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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-03-21
(54)【発明の名称】慣性センサおよび慣性測定ユニット
(51)【国際特許分類】
G01C 19/66 20060101AFI20240313BHJP
【ＦＩ】
G01C19/66
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023558383
(86)(22)【出願日】2022-03-30
(85)【翻訳文提出日】2023-11-10
(86)【国際出願番号】 GB2022050806
(87)【国際公開番号】W WO2022208090
(87)【国際公開日】2022-10-06
(31)【優先権主張番号】2104629.7
(32)【優先日】2021-03-31
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】523359582
【氏名又は名称】ゼロ・ポイント・モーション・リミテッド
【氏名又は名称原語表記】Ｚｅｒｏ Ｐｏｉｎｔ Ｍｏｔｉｏｎ Ｌｔｄ
(74)【代理人】
【識別番号】100145403
【弁理士】
【氏名又は名称】山尾 憲人
(74)【代理人】
【識別番号】100189555
【弁理士】
【氏名又は名称】徳山 英浩
(74)【代理人】
【識別番号】100125922
【弁理士】
【氏名又は名称】三宅 章子
(72)【発明者】
【氏名】リィ，インリア
【テーマコード（参考）】
2F105
【Ｆターム（参考）】
2F105DD07
2F105DE01
2F105DE05
2F105DE21
(57)【要約】
慣性センサおよび慣性測定ユニットが提供される。一例では、慣性センサは１つ以上の微小共振器を備え、各微小共振器は対応する光共振をサポートする。慣性センサは、１つ以上の微小共振器に隣接するとともに１つ以上の微小共振器と非連続に吊り下げられた微小電気機械慣性試験質量体をさらに備える。試験質量体は、慣性力の印加下で撓み可能である。慣性センサは、試験質量体の撓みを静電気力で打ち消すための１つ以上の電極をさらに備える。慣性センサは、対応する微小共振器に入る光およびその微小共振器から出る光を結合する１つ以上の光カプラをさらに備える。慣性センサは、１つ以上の光カプラが１つ以上の微小共振器から受け取った光を検出するための１つ以上の検出器をさらに備える。試験質量体と少なくとも１つの微小共振器との間隔の変化によって、その微小共振器の光共振特性が変化する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
１つ以上の微小共振器であり、各微小共振器は対応する光共振をサポートする、１つ以上の微小共振器と、１つ以上の前記微小共振器に隣接するとともに１つ以上の前記微小共振器と非連続に吊り下げられ、慣性力の印加下で撓み可能な微小電気機械慣性試験質量体と、
前記試験質量体のたわみを静電気力で打ち消すための１つ以上の電極と、
対応する微小共振器に入る光および前記対応する微小共振器から出る光を結合するための１つ以上の光カプラと、
１つ以上の前記光カプラが１つ以上の前記微小共振器から受け取った光を検出するための１つ以上の検出器と、を備え、
前記試験質量体と少なくとも１つの微小共振器との間の間隔の変化によって、その微小共振器の光共振特性が変化する、慣性センサ。
【請求項2】
前記試験質量体は、各微小共振器よりも厚い、請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項3】
前記試験質量体は、１ミクロン以上の平均厚さを有する、請求項１または２に記載の慣性センサ。
【請求項4】
前記試験質量体は、数十または数百ミクロンのオーダーの平均厚さを有する、請求項１から３のいずれか１つに記載の慣性センサ。
【請求項5】
前記試験質量体と１つ以上の前記微小共振器のそれぞれとの間の距離が１ミクロン以下である、請求項１から４のいずれか１つに記載の慣性センサ。
【請求項6】
前記慣性センサが、少なくとも２つの微小共振器、少なくとも２つの光カプラ、および少なくとも２つの検出器を備え、前記試験質量体と前記２つの微小共振器のうちの第１の微小共振器との間の第１の間隔の変化、および、前記試験質量体と前記２つの微小共振器のうちの第２の微小共振器との間の第２の間隔の変化が、前記２つの微小共振器の光共振特性の差動変化を生じさせる、請求項１から５のいずれか１つに記載の慣性センサ。
【請求項7】
前記試験質量体が、第１の微小共振器と第２の微小共振器との間に吊り下げられている、請求項１から６のいずれか１つに記載の慣性センサ。
【請求項8】
前記試験質量体は、第１の微小共振器と第２の微小共振器との間に位置する突出部を有する、請求項１から７のいずれか１つに記載の慣性センサ。
【請求項9】
前記試験質量体は、１つ以上の追加の突出部をさらに含み、１つ以上の前記追加の突出部は、それぞれ、２つの微小共振器の間に位置する、請求項８に記載の慣性センサ。
【請求項10】
少なくとも２つの前記電極は、それぞれ、前記慣性センサに対して静止したフィンガー部を含み、前記試験質量体は、前記慣性センサに対して可動であるフィンガー部を含み、
前記試験質量体のフィンガー部および少なくとも２つの前記電極のフィンガー部がインターディジット状になるように、前記試験質量体の前記可動のフィンガー部が、少なくとも２つの前記電極の前記静止したフィンガー部の間に位置する、請求項１から９のいずれか１つに記載の慣性センサ。
【請求項11】
１つ以上の前記微小共振器は、前記試験質量体から半径方向に離れている、請求項１から１０のいずれか１つに記載の慣性センサ。
【請求項12】
１つ以上の前記電極および／または１つ以上の前記微小共振器は、前記慣性センサに対して相対的に固定されている、請求項１から１１のいずれか１つに記載の慣性センサ。
【請求項13】
前記慣性センサは、加速度または回転速度を検出するためのものである、請求項１から１２のいずれか１つに記載の慣性センサ。
【請求項14】
１つ以上の前記微小共振器は、ウィスパリングギャラリーモード共振器である、請求項１から１３のいずれか１つに記載の慣性センサ。
【請求項15】
前記試験質量体は、１つ以上の前記微小共振器のそれぞれよりも大きい、請求項１から１４のいずれか１つに記載の慣性センサ。
【請求項16】
１つ以上の前記電極は、前記慣性センサの長期安定性を制御するために使用される、請求項１から１５のいずれか１つに記載の慣性センサ。
【請求項17】
１つ以上の前記光カプラのそれぞれに光を伝送するための光源をさらに備える、請求項１から１６のいずれか１つに記載の慣性センサ。
【請求項18】
１つ以上の前記光カプラのそれぞれに伝送される光が広帯域光である、請求項１から１７のいずれか１つに記載の慣性センサ。
【請求項19】
１つ以上の前記光カプラのそれぞれに伝送される光は、コヒーレントな単一周波数光である、請求項１から１７のいずれかに記載の慣性センサ。
【請求項20】
前記光共振特性の変化は、前記光共振のシフトおよび／または前記光共振の広帯域化である、請求項１から１９のいずれか１つに記載の慣性センサ。
【請求項21】
１つ以上の前記微小共振器がそれぞれ異なる光共振を有する、請求項１から２０のいずれか１つに記載の慣性センサ。
【請求項22】
請求項１から２１のいずれか１つに記載の慣性センサを１つ以上と、プロセッサと、を備える慣性測定ユニットであって、前記プロセッサは、各慣性センサについて、
１つ以上の前記検出器から電気信号を受信し、
前記試験質量体と１つ以上の前記微小共振器との間の間隔の変化に応答した１つ以上の前記微小共振器の光共振特性の変化を検出し、
１つ以上の前記微小共振器の光共振特性の変化に基づいて、前記慣性センサの加速度および／または回転速度を決定し、および、
１つ以上の前記微小共振器の光共振特性の変化に基づいて、１つ以上の前記電極の静電気力を制御する、ように構成されている、慣性測定ユニット。
【請求項23】
請求項１から２１のいずれか１つに記載の慣性センサを６つ備え、前記６つの慣性センサは、
第１軸における加速度を検出するための第１の慣性センサと、
前記第１軸に垂直な第２軸における加速度を検出するための第２の慣性センサと、
前記第１軸および前記第２軸に直交する第３軸における加速度を検出するための第３の慣性センサと、
前記第１軸まわりの回転速度を検出するための第４の慣性センサと、
前記第２軸まわりの回転速度を検出するための第５の慣性センサと、
前記第３軸まわりの回転速度を検出するための第６の慣性センサと、を含み、
前記プロセッサはさらに、各慣性センサの前記加速度および／または前記回転速度に基づいて、前記慣性測定ユニットの総加速度および／または総回転速度を計算するように構成されている、請求項２２に記載の慣性測定ユニット。
【請求項24】
１つ以上の前記電極のうちの１つの電極の静電気力の制御は、対応する微小共振器の光共振特性の変化に基づいて行われる、請求項２２または２３に記載の慣性測定ユニット。
【請求項25】
回転速度を検出するための各慣性センサについて、前記プロセッサは、１つ以上の前記電極の静電気力を制御して、前記試験質量体を第１の方向に固定周波数で振動させるように構成されており、１つ以上の前記微小共振器の光共振特性の変化の検出は、前記固定周波数における前記第１の方向に垂直な第２の方向における前記試験質量体と１つ以上の前記微小共振器との間の間隔の変化に応答して行われる、請求項２２から２４のいずれか１つに記載の慣性測定ユニット。
【請求項26】
前記プロセッサはさらに、各電極の静電気力を変化させ、各微小共振器の光共振特性の変化を検出することにより、各慣性センサを較正するように構成されている、請求項２２から２５のいずれか１つに記載の慣性測定ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、一般に慣性センサおよび慣性測定ユニットに関する。
【背景技術】
【0002】
モバイルデバイスの機能および性能が向上し続けるにつれて、モバイルデバイスは、モバイルデバイスの位置を決定するための少なくとも１つの微小電気機械システム（micro-electro-mechanical system、ＭＥＭＳ）慣性センサを含むことが多くなっている。
【発明の概要】
【0003】
加速度センサやジャイロスコープなどのＭＥＭＳ慣性センサは、慣性力に応じて動く試験質量体の変位から慣性力の有無および大きさを決定することによって動作する。この変位は、可動の試験質量体と固定された電極との間のギャップを変化させ、静電容量の変化を生じさせる。静電容量の変化は、慣性力を決定するために検出される。しかしながら、これらのセンサには、例えば製造上の不完全性、試験質量体の応答における非線形性、寄生容量、パッチ電位などに起因して、過大なノイズやドリフトが発生しやすい。ノイズやドリフトの物理的な原因を打ち消すために、静電気力を用いて試験質量体の動きを規制してもよい。しかし、静電気力自体が、センサの電気回路や試験質量体表面の寄生容量や浮遊容量を含むノイズを引き起こす。静電気力によって引き起こされるノイズは、容量読み出し（capacitive readout）を妨げ、出力信号にさらなるノイズを加える可能性がある。ただし、静電作動（静電駆動）によるノイズ寄与は、一般的に容量読み出しのノイズ寄与よりも低い。さらに、容量読み出しは、静電気力を用いた作動を妨げる。静電気力および容量読み出しの両方によるノイズ寄与は、上記のような慣性センサの精度および感度を低下させる。
