JP2015522807A

JP2015522807A - 光学式加速度計システム

Info

Publication number: JP2015522807A
Application number: JP2015516080A
Authority: JP
Inventors: エイマイヤーダグラス; ディーブラトヴィッチマイケル; エスラーセンマイケル; シーグリフィスロバート
Original assignee: Northrop Grumman Systems Corp
Current assignee: Northrop Grumman Systems Corp
Priority date: 2012-06-06
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2015-08-06
Anticipated expiration: 2033-05-31
Also published as: WO2013184515A1; US20130327146A1; EP2859302A4; EP2859302B1; US9285390B2; JP5926456B2; EP2859302A1

Abstract

一実施形態は、加速度計システムを含む。本システムは、光学ビームを直線偏光で放射するよう構成されるレーザーを備える。また、本システムは、光学キャビティシステムを備える。光学キャビティシステムは、バネを介して加速度計ハウジングに連結され、光学ビームを反射するよう構成されるミラーを備える。また、光学キャビティシステムは、光学ビーム及び反射した光学ビームのうちの少なくとも一方の少なくとも一部を受光するよう構成され、加速度計ハウジングに作用する外部加速度に起因するミラーの動きを示す加速度信号を生成するよう構成された、少なくとも１つの光検知器を備える。本システムは、加速度信号に基づいて外部加速度の大きさを算出するよう構成された加速度プロセッサを、さらに備える。【選択図】図１

Description

関連出願

本出願は、「光学式加速度計システム」と題する２０１２年６月６日出願の米国仮特許出願第６１/６５６，３１１号、及び「光学式加速度測定システム」と題する２０１２年７月１２日出願の米国仮特許出願第６１/６７０，８６１号の優先権を主張し、両出願はその全体が参照により本出願に組み込まれる。

本発明は、概して、センサシステムに関し、特に、光学式加速度計システムに関する。

加速度を測定するための多くのタイプの計器が開発されている。その一例は力平衡型加速度計である。例えば、振子式の静電気力平衡型（pendulous electrostatic force-balanced）加速度計では、閉ループシステム内の静電気的強制動作（electrostatic forcing）が振子の慣性質量又は試験質量（proof mass）からの出力を位置付け、かつ取得するために用いられる。静電気的強制システムは、シリコン基板からエッチングされた振子部材の各側に容量性のピックオフ電極を用いることができる。各電極に一定量の電荷を順次印加するために、制御パルスが用いられる。電荷が各プレートに残る時間の量（例えば、デューティーサイクル）を変えることによって、可変の力が慣性質量に印加される。電荷が各プレートに残る時間の量は、ヌル位置に対する慣性質量の変位に基づく。しかし、静電気力平衡型加速度計は、慣性測定及び／又はナビゲーションシステムにおける誤差の主な原因となり得る加速度計のバイアス不確定性といった多くの有害な事象を受ける。バイアス不確定性は、ターン・オン時の遷移挙動と、非モデル化性と、ヒステリシス及び単なる経時的傾向を含む温度特性に対するバイアスの不安定性とのために生じ得る。さらに、振子式静電気力平衡型加速度計は、バイアス及びスケールファクタの変化をもたらす過度の加速度入力によって損傷を受け、加速度計をさらに調整するよう求められることになる。

本発明の一実施形態は、加速度計システムを含む。本システムは、直線偏光で光学ビームを放射するよう構成されたレーザーを備える。また、本システムは光学キャビティシステムを備える。光学キャビティシステムは、バネを介して加速度計ハウジングに連結され、光学ビームを反射するよう構成されたミラーを備える。また、光学キャビティシステムは、光学ビーム及び反射した光学ビームのうち少なくとも一方の少なくとも一部を受光し、加速度計ハウジングに作用する外部加速度に起因するミラーの動きを表す加速度信号を生成するよう構成された少なくとも１つの光検知器を備える。本システムは、加速度信号に基づいて外部加速度の大きさを算出するよう構成された加速度プロセッサを、さらに備える。

他の実施形態は加速度測定方法を含む。本方法は、直線偏光で光学ビームを生成するステップを含む。また、本方法は、バネを介して加速度計ハウジングに連結され、光学ビームを反射するよう構成されたミラーを備える光学キャビティシステムに光学ビームを供給するステップを含む。また、本方法は、光学ビーム及び反射した光学ビームのうち少なくとも一方の少なくとも一部を受光するよう構成された少なくとも１つの光検知器を介して加速度信号を生成するステップを含む。加速度信号は、加速度計ハウジングに作用する外部加速度に起因するミラーの動きを示すことができる。本方法は、加速度信号の周波数を、基準周波数と比較することに基づいて、外部加速度度の大きさを算出するステップをさらに含む。

