マス
ＯＡ  出力軸
ＰＡ  振子軸
１０  加速度計
１１  フレーム
１２  検知要素、プレート
１３  光学ピックオフ
１４  二次質量
１５  加速度計
１６  検知要素
１７  二次質量
２０  自己較正半導体レーザ加速度計システム、面内加速度計
２２  第１の検知要素
２３  第１の質量変調プルーフ・マス加速度計
２４  第２の検知要素、質量変調プルーフ・マス加速度計
２５  第２の質量変調プルーフ・マス加速度計
２６  検知要素フレーム
２８，２９，３０  ミラー
３６，３７，３８  部分反射表面
４０  合成光学系デバイス
４２，４４  光検出器
５０，５２  プルーフ・マス
５４  フレクシャ、フレクシャ懸架、プルーフ・マス
５４Ａ，５４Ｂ，５６  フレクシャ
５８，６０  三角形
６１  自己較正半導体加速度計システム、加速度計
６２  シリコンダイ
６４  カバー
６６  検知要素層
６９  シリコンプレート
７０  ハンドル層
７２  二酸化ケイ素層
７４  デバイス層
７６  二次質量、プルーフ・マス
７６Ａ，７６Ｂ  端部
７７  キャビティ
７７Ａ，７７Ｂ  内壁部分
７８  二次質量
７９  キャビティ
８０  座屈ビーム懸架システム、二次質量
８２  座屈ビーム懸架システム
８３  座屈ビーム
８４，８５  座屈ビーム、座屈ビーム懸架
８６，８７，８８，８９，９０  座屈ビーム
９１，９２  懸架要素
９３，９４  可撓性部材
９５，９６  可撓性部材
９７，９８  端受け
１００  ２重熱アクチュエータ
１０２  アクチュエータビーム、外側領域
１０３  アクチュエータビーム
１０４  アクチュエータビーム、外側領域
１０５  アクチュエータビーム
１０６，１０８，１１０，１１２  内側領域
１２４，１２５，１２６，１２７  予荷重ラッチ機構
１３０  切り欠き
１４０  レーザアセンブリ
１５６  合成光学系アセンブリ
１６０，１６１，１６２  レンズ
１６３  シリカブロック
１６４，１６５  回折格子
１６８  合成光学系アセンブリ
１７４  回折格子
１７６  シリカブロック
１７８  回折格子
【図１Ａ】
0004965604.tif 000006
【図１Ｂ】
0004965604.tif 000007
【図１Ｃ】
0004965604.tif 000008
【図１Ｄ】
0004965604.tif 000009
【図２Ａ】
0004965604.tif 000010
【図２Ｂ】
0004965604.tif 000011
【図３】
0004965604.tif 000012
【図４】
0004965604.tif 000013
【図５】
0004965604.tif 000014
【図６Ａ】
0004965604.tif 000015
【図６Ｂ】
0004965604.tif 000016
【図７】
0004965604.tif 000017
【図８Ａ】
0004965604.tif 000018
【図８Ｂ】
0004965604.tif 000019
【図９】
0004965604.tif 000020
【図１０】
0004965604.tif 000021