【0004】
本発明の実施形態の目的は、当該技術分野で知られている１つ以上の問題を少なくとも軽減することである。
【0005】
本発明の一態様によれば、慣性センサが提供される。慣性センサは、１つ以上の微小共振器（microresonator）を備え、各微小共振器は対応する光共振をサポートする。慣性センサは、１つ以上の微小共振器に隣接するとともに１つ以上の微小共振器と非連続に吊り下げられた微小電気機械慣性試験質量体をさらに備える。試験質量体は、慣性力がかかると撓み可能（deflectable）である。慣性センサは、試験質量体の撓みを静電気力で打ち消すための１つ以上の電極をさらに備える。慣性センサは、対応する微小共振器に入る光および前記対応する微小共振器から出る光を結合するための１つ以上の光カプラをさらに備える。慣性センサは、１つ以上の光カプラが１つ以上の微小共振器から受け取った光を検出するための１つ以上の検出器をさらに備える。試験質量体と少なくとも１つの微小共振器との間の間隔の変化によって、その微小共振器の光共振特性に変化が生じる。
【0006】
電子工学、機械工学、光学工学を統合したデバイスの製造は困難で時間がかかり、特に電子部品と光学部品の間に複数の接続が必要な場合、デバイスが大型化し得るというのが一般的な見解である。このようなデバイスを設計・製造するには、相当数の複雑な工程が必要となる。このような理由から、また、他の考慮事項（フォトニック構造と電気機械構造のサイズの非互換性、フォトニック構造と電気機械構造の一体型を作成するために必要なすでに複雑な製造など）によって、現在の慣性センサは、純粋に電気機械的であるか、純粋に光学的である。純粋に電気機械的な慣性センサ（読み出しおよび作動（actuation）の両方が電極を使用して行われる）を、純粋に光学的な慣性センサ（読み出しおよび作動の両方が光学的手段を使用して行われる）に置き換えることで、容量読み出しに関する上述の欠点を取り除くことができる。また、光学的な作動を使用することで、試験質量体の動きを規制することができる。
【0007】
上記の理由から、光学センサの構成部品と電気機械センサの構成部品とを組み合わせることには偏見がある。しかしながら、本発明者は、発明技術を駆使して、共振器増強（cavity enhanced）光学機械読み出し機構と静電駆動（electrostatic actuation）とを組み合わせた慣性センサを提供した。本発明者はまた、共振器増強光学機械読み出し機構と試験質量体の静電駆動との組み合わせが、純粋に電気機械的な慣性センサや純粋に光学的な慣性センサよりも大きな利点をもたらすという驚くべき認識に至った。特に、試験質量体の作動にのみ電圧を利用し、検知には電圧を利用しないことで、ノイズを大幅に低減することができ、その結果、センサの感度を向上させることができる。
【0008】
また、電圧を用いると、大きな試験質量体を効果的かつ効率的に作動させることができるので、作動に電圧を用いることで、高い光出力を必要とせずに、大きな試験質量体を使用することが可能になる。これは、作動用の光学的手段を有する慣性センサを用いる場合には不可能である。なぜなら、光学的手段を使用して作動させるためには、試験質量体を小さく薄くする必要があるからである。大きな試験質量体、特に厚い試験質量体は、高い機械的感度を有するので、慣性力に対してより大きく、より高感度の機械的応答が得られるので有利である。さらに、光学機械読み出し機構に共振光を使用すると、試験質量体の運動によって共振条件がシフトし、ノイズを増幅せずに信号を増幅させるので、感度がさらに向上する。
【0009】
慣性センサにおいて、（１つ以上の微小共振器と１つ以上の光カプラを用いて）試験質量体の変位を光学機械的に検知することと、（１つ以上の電極を用いて）試験質量体を静電的に作動させることとを組み合わせることで、試験質量体のサイズに妥協することなく、容量検知に基づく慣性センサと比較して、感度が高められ、信号対雑音比が改善されたハイブリッド光学－電気－機械センサが得られる。このようなセンサは、慣性力に対する大きな機械的応答のための大きな試験質量体を作動させる能力を保持する。
【0010】
慣性センサのハイブリッドな性質によって、すべての光学センサでは不可能であった感度の向上および応答性（レスポンス）の向上の両方を実現することができる。このような応答性の向上は、センサ感度の調整または較正（キャリブレーション）を効果的に行うために重要である。実際、試験質量体を十分に作動させることにより、閉ループ動作を効果的に実施することができるので、試験質量体のドリフト（例えば熱誘起ドリフト）や試験質量体の非線形応答をよりよく制御することができる。従って、センサに位置決め誤差が発生しにくくなる。本明細書で説明する慣性センサは、極めて低ノイズの測定値を生成することができ、ごくわずかな位置の変化も追跡することができる。
【0011】
光読み出し機構と閉ループ動作との組み合わせにより、感度、制御、長期安定性の最適なバランスを実現し、必要な測定を達成するために精密に制御可能な高感度で安定した慣性センサが提供される。
【0012】
試験質量体は１ミクロン以上の平均厚さを有してもよい。
【0013】
試験質量体は、数十または数百ミクロンのオーダーの平均厚さを有してもよい。
【0014】
試験質量体は微小共振器より大きく、例えば厚くてもよい。試験質量体は１０ミクロン以上の平均厚さを有していてもよい。試験質量体は５００ミクロン未満の平均厚さを有していてもよい。試験質量体は、２０ミクロンと３０ミクロンとの間の平均厚さを有してもよい。試験質量体は微小共振器よりかなり大きくてもよい。試験質量体は微小共振器よりも著しく厚く、例えば１００倍厚くてもよい。試験質量体は微小共振器よりも大きな表面積を有していてもよい。試験質量体の表面積は、１ミリメートル×１ミリメートル未満であってもよい。試験質量体の表面積は約２５０ミクロン×２５０ミクロンであってもよい。微小共振器の直径は約１００ミクロンであってもよい。試験質量体のサイズが大きいと、センサの加速度や回転速度に対する応答性が向上する。
【0015】
試験質量体と１つ以上の微小共振器との間の距離は、１ミクロン以下であってもよい。この距離は、慣性センサが静止しているとき、すなわち試験質量体のたわみがないときの距離であってもよい。試験質量体を１つ以上の微小共振器から近い距離内に設けると、応答のスケールファクタが大きくなり、検出された慣性力が同じ量であれば、出力される光信号の変化が大きくなる。
【0016】
慣性センサは、少なくとも２つの微小共振器、少なくとも２つの光カプラ、および少なくとも２つの検出器を備えてもよい。試験質量体と２つの微小共振器のうちの第１の微小共振器との間の第１の間隔の変化、および試験質量体と２つの微小共振器のうちの第２の微小共振器との間の第２の間隔の変化によって、２つの微小共振器の光共振特性の差動変化を生じさせることができる。
【0017】
試験質量体は、第１の微小共振器と第２の微小共振器との間に吊り下げられていてもよい。
【0018】
試験質量体は、第１の微小共振器と第２の微小共振器との間に位置する突出部を有してもよい。突出部は、第１および／または第２の微小共振器から脱した光子を導く光チャネルとして機能してもよい。これにより、光子が突出部によって吸収または透過されるため、センサの感度が向上する。
【0019】
試験質量体は１つ以上の追加の突出部をさらに含んでもよい。１つ以上の追加の突出部は、それぞれ、２つの微小共振器の間に位置する。
【0020】
少なくとも２つの電極は、それぞれ、センサに対して静止したフィンガー部を含んでもよい。試験質量体は、慣性センサに対して可動であるフィンガー部を含んでもよい。試験質量体の可動のフィンガー部は、少なくとも２つの電極の静止したフィンガー部の間に位置し、試験質量体のフィンガー部と少なくとも２つの電極のフィンガー部とがインターディジット状に（互いにかみ合うように）なっていてもよい。
【0021】
試験質量体のフィンガー部の動きは試験質量体の運動と強く結合しており、フィンガー部の動きが試験質量体全体の動きにつながる。したがって、電極の静止したフィンガー部は、試験質量体のフィンガー部の動きを制御するために使用され、結果として試験質量体の動きを制御する。試験質量体のフィンガー部は、試験質量体に対して静止するように、試験質量体と一体であってもよいし、試験質量体に硬く固定されていてもよい。あるいは、試験質量体のフィンガー部は、例えばカンチレバーモードのように、それ自身の機械的自由度を有していてもよい。試験質量体のフィンガー部は、試験質量体全体の位置を移動または維持するためにのみ使用されるように配置されていてもよい。
【0022】
１つ以上の微小共振器は、試験質量体から半径方向に離れていてもよい。
【0023】
１つ以上の電極および／または１つ以上の微小共振器は、慣性センサに対して相対的に固定されていてもよい。
【0024】
慣性センサは、加速度または回転速度を検出するためのものであってもよい。
【0025】
１つ以上の微小共振器は、ウィスパリングギャラリーモード共振器であってもよい。
【0026】
１つ以上の微小共振器は、それぞれ、使用時にその微小共振器の縁部を越えて延びるエバネッセント場を有してもよい。エバネッセント場が微小共振器の縁部を超えて延びる量は、光カプラに結合される光の波長の大きさに基づいてもよい。エバネッセント場は、使用時にその微小共振器の縁部を越えて少なくとも１ミクロン延びていてもよい。これにより、光カプラに結合される光の波長が１５５０ｎｍである場合に、特に効果的なセンサが得られる。
【0027】
試験質量体は、１つ以上の微小共振器のそれぞれよりも大きくてもよい。
【0028】
１つ以上の電極は、慣性センサの長期安定性を制御するために使用されてもよい。
【0029】
慣性センサは、１つ以上の光カプラのそれぞれに光を伝送するための光源をさらに備えてもよい。
【0030】
１つ以上の光カプラのそれぞれに伝送される光は、広帯域光であってもよい。
【0031】
１つ以上の光カプラのそれぞれに伝送される光は、コヒーレントな単一周波数光であってもよい。
【0032】
光共振特性の変化は、光共振のシフトおよび／または光共振の広帯域化であってもよい。
【0033】
１つ以上の微小共振器は、それぞれ異なる光共振を有してもよい。
【0034】