他の実施形態は加速度計システムを含む。本システムは、複数の直交する軸の１つにそれぞれ対応する、複数の光学式加速度検知システムを備える。複数の光学式加速度検知システムは、それぞれ、反射した一部の光学ビームに応答して第１の直線偏光と第２の直線偏光との間で周期的に変化する直線偏光で光学ビームを放射するよう構成されたレーザーを備える。また、複数の光学式加速度検知システムは、それぞれ光学キャビティシステムを備える。光学キャビティシステムは、レーザーとミラーとの間に配置され、光学ビームを第１及び第２の直線偏光の一方から円偏光に変換し、反射した光学ビームを円偏光から第１及び第２の直線偏光の他方に変換するよう構成された１／４波長板を備える。また、光学キャビティシステムは、バネを介して加速度計ハウジングに連結され、反射した光学ビームを供給すべく光学ビームを反射するよう構成されたミラーを備える。光学キャビティシステムは、直交する複数の軸のそれぞれ１つにおける加速度計ハウジングに作用する外部加速度に起因するミラーの動きを示す加速度信号を生成するために、光学ビーム及び反射した光学ビームのうち少なくとも一方の少なくとも一部を受光する少なくとも１つの光検知器をさらに備える。光学キャビティシステムは、複数の光学式加速度検知システムそれぞれの加速度信号に基づいて外部加速度の大きさを算出するよう構成された加速度プロセッサを、さらに備える。

光学式加速度計システムの例を示す図である。光学式加速度検知システムの例を示す図である。タイミングチャートの例を示す図である。光学式加速度検知システムの他の例を示す図である。タイミングチャートの他の例を示す図である。光学式加速度検知システムの上面図の例を示す図である。光学式加速度検知システムのさらに他の例を示す図である。光学式加速度計システムの他の例を示す図である。光学式加速度計システムの他の例を示す図である。光学式加速度検知システムのさらなる例を示す図である。３軸の光学式加速度計システムの例を示す図である。加速度測定方法の例を示す図である。

本発明は、概してセンサシステムに関し、特に光学式加速度計システムに関する。光学式加速度計システムは、第１の直線（すなわち、水平又は垂直）偏光で光学ビームを生成するよう構成されている垂直キャビティ面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）として構成することのできるレーザーを備える。また、光学式加速度計システムは、ミラー及び少なくとも１つの光検知器を有する光学キャビティシステムを備える。ミラーは、バネを介して加速度計ハウジングに連結することができ、レーザーの方へ光学ビームを反射するよう構成される。光検知器は、反射した光学ビームをレーザーの利得媒質と光検知器との両方で受光するように、レーザーに関連する利得媒質を取り囲んで、レーザーとほぼ同一平面上に配置することができる。反射した光学ビームは、第１の直線偏光とは反対の第２の直線偏光（すなわち、それぞれ垂直又は水平の偏光）で受光することができる。例えば、光学キャビティシステムは、レーザーとミラーとの間に１／４波長板を備えることができ、１／４波長板は光学ビームを第１の直線偏光から円偏光に変換し、反射した光学ビームを円偏光から第２の直線偏光に変換することができる。

そのため、反射した光学ビームは、第１の直線偏光と第２の直線偏光との間で光学ビームの放射が周期的に振動するように、レーザーの利得媒質を励起することができる。そのため、光検知器は、光学ビームの第１と第２の直線偏光との間の遷移に基づいて周期的な振動を検知するように構成することができる。光検知器は、周期的な振動に関連する周波数を有する加速度信号を生成するよう構成することができる。周期的な振動の周波数は、加速度計ハウジングに作用する外部加速度に基づいて変わる。本システムは、加速度信号の周波数に基づく外部加速度の大きさを算出するよう構成された加速度プロセッサを、さらに備えることができる。

図１は、光学式加速度計システム１０の例を示している。光学式加速度計システム１０は、ナビゲーション及び／又はガイダンスシステムのような多様な用途のいずれにも実装することができる。そのため、光学式加速度計システム１０は、光学式加速度計システム１０に作用する外部加速度を算出するよう構成することができる。本明細書に記載されるように、外部加速度は、光学式加速度計システム１０の物理的なハウジングに加えられる外力に起因する光学式加速度計システム１０の物理的なハウジングの加速度として定義され、他の外力に起因する加速度と同様に重力を含むことができる。