本発明の別の態様によれば、慣性測定ユニットが提供される。慣性測定ユニットは、本明細書に記載の慣性センサを１つ以上と、プロセッサとを備える。プロセッサは、各慣性センサについて、１つ以上の検出器から電気信号を受信するように構成される。プロセッサはさらに、各慣性センサについて、試験質量体と１つ以上の微小共振器との間の間隔の変化に応答して、１つ以上の微小共振器の光共振特性の変化を検出するように構成される。プロセッサはさらに、各慣性センサについて、１つ以上の微小共振器の光共振特性の変化に基づいて、慣性センサの加速度および／または回転速度を決定するように構成される。プロセッサはさらに、各慣性センサについて、１つ以上の微小共振器の光共振特性の変化に基づいて、１つ以上の電極の静電気力を制御するように構成される。
【0035】
慣性測定ユニットは、本明細書に記載の慣性センサを６つ備えてもよい。６つの慣性センサは、第１軸における加速度を検出するための第１の慣性センサと、第１軸に垂直な第２軸における加速度を検出するための第２の慣性センサと、第１軸および第２軸に垂直な第３軸における加速度を検出するための第３の慣性センサと、第１軸まわりの回転速度を検出するための第４の慣性センサと、第２軸まわりの回転速度を検出するための第５の慣性センサと、第３軸まわりの回転速度を検出するための第６の慣性センサと、を備える。プロセッサはさらに、各慣性センサの加速度および／または回転速度に基づいて、慣性測定ユニットの総加速度および／または総回転速度を計算するように構成されてもよい。
【0036】
１つ以上の電極のうちの１つの電極の静電気力の制御は、対応する微小共振器の光共振特性の変化に基づいて行われてもよい。
【0037】
回転速度を検出するための各慣性センサについて、プロセッサは、１つ以上の電極の静電気力を制御して、第１の方向に一定の周波数（固定周波数）で試験質量体を振動させるように構成されていてもよい。１つ以上の微小共振器の光共振特性の変化の検出は、固定周波数で第１の方向に垂直な第２の方向における試験質量体と１つ以上の微小共振器との間の間隔の変化に応答して行われてもよい。
【0038】
プロセッサは、各電極の静電気力を変化させ、各微小共振器の光共振特性の変化を検出することにより、各慣性センサを較正するようにさらに構成されてもよい。
【0039】
本明細書に記載された発明が関連する当業者であれば、本明細書に提示された教示に照らして、これらの発明の多くの変更および他の実施形態を思いつくであろう。したがって、本明細書の開示は、本明細書に開示された特定の実施形態に限定されるものではないことが理解されよう。さらに、本明細書で提供される説明は、要素の特定の組み合わせの文脈において例示的な実施形態を提供するが、ステップおよび／または機能は、本発明の範囲から逸脱することなく、代替的な実施形態によって提供され得る。
【図面の簡単な説明】
【0040】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して例示的にのみ説明する。
【図1】例示的な慣性センサを示す図である。
【図2】例示的な慣性センサの光学機械エレメントおよび出力例を示す図である。
【図3】例示的な慣性センサの特性変化の一例を示すグラフである。
【図4】フローチャートの一例を示す図である。
【図5】加速前および加速中における例示的な慣性センサの光学機械エレメントおよび出力例を示す図である。
【図6】加速度を測定するための例示的な慣性センサを示す図である。
【図7】慣性センサが加速度を検出するものである場合に使用される制御ループフィードバックシステムを示す図である。
【図8】回転前および回転中における例示的な慣性センサの光学機械エレメントおよび出力例を示す図である。
【図9】回転速度（rate of rotation）を測定するための例示的な慣性センサを示す図である。
【図10】回転速度を測定するための別の例の慣性センサを示す図である。
【図11】慣性センサが回転速度を検出するものである場合に使用される制御ループフィードバックシステムを示す図である。
【図12】例示的な慣性測定ユニットのブロック図である。
【0041】
説明および図面を通して、同様の参照数字は同様の部品を指す。
【発明を実施するための形態】
【0042】
以下に様々な実施形態について説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、これらの実施形態の変形は、特許請求の範囲によってのみ限定される本発明の範囲内に当然含まれ得る。
【0043】
以下では、慣性センサについて説明する。加速度センサおよびジャイロスコープが例示されているが、当業者には理解されるように、本明細書で説明する慣性センサは、さらに幅広く適用可能である。
【0044】
詳細な説明を読めば理解されるように、微小共振器は、光共振をサポートする閉回路物である。微小共振器が光共振をサポートするとは、微小共振器の閉回路に入射する光が、微小共振器内での建設的干渉（constructive interference）と全内部反射により、少なくとも１つの共振周波数で増幅されることを意味する。微小共振器の材料の例としては、シリコン、シリカ、窒化シリコン、結晶性フッ化物が挙げられる。微小共振器の直径の例は、数ミクロンから数百ミクロンの範囲である。
【0045】
詳細な説明を読めば理解されるように、試験質量体（テストマス）とは、ＭＥＭＳセンサで使用するための機械的構造体を指す。試験質量体の材料の例としては、シリコン、石英が挙げられる。
【0046】
詳細な説明を読めば理解されるように、光カプラは、微小共振器に入る光および微小共振器から出る光を結合する手段である。光カプラは導波路であってもよい。光カプラは導波路に取り付けられていてもよい。光カプラは、光源から微小共振器内に光を導いてもよい。光カプラは、微小共振器から検出器に光を導いてもよい。光カプラは、埋設導波路、リッジ導波路、またはリブ導波路であってもよい。光カプラは微小共振器と同時に作製されてもよい。
【0047】
詳細な説明を読めば理解されるように、光共振特性の変化とは、光共振の特性のあらゆる変化である。光共振特性の変化は、光共振特性の線形の変化、例えばピーク振幅の低減であってもよい。光共振特性の変化は、光共振の位置の変化であってもよい。
【0048】
図１は、例示的な慣性センサ１００を示す図である。慣性センサ１００は、光共振をサポートする微小共振器１０２を備える。慣性センサ１００は、微小電気機械（micro-electro-mechanical）慣性試験質量体１０４をさらに備える。試験質量体１０４は、微小共振器１０２に隣接するとともに微小共振器１０２と非連続になるように吊り下げられている。すなわち、試験質量体１０４は、微小共振器１０２に近接するが、微小共振器１０２から距離／間隔「ｄ」（図１では１１２で示されている）だけ離隔するように、慣性センサ内に配置される。試験質量体１０４は、慣性力が加わると撓み可能（deflectable）である。すなわち、慣性力の影響下で、試験質量体１０４と微小共振器１０２との間の間隔１１２は一時的に変化し得る。慣性センサ１００は、試験質量体１０４の撓みを静電気力で打ち消すための電極１０６をさらに備える。慣性センサ１００は、微小共振器１０２に入る光および微小共振器１０２から出る光を結合するための光カプラ１０８をさらに備える。慣性センサは、光カプラ１０８が微小共振器１０２から受け採った光を検出するための検出器１１０をさらに備える。試験質量体１０４と微小共振器１０２との間の間隔「ｄ」１１２の変化は、その微小共振器１０２の光共振特性の変化を引き起こす。
【0049】
慣性センサ１００は、例えば加速度や回転によって生じる慣性力を、慣性力に応じて動く試験質量体１０４の変位に基づいて検出する。より詳細には、図１の慣性センサ１００は、以下のように動作する。慣性センサ１００が例えば装置の一部として動かされると、慣性センサは特定の速度まで加速し、または特定の角度まで回転する。試験質量体は、アンカー１１６に接続されたサスペンション手段１１４（この例ではバネである）によって吊り下げられている。試験質量体１０４は、加速度または回転速度によって生じる慣性力に応答し、慣性力の大きさと方向に基づいて変位する。試験質量体１０４の変位は、加速度または回転速度によって引き起こされる慣性力に比例し得る。この変位により、試験質量体１０４と微小共振器１０２との間のギャップ「ｄ」１１２が変化し、その微小共振器１０２の光共振特性が変化する。光カプラ１０８は光を受光し、その光を微小共振器１０４に結合し、また微小共振器１０４から光を結合する。微小共振器１０４から結合された光の１つ以上の特性は、微小共振器１０４の光共振特性の変化に基づいて変化し、そのような変化は検出器１１０で検出される。検出器１１０における透過出力（transmission output）のこのような変化は、試験質量体の変位に関連しており、その結果、慣性センサ１００が受けた慣性力を計算するために使用され得る。このように、微小共振器１０４、光カプラ１０８、検出器１１０、試験質量体１０４、バネ１１４、およびアンカー１１６によって、センサの光学機械的読み出し機構が形成され、検出器１１０で検出された光透過率（optical transmission）の変化に基づいて慣性力を決定することが可能になる。
【0050】
試験質量体１０４の動きを制御することができるように、電極１０６が設けられる。電極１０６に電圧が印加されてもよい。電極１０６は、試験質量体１０４を作動させるために、印加された電圧による静電気力を出力するように構成されている。静電気力の大きさは印加電圧の大きさに基づく。作動の大きさは静電気力の大きさに基づくので、作動の大きさは印加電圧にも基づいており、電極１０６に印加される電圧を変えることによって制御可能である。したがって、電極１０６は、印加電圧による静電気力を用いて試験質量体１０４を動かすことにより、微小共振器に対する試験質量体１０４の位置を変えることができる。このような作動は容量作動（capacitive actuation）と呼ばれることがある。電極１０６はセンサ１００に対して固定されていてもよい。電極は、試験質量体をＸ方向および／またはＹ方向に動かしてもよい。電極はまた、試験質量体をＺ方向（図示せず）に動かしてもよい。
【0051】
試験質量体を作動させることなくオープンループ構成で動作する慣性センサは、大きな試験質量体変位において、温度変動、バイアス、非線形性により経時的にドリフトしやすい。そのため、慣性センサは、電極１０６が試験質量体を作動させるフィードバック機構を使用して閉ループシステムを実施する。電極１０６の作動力は、試験質量体を積極的に平衡に戻すために使用され得、線形性と検出範囲を拡大し、ドリフトを低減または打ち消すことができる。電極１０６からの作動力は、フィードバックを使用して調整可能であり、試験質量体１０４を最適なセンサ測定を提供する位置にすることができる。このように、電極１０６は慣性センサの長期安定性を向上させる。電極１０６はまた、試験質量体１０４の振動を減衰させるために使用されてもよい。光学機械的読み取り（optomechanical reading）と電気機械制御とを組み合わせることで、高感度の慣性センサが提供される。
【0052】
図１には慣性センサ１００の各構成要素が１つだけ図示されているが、慣性センサ１００は複数の各構成要素を備えてもよい。慣性センサ１００は、複数の微小共振器１０２、複数の電極１０６、複数のバネ１１４、複数のアンカー１１６、および複数の光カプラ１０８を備えてもよい。微小共振器はセンサに対して固定されていてもよい。図１では、試験質量体１０４は、微小共振器１０２から半径方向に配置されているが、試験質量体１０４は微小共振器１０２に対して他の位置に配置されてもよい。
【0053】
光共振特性は、試験質量体の変位により変化する。光共振特性の変化は、微小共振器に対する試験質量体の動きに応答して、共振波長のシフト、および／または光共振の曲線の広帯域化（broadening）または深帯域化（deepening）であり得る。シフトは、赤色離調または青色離調のいずれかに進行するように、いずれの方向に発生してもよい。広帯域化または深帯域化は、図２に関連して以下に説明するように、例えば散逸性または散乱性の光機械結合（optomechanical coupling）などの光損失の変化によるものである。
【0054】
図１に示されるように、試験質量体は、バネの形態のサスペンション手段１１４を用いて吊り下げられてもよい。バネの一端がアンカー１１６に接続されることでセンサに対して固定され、バネの他端は試験質量体に接続されて試験質量体を吊り下げている。バネ１１４は試験質量体１０４の変位を可能にする。バネ１１４およびアンカー１１６は、この図および明細書全体に亘って示されているが、当業者であれば、バネ１１４とアンカー１１６の代わりに、他のタイプのサスペンション手段が、慣性センサ１００および本明細書に記載されている慣性センサのいずれかに使用され得ることを理解するであろう。
【0055】
微小共振器１０２は、試験質量体１０４の撓みがその微小共振器１０２の光共振特性を変化させるように、試験質量体１０４の近くに配置される。
【0056】
電極１０６によって提供される静電駆動は、図４に関連してさらに後述するように、制御器（図１には図示せず）によって制御されてもよい。慣性センサがそのような制御器を備えてもよいし、制御器が慣性センサ１００の外部にあってもよい。
【0057】
図１の電源で示されるように、電圧が電極１０６に印加される。印加される電圧が電極１０６とアンカー１１６の間の電位差となるように、アンカーを接地してもよい。印加される電圧は、試験質量体１０４の撓みを打ち消すために必要な静電気力に基づいて変化してもよい。したがって、図１には電源が図示されているが、代わりに上述の制御器（図１には図示せず）によって電圧が印加されてもよい。
【0058】
検出器１１０は、光信号を電気信号に変換する任意の装置であってよい。検出器１１０は光検出器であってもよい。検出器１１０は、センサによって検知された慣性力を計算するために光信号を処理するプロセッサを備えてもよい。検出器１１０は、光カプラ１０８および微小共振器１０２からの光信号を入力として受信し、慣性力測定値を出力してもよい。あるいは、上述の制御器（図１には図示せず）を用いて、検出器１１０によって検出された光信号に基づいて慣性力を計算してもよい。
【0059】
光カプラ１０８は、導波路に結合されてもよい。光カプラ１０８は、光が導波路から微小共振器１０２に結合され、微小共振器１０２から導波路に結合されるように、微小共振器１０２に近接して配置される導波路であってもよい。光源（図１には示されていない）からの光は、光カプラ１０８に入力され、微小共振器１０２に送られ、微小共振器１０２から検出器１１０に送られてもよい。光源はセンサ内にあってもよいし、センサの一部でなくてもよい。例えば、光源は複数の慣性センサに接続され、複数の慣性センサに光を供給してもよい。光カプラ１０８に入力される光は、広帯域光であってもよいし、コヒーレント単一周波数光であってもよい。
【0060】
試験質量体１０４は、例えばＹ軸に沿って微小共振器に向かうように又は微小共振器から離れるように変位される。Ｘ軸及びＹ軸は図１に図示されている。試験質量体１０４は、追加的または代替的に、微小共振器に対して横方向に、例えばＸ軸に沿って変位してもよい。試験質量体はシリコン製であってもよい。
【0061】
図１に示した微小共振器１０２はリング共振器であるが、この微小共振器は、ディスク型微小共振器やレーストラック型微小共振器など、別のタイプの微小共振器１０２に置き換えられ得る。
【0062】
図１に示される微小共振器１０２は、センサが使用されているとき、微小共振器１０２の縁部を越えて延びるエバネッセント場の少なくとも一部を有する。エバネッセント場は、微小共振器１０２の縁部から１ミクロンだけ延びていてもよい。微小共振器１０２の縁部から実質的に延びるエバネッセント場は、エバネッセント場と試験質量体１０４との間の相互作用が増大するにつれてセンサの感度を高める。
【0063】
微小共振器１０２は、ウィスパリングギャラリーモード微小共振器であってもよい。微小共振器がウィスパリングギャラリーモード微小共振器である場合、ウィスパリングギャラリーモード微小共振器は、ウィスパリングギャラリーモード光共振として光を捕捉し、その縁部を越えて広がるエバネッセント場を有する。試験質量体１０４が変位すると、エバネッセント場と相互作用し、エバネッセント場との相互作用に伴って微小共振器の特性が変化し、微小共振器の実効屈折率が変化する。この変化により、微小共振器のウィスパリングギャラリーモード光共振がシフトする。このように、試験質量体１０４がウィスパリングギャラリーモード微小共振器のエバネッセント場内で動くと、微小共振器の光共振が摂動され、光共振の特性が変化する。
【0064】
装置は、加速度を検出するための慣性センサ１００と回転速度を検出するための慣性センサ１００とを備えてもよい。このような装置は、位置追跡に利用され得る。
【0065】
図２は、例示的な慣性センサ１００の光学機械エレメント２００と例示的な出力２５０とを示す図である。図２に示す図は、慣性センサ１００の光学機械エレメントの動作の理解を助けるためのものであり、したがって、図１の慣性センサのすべての構成要素を示していない。以下の説明は、微小共振器１０２がウィスパリングギャラリーモード（ＷＧＭ）微小共振器である場合のものであるが、図１の微小共振器１０２は異なるタイプの微小共振器であってもよいことを理解されたい。ＷＧＭ微小共振器はエバネッセント場を有する。図には、光子の移動速度のモデル化に使用され得る結合率ｋｉ、ｋｅ、ｋａ、およびｋｓを示す。
【0066】
光は、微小共振器１０２に出入りする矢印で示すように、外部結合率ｋｅによって定義される速度で、光カプラ１０８から微小共振器１０２へ送られ、そして微小共振器１０２から光カプラ１０８へと戻される。外部結合率は、例えば、１秒あたりの正規化された共振器内電磁場の（ゆっくりと変化する部分の）変化をヘルツ単位で定義する。光が微小共振器１０２に入射すると、固有損失率ｋｉで定義される内部損失により光が漏れ出す。試験質量体は、センサの加速または回転によって生じる慣性力によって変位され得る。試験質量体の変位は、慣性力の大きさおよび方向に基づいている。試験質量体１０４が距離「ｄ」で微小共振器１０２の縁部に近づくと、試験質量体１０４はエバネッセント場内で変位し、エバネッセント場と相互作用する。これによって、微小共振器１０２の共振周波数をシフトさせるＷＧＭ微小共振器の実効屈折率の変化が引き起こされる。試験質量体が物理的に存在すると、散乱損失（ｋｓで表される）を生じさせる散乱効果と、吸収または誘導による試験質量体への光の結合（図２の結合損失ｋａによって示される）との両方によって、一部の光子が微小共振器１０２から漏れ出す。例えば、光子は、表面粗さに起因して試験質量体表面との相互作用で吸収および／または散乱されてもよい。試験質量体１０４の変位は、散乱損失ｋｓを変化させる。なぜなら、ｋｓは、次式で示されるように、試験質量体１０４と微小共振器１０２との間の距離「ｄ」に対して指数関数的な依存性を有するからである。次式において、ａｌｐｈａは、エバネッセント場の実効減衰長であり、ｋｓ０は定数である。
【0067】
試験質量体１０４の変位はまた、同様の理由により、結合損失ｋａも変化させる。試験質量体１０４の変位、ひいては試験質量体１０４と微小共振器１０２との間の距離「ｄ」の変化は、屈折率を変化させ、その結果、離調度Δを変化させる。離調度Δは、初期ＷＧＭ共振周波数ω０からの光の離調度を意味し、次のように定義され得る。
Δ＝ω－ω０
よって、微小共振器の光共振がシフトすると、離調度が変化する。
Δ＝ω－ω０
よって、微小共振器の光共振がシフトすると、離調度が変化する。
【0068】
したがって、ＷＧＭ微小共振器１０２の実効屈折率および結合率の変化によって、ＷＧＭ共振の周波数のシフトおよび広帯域化が生じる。特に、ＷＧＭ光共振は、散乱結合率ｋｓおよび／または吸収もしくは透過結合率ｋａによって広帯域化され、離調度Δの変化を引き起こす実効屈折率の変化によってシフトする。
【0069】
光カプラ１０８の出力における透過光強度Ｔは、ＷＧＭ光共振の変化による試験質量体１０４の位置に基づいて変化する。以下の式に示すように、このモデルでは、Ｔは結合率および離調度に依存し、１に正規化されている。
【0070】
検出器１１０で得られた透過強度の測定値は、透過率の変化を求めるために、以前の値または基準値と比較されてもよい。これにより、光共振の変化を検出することができる。光共振の変化は試験質量体の変位を示す。その結果、光共振の変化の検出から、試験質量体にかかる慣性力を計算することができる。
【0071】
要約すると、慣性力によって試験質量体の変位が生じ得る。試験質量体の変位は、慣性力の大きさおよび方向に基づいている。試験質量体１０４の変位およびその結果である試験質量体１０４と微小共振器１０２との間の距離の変化により、微小共振器１０２の結合率および屈折率が変化し、これによって離調度が変化する。離調度の変化は、導波路カプラの出力における共振器内電磁場および光強度を変化させる。その結果、微小共振器１０２の光共振周波数の変化が検出器１１０で検出可能となる。図２のグラフ２５０はこのような変化を示している。
【0072】
慣性センサに慣性力が加わっていないときの慣性センサ１００の初期位置では、試験質量体１０４は微小共振器１０２から距離ｄの位置にある。試験質量体１０４が微小共振器１０２から距離ｄの位置にあるときの検出信号は、図２のグラフ２５０に実線で示されている。例えばセンサの加速や回転による慣性力がある場合、試験質量体１０４は微小共振器１０２からΔｙだけ離れて、微小共振器１０２からｄ＋Δｙの距離に位置し得る。試験質量体１０４が微小共振器１０２から距離ｄ＋Δｙに位置するときの検出信号は、図２のグラフ２５０に点線で示されている。グラフ２５０に示されるように、実線（試験質量体１０４と微小共振器１０２との間の初期距離に対応する）と点線（慣性力を受けて撓んだ後の試験質量体１０４の微小共振器１０２からの距離に対応する）との間には、微小共振器１０２の実効屈折率の変化によって生じる共振周波数の変化Δｆがみられる。また、散乱（係数ｋｓに関連する）および／または吸収もしくは透過（係数ｋａに関連する）により微小共振器から出た光によって引き起こされる共振線幅の変化Δｄｆもみられる。
【0073】
図３は、慣性センサの特性変化の一例を示すグラフである。これらのグラフは、慣性力の検出方法を説明するためのものである。光カプラ１０８で検出された透過出力を用いて試験質量体１０４の変位から慣性力を検出するために、例えば変位１ナノメートルあたりの透過率の変化など、スケールファクタを定義してもよい。透過率と変位との間の関係は、図２に関連して上記で説明され、透過率（したがってスケールファクタ）が結合率および離調度に基づいていることを示している。グラフＡ ３１０は、離隔距離「ｄ」による光機械分散結合率（optomechanical dispersive coupling rate）の変化を示している。光機械分散結合率は、移動１メートルあたりの共振周波数の変化であり、単位はＨｚ／ｍである。グラフＢ ３２０は、離隔距離「ｄ」による光機械散逸結合率（optomechanical dissipative coupling rate）の変化を示している。光機械散逸結合率は、移動１メートルあたりの線幅の変化であり、移動１メートルあたりの損失の変化を示し、単位はＨｚ／ｍである。光機械分散結合率は、離隔距離「ｄ」に対して指数関数的な依存性を持つ。エバネッセント場の指数関数的性質に起因して、光共振シフトが指数関数的な依存性を持つからである。光機械散逸結合率は、離隔距離「ｄ」に指数関数的な依存性を持つ。散乱損失ｋｓと結合損失ｋａの大きさが、エバネッセント場の指数関数的性質により、離隔距離「ｄ」に指数関数的な依存性を持つからである。したがって、スケールファクタは、これらの光機械結合率に基づいている。グラフＡ ３１０、グラフＢ ３２０に示すように、両方の結合率が離隔距離「ｄ」に指数関数的に依存するため、試験質量体の変位に対する応答は非線形である。
【0074】
慣性力を測定するために、平衡位置を決定してもよい。これは、試験質量体１０４が初期位置にあるときの試験質量体１０４と微小共振器１０２との間の離隔距離であってもよいし、またはこれに対応する隔離距離であってもよい。その後、平衡位置付近での小さな動きを検出することができる。このような小さな動きは平衡位置付近で検出されるので、応答はこれらの動きに対して実質的に線形である。
【0075】
しかし、試験質量体１０４の初期位置は時間とともに変化する可能性があり、これによって平衡位置が変化する。平衡位置が異なると、共振器の周囲のエバネッセント場の指数関数的な強度分布により、光機械結合率が異なる。したがって、試験質量体の初期位置が変化すると、平衡位置が変化し、その結果、センサ１００のスケールファクタが変化する。閉ループ動作は初期位置を維持し、その結果スケールファクタも維持する。これにより、線形性および正確な測定が保たれる。具体的には、静電駆動により試験質量体の動きが規制され、特に、離隔ギャップが調整されることで、光学機械応答が調整される。
【0076】
したがって、閉ループ動作では、微小共振器と試験質量体との間のギャップを小さく（例えばミクロンよりも小さく）保つことが可能になる。この小さなギャップは有利である。試験質量体を微小共振器の近くに位置させると、応答のスケールファクタが大きくなり、検出される慣性力が同じ量でも出力される光信号の変化が大きくなるからである。さらに、試験質量体を微小共振器の近くに位置させると、微小共振器周辺のエバネッセント場がわずかな距離（光の波長オーダー）にしか広がらないので、光学的読み出しをより確実に行うことができる。
【0077】
慣性センサは加速度を測定するために使用可能である。グラフＣ ３３０とグラフＤ ３４０は、試験質量体の撓み（振れ）に基づいて、印加される加速度の変化を示す。
【0078】
加速度測定値を求めるために、ｄ１またはｄ２として平衡位置が決定される。ｄ１、ｄ２は、グラフＡ ３１０およびグラフＢ ３２０に示されているように、異なる離隔距離「ｄ」である。ｄ１としての平衡位置の選択は、グラフＣ ３３０に示されている。ｄ２としての平衡位置の選択は、グラフＤ ３４０に示されている。平衡位置の選択、例えばｄ１とｄ２の間の選択は、上述したスケールファクタを定義する。これは、共振器周囲のエバネッセント場の指数関数的な強度分布に起因して、グラフＡ ３１０およびグラフＢ ３２０に示すように、各平衡位置において、光機械分散結合率および光機械散逸結合率が異なり、スケールファクタがこれらの結合率に基づいているからである。
【0079】
試験質量体１０４の小さな運動は、例えば平衡位置から＋／－５０ｎｍの動きのように、グラフがまだ実質的に直線である平衡付近で検出される。このように、センサ１００を動作させるために、平衡位置を選択し、小さな動きを検出してもよい。
【0080】
閉ループフィードバックを用いることで、フィードバック機構によって生じる静電気力が撓み（deflection）を打ち消すため、より小さな動きでより高い加速度を検出することができる。例えば、１００ｇの加速度は、閉ループフィードバックなしの場合に５０ｎｍの撓みを生じるのに対し、閉ループフィードバックを使用すると、１０ｎｍの撓みを引き起こし得る。上記で説明したように、閉ループ動作は、センサ１００を平衡位置で安定させるので、センサ１００に不要なオフセットが発生せず、長期にわたって維持され得る。
【0081】
図４は、フローチャート４００の一例を示す。このフローチャートは、慣性センサ１００に使用する閉ループフィードバックシステムを示している。閉ループフィードバックシステムは、図１に関連して前述したように、センサ１００と、センサ１００の内部または外部の制御器とによって実現される。慣性力によって試験質量体１０４が複数回変位すると、試験質量体は非線形に応答し始め、時間の経過とともにドリフトする可能性がある。ドリフトは、試験質量体の熱変化に起因する場合もあれば、慣性センサの温度変化に起因する熱誘起の場合もある。ドリフトは、非対称加工や減衰に起因する場合もある。閉ループフィードバックシステムは、試験質量体のドリフトを低減し、幅広い力の大きさにわたって試験質量体の応答の線形性を維持し、試験質量体を積極的に安定させ、センサの出力における誤差を低減するのに適している。具体的には、フィードバックは、特に長期ドリフトを低減するために、ドリフトに関連する試験質量体の応答を連続的に打ち消すものである。これは、慣性センサが位置の追跡（トラッキング）に使用される場合（この場合、慣性センシングは、単発的な計測値を提供するのではなく、時間をかけて継続的に計測値を追跡する）、閉ループ動作が特に重要であることを意味する。閉ループフィードバックシステムは、衝撃から試験質量体を保護することもできる。
【0082】
図４のフローチャート４００では、慣性センサ１００は、センサ自体の加速または回転に起因し得る慣性力を受ける（４０２）。上述したように、試験質量体１０４は慣性力によって撓む（４０４）。これは共振器内光機械読み出し機構（微小共振器１０２、光カプラ１０８および検出器１１０の形態）によって検出される（４０６）。光機械読み出し機構は、試験質量体１０４の撓みによる微小共振器１０２の光共振特性の変化を示す出力光信号の変化を受信する。光共振特性の変化に基づいて、加速度または回転速度が計算され、出力される（４１０）。この計算は、検出器１１０または制御器内の処理手段によって実行される。その後、制御器は閉ループフィードバックを適用する。制御器は、出力された光信号の変化を受信し（４０８）、電極１０６を介して静電駆動（静電アクチュエーション）を用いて試験質量体を作動させ（４０６）、試験質量体１０４のドリフトを減少させる。このように、電極１０６に電圧を印加して静電気力を発生させ、試験質量体１０４を動かして試験質量体１０４と微小共振器１０２との間の距離を変化させることによって、閉ループフィードバックが試験質量体１０４に適用される。
【0083】
制御器は電極に印加される電圧を制御し、静電気力は印加された電圧に基づく。電極と試験質量体との間の電圧差が分かるように、試験質量体を接地してもよい。静電気力は、試験質量体を動かして、微小共振器に対する微細な位置決め、衝撃からの保護、および非線形性やドリフトを低減する閉ループ動作を行う。このように、閉ループ動作は、より長時間の連続動作においてセンサの精度を維持するので、センサの長期安定性に有利である。
【0084】
制御器は、必要なフィードバックを決定するために比例積分微分（ＰＩＤ）制御を採用してもよい。フィードバック帯域幅は、基本機械周波数までの直流であってもよいし、基本機械周波数を超えてもよい。慣性センサ１００が加速度センサである場合、フィードバック帯域幅は検出帯域幅よりもかなり大きくてもよい。慣性センサがジャイロスコープである場合、閉ループフィードバックは駆動周波数で動作してもよい。フィードバックおよび／または加速度もしくは回転速度の測定を決定するために、制御器が信号を処理する前に信号処理が必要な場合がある。信号処理技術の例が、図７および図１１に詳述されている。閉ループフィードバックを実行する他に、制御器は、電極１０６を使用して試験質量体１０４を所定の距離だけ作動させることによって、センサ１００の「セルフテスト」手順を実行することで、光読み出しのその場でキャリブレーションを行ってもよい。
【0085】
慣性センサ１００は加速度を検出するためのものであってもよい。試験質量体がバネ１１４を用いて吊り下げられている場合、加速度は、バネの伸縮の大きさがバネに加えられる力に正比例するフックの法則を用いて決定され得る。慣性センサ１００が加速されると、慣性センサに慣性力が加わり、試験質量体１０４が撓み、微小共振器１０２の共振が乱される。共振からの撓み量を求めた後、フックの法則を使用して力を求め、その結果としてセンサ１００の加速度を求める。
【0086】
図５は、加速前および加速中における例示的な慣性センサの光学機械エレメントと出力例とを示す図である。以下の図において、上方向（上向き）は、Ｙ軸に沿ってＹの値が増加するように動くことを指し、下方向（下向き）は、Ｙ軸に沿ってＹの値が減少するように動くことを指すために使用される。Ｙ軸は、図中に示されている。イメージ図Ｂ ５２０では、加速度が試験質量体から微小共振器に向かう下方向に示されているが、慣性センサ１００は、下方向の加速度のみを検出するように限定されていない。慣性センサ１００は、上方向および下方向の加速度を検出し得る。慣性センサ１００は、ＸおよびＹ平面内の加速度を検出してもよいし、Ｘ、ＹおよびＺ平面内の加速度を検出してもよい。
【0087】
イメージ図Ａ ５１０は、加速度が加わっていない場合、すなわちセンサが静止している場合または等速である場合の光学機械エレメントを示す。イメージ図Ｂ ５２０は、矢印５２２で示されるように、試験質量体１０４から微小共振器１０２に向かって下方向に加速している（下方向の加速度が加わっている）ときの光学機械エレメントを示す。イメージ図Ｂ ５２０に示されるように、微小共振器１０２に向かって下方向に加速しているとき、試験質量体は、微小共振器から離れるように上方にΔｙだけ変位する。この変位は、下方向の加速の結果、試験質量体に上向きの慣性力がかかるために生じる。したがって、センサ１００が加速していないときと、センサ１００が下向きに加速しているときとの、微小共振器と試験質量体との間の距離の差はΔｙとなる。
【0088】
グラフＣ ５３０およびＤ ５４０では、実線は慣性センサ１００が加速していないときを表し、破線は慣性センサ１００が下方向に加速しているときを表す。慣性センサ１００が下方向に加速しているときには、試験質量体の変位Δｙにより、微小共振器の共振波長にシフトΔλが生じる。グラフＣ ５３０は、光カプラの出力における異なる波長の信号強度を示す。このグラフは、実線（センサが加速していないとき）から破線（センサが下方向に加速しているとき）へと、信号強度の最小値がシフトしていることを示している。このシフトは、センサが加速していないときから下方向に加速しているときへの微小共振器の共振波長のシフトΔλに起因するものである。微小共振器の共振波長のシフトは、センサが加速していないときと下方向に加速しているときの、センサから供給される信号の所定の波長における強度の違いによっても示される。所定の波長における信号の強度の違いは、グラフＣ ５３０の点５３２と点５３４で示されている。この波長では、センサが加速していないときから下方向に加速しているときにかけて、信号強度にはシフトΔＩが生じる。このシフトΔＩは、センサ１００が加速していないときの点５３２から、センサ１００が下方向に加速しているときの点５３４までのシフトである。この理由としては、センサ１００が加速していないときには、所定の波長は共振波長ではないので信号強度が最小とならないが、センサ１００が下方向に加速しているときには、所定の波長が共振波長であるため、信号強度が最小となるからである。グラフＣはまた、センサが加速されたときに発生し得る線の広がり（広帯域化）を示している。このような広がりによって、グラフＣに示すように、最小信号強度が増加する可能性がある。
【0089】
グラフＤ ５４０は、グラフＣと同じ所定の波長における経時的な信号強度を示し、点５４２は点５３２に対応し、点５４４は点５３４に対応している。グラフＤは、センサ１００が加速していない時点からセンサ１００が下方向に加速している時点までの、所定の波長における信号強度の減少（シフトΔＩと表示されている）を示す。グラフＣ ５３０に関連して説明したように、信号強度のこの減少は、センサ１００が加速していないときには所定の波長が共振波長ではなく、センサ１００が下方向に加速しているときには、試験質量体が微小共振器から離れるように変位することによって所定の波長が共振波長であることに起因している。
【0090】
図６は、加速度を測定するための例示的な慣性センサ６００を示す図である。慣性センサ６００は加速度センサとも呼ばれることがある。慣性センサ６００は、図１の慣性センサ１００の実施例である。このセンサは、図５に関連して説明したように、フックの法則を用いて動作する。図６に示されるように、慣性センサ６００は、微小電気機械慣性試験質量体６０４を備える。試験質量体６０４は、それぞれのアンカー６１６に接続された２つの吊り下げ手段６１４（この例では試験質量体６０４の可撓性部分）によって吊り下げられている。試験質量体のこれらの可撓性部分はバネとして機能してもよい。試験質量体６０４は、慣性センサ６００の加速による慣性力の印加下で撓み可能（偏向可能）である。アンカー６１６はセンサ６００に対して固定されている。慣性センサ６００はまた、４つの微小共振器６０２を備える。試験質量体６０４は、４つの微小共振器６０２に隣接し、かつ微小共振器６０２と非連続に吊り下げられている。試験質量体は２つの突出部６１８を有し、各突出部は２つの微小共振器６０２の間に位置する。各突出部６１８は、突出部６１８のいずれかの側の微小共振器６０２から脱した光子を導く光チャネルとして作用し得る。
【0091】
慣性センサ６００は、試験質量体６０４の撓みを静電気力で打ち消すための４つの電極６０６をさらに備える。電極６０６は試験質量体６０４の両側に配置され、これによって、静電気力を試験質量体６４０のいずれかの側に加えて試験質量体６０４の移動または試験質量体６０４の位置の維持を正確に制御することができる。４つの電極６０６のそれぞれは２本のフィンガー部を備える。フィンガー部は突出部であり、これらの用語は本明細書を通じて互換的に使用される。電極６０６およびフィンガー部の両方は、センサ６００に対して固定され、静止している。試験質量体６０４もまた、フィンガー部を備える。試験質量体６０４のフィンガー部は、固定電極のフィンガー部の間に位置する。慣性力が印加された状態では、試験質量体６０４のフィンガー部も撓むので、試験質量体６０４のフィンガー部は可動である。可動試験質量体のフィンガー部は、固定電極（静止電極）のフィンガー部間にインターディジット状に（互いにかみ合うように）配置されている。各可動試験質量体のフィンガー部の動きは、試験質量体の運動に強く結合されているので、そのフィンガー部の動きが試験質量体全体の動きを生じさせる。従って、固定電極のフィンガー部は、可動試験質量体のフィンガー部の撓みを打ち消すことにより、静電気力で試験質量体６０４の撓みを打ち消す。これにより、電極６０６のフィンガー部がそれぞれ少量の力を各試験質量体のフィンガー部に与えることができるので、試験質量体６０４の正確な制御と微小共振器６０２に対する試験質量体６０４の微細な位置決めが可能になる。固定電極のフィンガー部は、Ｘ方向及び／又はＹ方向における試験質量体の撓みを打ち消し得る。固定電極のフィンガー部はまた、Ｚ方向（図示せず）における試験質量体の撓みを打ち消し得る。
【0092】
慣性センサ６００は、対応する微小共振器６０２に入る光および対応する微小共振器６０２から出る光を結合させるための４つの光カプラ６０８をさらに備える。慣性センサ６００は、１つ以上の検出器（図６には図示せず）をさらに備える。光は、図６に図示されるように、矢印の位置で各光カプラ６０８に入り、対応する微小共振器６０２に入力およびその微小共振器６０２から出力された後、光カプラ６０８から検出器に出力される。
【0093】
試験質量体６０４がＹ軸に沿って上下に動くと、試験質量体６０４と各微小共振器６０２との間の間隔に変化が生じる。微小共振器６０２の設置位置により、試験質量体６０４の動きは、試験質量体６０４と４つの微小共振器６０２との間の間隔を差動的に（differential way）変化させる。試験質量体６０４と各微小共振器６０２との間の間隔の変化により、その微小共振器６０２の光共振特性に変化が生じる。各微小共振器６０２の間隔の変化が異なることにより、各光カプラ６０８からの光出力に差動変化（different changes）が生じる。各光カプラ６０８からの光出力の異なる変化を比較することにより、差動出力が決定される。このような差動出力によると、差分に着目しているため、全ての微小共振器で発生する誤差が除去される。したがって、図６の慣性センサ６００を配置することによって差分動作が可能となり、差分動作によると、ドリフトおよび温度オフセットを低減することによって読み出しが大幅に改善される。
【0094】
慣性センサ６００は、特定の方法で配置された特定の数の構成要素を備えるが、他の数の構成要素および配置も効果的な慣性センサを提供する。試験質量体の両側にそれぞれ少なくとも１つの微小共振器がある限り、上記の利点を提供する差動測定を実行することができる。微小共振器６０２はすべて実質的に同じ光共振を有していてもよいし、微小共振器６０２のそれぞれが異なる光共振を有していてもよい。
【0095】
図６は、試験質量体の周囲の特定の位置に配置されたインターディジット状の電極によって行われる静電駆動を示すが、静電駆動は、Ｘ方向および／またはＹ方向に試験質量体に力を加えるような任意の方法で設定され得る。
【0096】
図７は、慣性センサ１００または慣性センサ６００が加速度を検出する場合に使用する制御ループフィードバックシステム７００を示す。この制御ループフィードバックシステム７００は、図４のフィードバックシステム４００の一例である。閉ループフィードバックシステム７００は、図１に関連して前述したように、センサ１００またはセンサ６００と、センサの内部または外部の制御器とによって実現される。
【0097】
加速によりセンサに力が加わり、センサは出力電圧Ｖを出力する（７１０）。センサから出力された電圧は制御器に入力される。この電圧は、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）７１２によってデジタル信号に変換され、制御器内のデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）７１４によってフィルタリングされる。フィルタリングは、ハイパスフィルタリングまたはローパスフィルタリングであってもよい。その後、制御器内の閉ループ制御部７１６によって、フィルタリングされた信号を用いて加速度が決定され得、センサ出力７２２として提供される。制御器内の閉ループ制御部７１６は、センサへのフィードバックも提供する。そのために、閉ループ制御部７１６は非線形性、ドリフト、ノイズを決定し、これらの影響を低減するために電極に電圧信号を出力する。電圧信号はデジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）７１８によって生成され、センサの電極に供給される。電極は、試験質量体を作動させる電圧信号の大きさに基づいた静電気力を出力する。電極による試験質量体の作動は、センサの測定に対するノイズとドリフトの寄与を除去するためのものであるため、作動は本質的にネガティブフィードバック（負帰還）である。制御ループフィードバックシステム７００は、センサのドリフトおよびノイズを継続的に低減し、正確で精密な加速度の出力測定を提供する連続システムである。
【0098】
慣性センサは回転速度を検知するためのものであってもよい。回転速度は、振動ジャイロスコープ構造にかかるコリオリ効果を利用して検知される。回転速度を測定するために、試験質量体は、周波数Ωで第１の方向に（例えばＸ軸に沿って）駆動される。コリオリ効果により、Ｚ軸を中心とした回転は、周波数ΩでＹ軸に沿った変位を引き起こす。その後、周波数ΩにおけるＹ軸の振動の振幅の変化を求めることによって、回転速度を決定することができる。
【0099】
図８は、回転前および回転中における例示的な慣性センサ１００の光学機械エレメントおよび出力例を示す。上述したように、慣性センサ１００が回転速度を測定するものである場合、試験質量体はＸ方向に駆動されて周波数Ωで振動する。イメージ図Ａ ８１０は、センサ１００が回転していないとき、例えばセンサ１００が静止しているときの光学機械エレメントを示し、イメージ図Ｂ ８２０は、センサ１００がＺ軸を中心に回転しているときの光学機械エレメントを示す。Ｘ、Ｙ、Ｚ方向は理解のために与えられた方向であり、センサはＺ軸を中心とした回転の速度測定のみに利用されることに限定されないことを理解されたい。
【0100】
イメージ図Ａ ８１０およびイメージ図Ｂ ８２０に示されているように、回転速度を検出するための慣性センサは、２つのサスペンション手段（この例ではバネである）を備える。２つのサスペンション手段は、互いに実質的に垂直に配置され、これにより２つの垂直方向の動きが可能になる。これについては図９に関連してさらに説明する。イメージ図Ｂ ８２０に示されているように、Ｚ軸を中心として回転していると、試験質量体は周波数ΩでＹ軸に沿ってΔｙだけ変位する。したがって、センサ１００が回転していないときと、センサ１００がＺ軸を中心に回転しているときとの距離「ｄ」の差は、Δｙである。
【0101】
グラフＣ ８３０およびグラフＤ ８４０では、実線は慣性センサ１００が回転していないときを表し、破線は慣性センサ１００がＺ軸を中心に回転しているときを表す。グラフＣ ８３０は、光カプラの出力における信号の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を示しており、試験質量体１０４が周波数ΩでＸ軸に沿って駆動されると、その周波数Ωで振幅が最大になることを示している。グラフＣ ８３０は、センサが回転していないときから、センサがＺ軸を中心に回転しているときまでの周波数Ωにおける信号ΔＩの振幅の変化も示している。
【0102】
回転すると、コリオリの力により、周波数ΩでＹ軸に振幅変調された振動が生じる。これは、グラフＣ ８３０に、センサが静止しているときから回転しているときまでの、周波数Ωにおける信号の振幅の増加ΔＩによって示されている。信号の振幅の変化ΔＩを求めることで、既知の方程式を用いてコリオリ力を求めることができ、そこから回転速度を決定することができる。
【0103】
グラフＤ ８４０は、光カプラ１０８からの出力の信号強度を経時的に示している。試験質量体１０４が周波数ΩでＸ軸に沿って駆動されると、グラフＤ ８４０に示すように、Ｙ軸において、Ωの周波数を有する信号の小部分が検出される。グラフＤ ８４０は、グラフＣ ８３０に関連して上記で説明したように、周波数の振幅の増加も示している。グラフＤ ８４０には、特に、回転していないセンサと回転しているセンサとのピーク振幅の差ΔＩｐｋが明確に示されている。
【0104】
微小共振器と試験質量体との間の距離の変化により、微小共振器の共振周波数特性が変化し、検出器における光カプラからの透過出力が変化する。図２に関連して説明したように、検出器での透過率の変化から、共振周波数の変化を検出することができる。共振周波数の変化は試験質量体の変位に基づいているので、周波数Ωにおける信号の振幅の変化を決定することができ、コリオリ力を決定することができ、結果として回転速度を測定することができる。
【0105】
図９は、回転速度を測定するための例示的な慣性センサ９００を示す図である。慣性センサ９００はジャイロスコープと呼ばれることがある。慣性センサ９００は振動ジャイロスコープの一種である。慣性センサ９００は、図１の慣性センサ１００の１つの実施例である。図９に示されるように、慣性センサ９００は、微小電気機械慣性試験質量体９０４を備える。試験質量体９０４は、２つのサスペンション手段によって吊り下げられている。サスペンション手段（この例ではバネ９１４である）は、それぞれのアンカー９１６に接続されている。アンカー９１６はセンサに対して固定されている。バネ９１４は、互いに実質的に垂直に配置され、これによって２つの垂直方向の動きが可能になる。これにより、試験質量体は互いに垂直な２自由度で動くことができる。この２自由度の動きは、以下に説明するように、センサをセンスモードとドライブモードとで動作可能にするために必要である。センサは、図８に関連して説明したように動作し、Ｚ軸まわりの回転も検出する。しかしながら、Ｘ、Ｙ、Ｚの方向は理解のために与えられたものであり、センサはＺ軸まわりの回転速度測定のみに利用されることに限定されないことを理解されたい。
【0106】
試験質量体９０４は、Ｘ軸およびＹ軸に沿って撓み可能である。慣性センサ９００はまた、２つの微小共振器９０２を備える。試験質量体９０４は、２つの微小共振器９０２に隣接するとともに微小共振器９０２と非連続に吊り下げられている。慣性センサ９００はさらに、対応する微小共振器９０２に入る光および対応する微小共振器９０２から出る光を結合するための２つの光カプラ９０８を備える。慣性センサ９００は、１つ以上の検出器（図９には図示せず）をさらに備える。光は光カプラに入力され、光カプラから対応する微小共振器９０２に光が入力される。その後、光は微小共振器９０２から出力されて光カプラ９０８に戻される。光カプラ９０８は検出器に光を出力する。
【0107】
慣性センサ９００は、試験質量体９０４の撓みを静電気力で打ち消すための２つの電極９０６をさらに備える。電極９０６は試験質量体９０４の互いに垂直な２つの側に配置され、これにより、試験質量体をＸ軸およびＹ軸の両方に沿って制御することができる。慣性センサ９００は、同時に実行されるセンスモードとドライブモードとを有する。したがって、概念的には、慣性センサ９００は、互いに直交し、共通の試験質量体を有する図１の２つの慣性センサ１００と同じものであってもよい。Ｘ軸に沿って動く慣性センサの主目的は駆動であり、Ｙ軸に沿って動く他方の慣性センサの主目的は検知である。
【0108】
第１のアンカー９１６、第１のバネ９１４、第１の電極９０６、第１の微小共振器９０２および第１の光カプラ９０８のそれぞれはドライブモードに使用され、第２のアンカー９１６、第２のバネ９１４、第２の電極９０６、第２の微小共振器９０２および第２の光カプラ９０８のそれぞれはセンスモードに使用される。図９に示すように、ドライブモードはＸ軸に沿ったモードであり、試験質量体の右側にある電極９０６は、試験質量体を周波数Ωで振動させるように駆動するためのものである。図において試験質量体の右側にあるバネ９１４およびアンカー９１６は、そのような振動を可能にするために試験質量体９０４がＸ方向に自由に動くことができるようにする。試験質量体の左側にある光カプラ９０８と微小共振器９０２は、試験質量体が正しい周波数で駆動されていることを検知するためのものである。試験質量体の右側にある電極９０６は、図４に関連して説明したように、ノイズとドリフトを低減するためのものでもある。
【0109】
センスモードは、試験質量体の上方のバネ９１４およびアンカー９１６を備えたＹ軸に沿ったモードである。バネ９１４およびアンカー９１６は、試験質量体９０４がＹ方向に自由に動くことを可能にする。図８に関連して説明したように、試験質量体がＸ方向に周波数Ωで駆動されると、試験質量体は、コリオリ効果に起因して、Ｚ軸まわりの回転によってＹ軸に沿って変位する。試験質量体がＹ軸に沿ってΔｙだけ変位すると、試験質量体の上部の電極９０６は、図４に関連して説明したように、試験質量体をＹ軸に沿って作動させてドリフトおよびノイズを低減する。
【0110】
Ｙ軸に沿った試験質量体の変位によって、試験質量体９０４と試験質量体９０４の下の微小共振器９０２との間の間隔が変化する。これにより、試験質量体９０４の下方の微小共振器９０２の光共振特性が変化し、その結果、微小共振器の下方の光カプラ９０８から検出器（図９には図示せず）によって検出される透過出力が変化する。図８に関連して説明したように、光カプラからの透過出力を用いて、回転速度を計算することができる。
【0111】
慣性センサ９００は、特定の方法で配置された特定の数の構成要素を備えるが、他の数の構成要素および配置も、回転速度を測定するための効果的な慣性センサを提供する。センサは、Ｙ軸またはＸ軸まわりの回転速度を測定するためのものであってもよい。センサは、複数の軸まわりの回転速度を測定するものであってもよい。
【0112】
図１０は、ジャイロセンサとも呼ばれる回転速度を測定するための慣性センサ１０００の別の例を示す図である。慣性センサ１０００は、振動ジャイロスコープの一種である。慣性センサ１０００は、図９の慣性センサ９００の１つの実施例である。図１０に示されるように、慣性センサ１０００は、フレーム１００４のように機能する外側の微小電気機械慣性試験質量体と、内側の微小電気機械慣性試験質量体１０５４とを備える。外側試験質量体フレーム１００４は、４つのサスペンション手段１０３４によって吊り下げられている。サスペンション手段１０３４（この例では外側試験質量体フレーム１００４の可撓性部分である）は、それぞれのアンカー１０１６に接続されている。アンカー１０１６はセンサに対して固定されている。外側試験質量体フレーム１００４のこれらの可撓性部分は、バネとして動作してもよい。サスペンション手段１０３４は、Ｘ方向には高い剛性を有するが、Ｙ方向には柔軟性を有する（bendable）である。従って、外側試験質量体フレーム１００４はＹ方向に動くように拘束される。内側試験質量体１０５４は、２つのサスペンション手段１０４４によって吊り下げられている。サスペンション手段１０４４（この例では内側試験質量体１０５４の可撓性部分である）は、内側試験質量体１０５４の外側から外側試験質量体フレーム１００４の内側に連結されている。内側試験質量体１０５４のこれらの可撓性部分は、バネとして動作してもよい。サスペンション手段１０４４は、Ｙ方向に高い剛性を有するが、Ｘ方向に柔軟性を有する。したがって、内側試験質量体１０５４は、外側試験質量体フレーム１００４に対してＹ方向に動くことを拘束され、外側試験質量体フレーム１００４とともにＹ方向に動く。内側試験質量体１０５４は、外側試験質量体フレーム１００４に対してＸ方向に動くことができる。このように、外側試験質量体フレーム１００４のサスペンション手段１０３４のＸ方向における剛性により、内側試験質量体１０５４のみが、回転が加えられたときに生じるＸ軸のコリオリ力を受ける。
【0113】
慣性センサ１０００はまた、４つの微小共振器１００２を備える。内側試験質量体１０５４は、微小共振器１００２のうちの２つに隣接するとともに当該２つの微小共振器１００２と非連続に吊り下げられている。外側試験質量体フレーム１００４は、他の２つの微小共振器１００２に隣接するとともに当該他の２つの微小共振器１００２と非連続に吊り下げられている。慣性センサ１０００はさらに、対応する微小共振器１００２に入る光およびその微小共振器１００２から出る光と結合するための４つの光カプラ１００８を備える。慣性センサ１０００は、１つ以上の検出器（図１０には示されていない）をさらに備えてもよい。図１０に矢印で示すように、光は光カプラに入り、対応する微小共振器に入力され、その微小共振器から出力された後、検出器に出力される。
【0114】
慣性センサ１０００は、外側試験質量体フレーム１００４のＹ方向への撓みを静電気力で打ち消すための４つの電極１００６をさらに備える。外側試験質量体フレーム１００４の上方に２つの電極１００６があり、外側試験質量体フレーム１００４の下方に２つの電極１００６があるので、静電気力を外側試験質量体フレーム１００４の両側に印加して、外側試験質量体フレーム１００４の移動または位置の維持を正確に制御することができる。慣性センサ１０００はさらに、内側試験質量体１０５４のＸ方向への撓みを静電気力で打ち消すための２つの電極１０４６を備える。６つの電極１００６、１０４６のそれぞれは、２本のフィンガー部を備え、図６に関連してより詳細に説明するように、インターディジット型である。
【0115】
慣性センサ１０００は、図９に関連して上記で説明したように、同時に実行されるセンスモードとドライブモードとを有する。図１０に示すように、ドライブモードはＹ軸に沿っており、センスモードはＸ軸に沿っている。サスペンション手段１０４４、１０３４の向きは、上述したように、内側試験質量体１０５４および外側試験質量体フレーム１００４の移動方向を拘束するので、ドライブモードがセンスモードに相互結合（cross couple）することはなく、同様にコリオリ効果がドライブモードに結合することもない。
【0116】
ドライブモードについては、外側試験質量体フレーム１００４の上部および下部にある４つの電極１００６は、フレーム１００４を駆動して周波数Ωで振動させるためのものである。外側試験質量体フレーム１００４と内側試験質量体１０５４とを接続するサスペンション手段１０４４は、Ｙ方向に剛性があり、したがって外側試験質量体フレーム１００４から内側試験質量体１０５４に振動を伝える。したがって、振動エネルギーは、外側試験質量体フレーム１００４から内側試験質量体１０５４に伝達され、内側試験質量体がコリオリ効果を受けるようになる。外側の試験質量体フレーム１００４の上部および下部の突出部のそれぞれの側にある微小共振器１００２とそれに対応する光カプラ１００８とは、試験質量体フレーム１００４が正しい周波数で駆動されていることを検知するためのものである。
【0117】
センスモードについては、内側試験質量体１０５４の右側および左側にあるサスペンション手段１０４４によって、Ｘ方向に自由に動くことができる。内側試験質量体１０５４は、Ｚ軸を中心とする回転によってＸ方向に変位する。試験質量体１０５４がＸ方向にΔｘだけ変位すると、図４に関連して説明したように、試験質量体１０５４の内部の電極１０４６は、内側試験質量体１０５４をＸ軸に沿って作動させ、ドリフトおよびノイズを低減する。
【0118】
外側試験質量体フレーム１００４がＹ方向に周波数Ωで駆動されているとき、振動エネルギーは、サスペンション形状によってＸ軸方向に動くように拘束されている内側試験質量体１０５４に伝達される。センサ１０００が回転すると、内側試験質量体１０５４は、コリオリ効果により周波数ΩでＸ軸に沿って撓む。図８および図９に関連して説明した方法と同じ方法で、内側試験質量体の中心柱の左右にある微小共振器１００２を使用して回転速度を検出することができる。
【0119】
図１０は、試験質量体の周囲の特定の位置に配置されたインターディジット電極によって行われる静電駆動を示している。静電駆動は、Ｘ方向およびＹ方向に試験質量体に力を加えるような任意の方法で配置され得る。
【0120】
図１０に示す配置では、バネが駆動方向（ドライブ方向）またはセンス方向のいずれかに非常に硬くなるように調整可能な２つのフレームを使用するため、センス方向とドライブ方向の振動の軸間結合（cross-axis coupling）が減少するという利点がある。
【0121】
図１０は、内側試験質量体１０５４および外側試験質量体フレーム１００４を有するセンサ１０００を示しているが、センサは単一の試験質量体を有することができ、ディスク型半球システムや音叉構造など他の方法で設計可能である。
【0122】
図１０は、特定の数の各構成要素を備えるが、センサは、任意の数の光カプラ、微小共振器、試験質量体、および電極を備えることができ、任意の単一または複数の軸の加速度および回転速度の測定を行うことができる。
【0123】
図１１は、図９の慣性センサ９００または図１０の慣性センサ１０００が回転速度を検出する場合に使用する制御ループフィードバックシステム１１００を示す。この制御ループフィードバックシステム１１００は、図４のフィードバックシステム４００の一例である。閉ループフィードバックシステム１１００は、慣性センサと、センサの内部または外部の制御器とによって実現される。
【0124】
センサがＺ軸を中心に回転しているとき（１１２０）、センサはセンスモード１１１４とドライブモード１１１３の両方にある。閉ループフィードバックを実行する制御器は、ドライブモードおよびセンスモードに対して別々の閉ループ制御を有する。ドライブモード用の閉ループ制御部１１１６は、閉ループフィードバックを使用して振幅を安定に保ち、ドライブモード振動振幅を所定の基準設定値と比較し規制することによって静電気力を調整する（１１２２）。センスモード用の閉ループ制御部１１１８は、センサ出力を監視し、周波数Ωにおける振幅の変化を調べ、静電駆動部（静電アクチュエーション部）１１４６を用いてそのような変化を打ち消す。
【0125】
ドライブモード１１１３では、静電駆動部１１２２を用いて試験質量体が周波数ΩでＸ方向に駆動される。センサにはＸ方向に駆動力がかかり、センサは出力電圧Ｖを出力する。センサの出力電圧は、ドライブモード用の閉ループ制御のための制御器に入力される。出力電圧は、電圧をデジタル信号に変換するために制御器内のＡＤＣ１１２８に入力され、ＤＳＰ１１３０を使用してフィルタリングされる。その後、信号は復調され（１１３２）、所定の基準点と比較可能なドライブモード振動振幅を得る。特に、復調された信号は、振動の振幅および振動の周波数のオフセットに関する情報を抽出するために使用され、その後、閉ループ制御からのフィードバックによって補正され得る。閉ループ制御部１１３４は、ドライブモード振動振幅を所定の基準設定値と比較し、安定性を維持するために必要なセンサの作動を決定する。閉ループ制御部１１３４は、Ｘ軸方向の静電駆動部１１２２のために、変調器１１２６およびＤＡＣ１１２４を介して駆動信号をセンサの適切な電極に送る。また、デジタル制御発振器１１０８に接続された位相ロックループ（ＰＬＬ）１１０６が設けられている。ＰＬＬ１１０６は、周波数をロック状態に保ち、システムの他の部分で使用される周波数基準を生成する。回転速度に対するセンサの感度を高めるには、駆動力が非常に正確で、安定したピーク振幅および周波数を有する振動を生成することが重要である。
【0126】
センスモード１１１４では、Ｚ軸を中心とするセンサの回転により（１１２０）、Ｙ軸に沿って試験質量体に力が加えられる。センサは出力電圧Ｖを出力する。センサの出力電圧は、センスモード用の閉ループ制御のための制御器に入力される。出力電圧は、電圧をデジタル信号に変換するためにＡＤＣ１１３６に入力され、ＤＳＰ１１３８を使用してフィルタリングされる。次に、信号は復調されて（１１４０）、回転速度に比例し、回転速度に応答して発生するコリオリ振幅を表す同相レートを得る。復調器１１４０は、周波数の不一致に関連する誤差を表す直交信号も出力する。次いで、閉ループ制御部１１４２は、同相レートを用いて回転速度を決定し、出力する（１１５２）。また、閉ループ制御部１１４２は、直交信号と同相レートを抑制するための補正信号を出力する。補正信号は変調され（１１５０）、ＤＡＣ１１４８を介して電圧信号に変換され、Ｙ軸方向の静電駆動のためのセンサの適切な電極に送られる（１１４６）。
【0127】
図１２は、例示的な慣性測定ユニット（ＩＭＵ）１２００のブロック図である。ＩＭＵ１２００は、少なくとも１つの慣性センサ１００とプロセッサ１２０２とを備える。図１２は、６つの慣性センサ１００を図示している。慣性センサ１００のうち５つは、オプションであることを示す破線で示されている。ＩＭＵ１２００には６つのセンサ１００が示されているが、慣性測定ユニット１２００は、より多くのまたはより少ない慣性センサを備えることができる。プロセッサは、本明細書で説明する任意の制御器の動作を実行することができる。図１の慣性センサ１００がＩＭＵに含まれるものとして示されているが、ＩＭＵは、本明細書に記載される任意の慣性センサを含んでもよい。ＩＭＵは、図６の慣性センサ６００、図９の慣性センサ９００、および／または図１０の慣性センサ１０００を備えてもよい。
【0128】
プロセッサ１２０２は、各慣性センサ１００について、１つ以上の検出器１１０から電気信号を受信し、試験質量体１０４と微小共振器１０２との間の間隔の変化に応答した１つ以上の微小共振器１０２の光共振特性の変化を検出し、1つ以上の微小共振器１０２の光共振特性の変化に基づいて慣性センサ１００の加速度および／または回転速度を決定し、１つ以上の微小共振器１０２の光共振特性の変化に基づいて１つ以上の電極１０６の静電気力を制御するように構成されている。１つ以上の電極１０６の静電気力は、対応する微小共振器１０２の光共振特性の変化に基づいて制御されてもよい。プロセッサ１２０２はさらに、各電極１０６の静電気力を変化させ、各微小共振器１０２の光共振特性の変化を検出することによって、各慣性センサ１００を較正（キャリブレーション）するように構成されてもよい。
【0129】
ＩＭＵ１２００は、図１２に示すように、６つの慣性センサを備えてもよい。６つの慣性センサは、加速度検出用の３つの慣性センサ１００と回転速度検出用の３つの慣性センサ１００とを含む。加速度検出用の３つの慣性センサ１００はそれぞれ異なる軸を検出するように配置され、回転速度検出用の３つの慣性センサ１００はそれぞれ異なる軸を検出するように配置される。例えば、３つの加速度検出用慣性センサ１００は、Ｘ軸方向の加速度を検出するためのセンサ１００と、Ｙ軸方向の加速度を検出するためのセンサ１００と、Ｚ軸方向の加速度を検出するためのセンサ１００とを備えてもよい。また、３つの回転速度検出用慣性センサ１００は、Ｘ軸まわりの回転速度を検出するためのセンサ１００と、Ｙ軸まわりの回転速度を検出するためのセンサ１００と、Ｚ軸まわりの回転速度を検出するためのセンサ１００とを備えてもよい。これにより、３次元軌道のトラッキングのための６自由度を提供することが可能になる。プロセッサ１２０２は、各慣性センサ１００の加速度および／または回転速度に基づいて、慣性測定ユニット１２００の総加速度および／または総回転速度を算出する。
【0130】
この例のＩＭＵは、加速度検出用の３つの慣性センサ１００と回転速度検出用の３つの慣性センサ１００とを備えるが、ＩＭＵ１２００は、加速度検出用の任意の数の慣性センサ１００と回転速度検出用の任意の数の慣性センサ１００を備えることができる。
【0131】
本明細書に記載された方法の多くの変形は、当業者には明らかであろう。
【0132】
本明細書（添付の特許請求の範囲、要約および図面を含む）に開示された各特徴は、明示的に別段の記載がない限り、同一、同等または類似の目的を果たす代替的な特徴で置き換えることができる。したがって、明示的に別段の記載がない限り、開示される各特徴は、同等または類似の特徴の包括的なシリーズの一例に過ぎない。
【0133】
本発明は、前述の実施形態の詳細に限定されるものではない。本発明は、本明細書（添付の特許請求の範囲、要約および図面を含む）に開示された特徴の新規なもの、または新規な組み合わせ、あるいはそのように開示された方法またはプロセスのステップの新規なもの、または新規な組み合わせに及ぶ。特許請求の範囲は、単に前述の実施形態のみをカバーするように解釈されず、特許請求の範囲に含まれる任意の実施形態もカバーするように解釈されるべきである。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【国際調査報告】