光学式加速度計システム１０は、光学式加速度検知システム１２及び加速度プロセッサ１４を備える。光学式加速度検知システム１２は、光学式加速度検知システム１２が物理的に連結されている加速度計ハウジングに加えられる外力に起因する動きを検知するよう構成される。光学式加速度検知システム１２は、少なくとも１つのレーザー１６及び光学キャビティシステム１８を備える。レーザー１６は、例えば、直交する励起軸（stimulation axes）を含む利得媒質を含むような垂直キャビティ面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）として構成される。レーザー１６は、本明細書でより詳細に説明されるように直線偏光間で交互する光学ビームを生成するよう構成される。例えば、レーザー１６は、レーザー１６の利得媒質の第１の励起軸に対する水平偏光（すなわち、p偏光）とすることができる第１の直線偏光と、レーザー１６の利得媒質の第１の励起軸に対する垂直偏光（すなわち、ｓ偏光）とすることができる第２の直線偏光との間で交互することができる。

図１の例において、光学キャビティシステム１８は、バネに取り付けられたミラー２０及び１つ以上の光検知器２２を備える。ミラー２０は、外力に応答するといったように、加速度計ハウジングの外部加速度に応答して加速度計ハウジングに対して動くことができるように、バネを介して加速度計ハウジングに取り付けることができる。ミラー２０は、レーザー１６から放射された光学ビームを、レーザー１６から放射された光学ビームの偏光（例えば、水平又は垂直な偏光）とは逆の偏光で、光検知器２２で受光されるべく光検知器２２の方へ反射するように構成される。一例として、ミラー２０は、レーザー１６の利得媒質の、直交する励起軸を励起するように、レーザー１６を周期的に水平及び垂直偏光のいずれか一方の放射と、水平及び垂直偏光の他方の放射との間で周期的に振動させるように、光学ビームをレーザー１６にも反射して戻すことができる。

そして、光検知器２２は、反射した光学ビームの強度を測定し、それぞれ少なくとも１つの加速度信号ＡＣＣＥＬを生成するように構成することができる。一例として、加速度信号ＡＣＣＥＬは、レーザー１６からの水平及び垂直偏光の放射の間での周期的な振動に対応する周波数を有する。そして、加速度信号ＡＣＣＥＬの周波数は、外部加速度に応答した加速度計ハウジングに対するミラー２０の動きに応じて変化し得る。そのため、加速度信号ＡＣＣＥＬは外部加速度の存在を示すことができる。加速度信号ＡＣＣＥＬは、加速度信号ＡＣＣＥＬの周波数に基づいて外部加速度の大きさを算出するよう構成される加速度プロセッサ１４に供給される。例えば、加速度プロセッサ１４は、加速度信号ＡＣＣＥＬの周波数を所定の基準周波数Ｆ＿ＲＥＦと比較することができる。そのため、加速度計システム１０は、加速度プロセッサ１４に基づいて少なくとも１つの次元における、外部加速度の大きさを算出するよう構成することができる。

図２は、光学式加速度検知システム５０の例を示している。光学式加速度検知システム５０は、図１の例における光学式加速度検知システム１２に相当する。そのため、以下の図２の例の説明では、図１の例が参照される。

光学式加速度検知システム５０は、複数の光検知器５４とほぼ同一平面上に配置されたＶＣＳＥＬ５２を備える。一例として、光検知器５４は、デカルト座標系５５で示されるように、ほぼＸ軸平面におけるＶＣＳＥＬ５２を実質的に取り囲むフォトダイオードとして構成することができる。ＶＣＳＥＬ５２は、光学ビーム５６をアパーチャからほぼＹ軸方向に放射するよう構成され、光学ビーム５６は、直線偏光（すなわち、水平又は垂直偏光）を有する。また、図２の例において、光学式加速度検知システム５０は、ＶＣＳＥＬ５２から放射される光学ビーム５６の光路内に１／４波長板５８を備える。そのため、１／４波長板５８は、光学ビーム５６に１／４波長のリターダンスを与えて、光学ビーム５６を直線偏光から円偏光に変換する。

また、光学式加速度検知システム５０は、バネ６４によって加速度計ハウジング６２に取り付けられたミラー６０を備える。そのため、ミラー６０は加速度計ハウジング６２に作用する外部加速度に応答するように、加速度計ハウジング６２に対して動くことができる。ＶＣＳＥＬ５２とミラー６０との間のＹ軸に沿う距離は、光学キャビティ６６を画定する。そこで、１／４波長板５８によって円偏光に変換された光学ビーム５６は、反射ビーム６８としてミラー６０から１／４波長板５８に戻るよう反射する。そして、１／４波長板５８は、反射ビーム６８を直線偏光に戻す変換をする。しかし、１／４波長板５８によってもたらされた、追加の１／４波長のリターダンスによって、反射ビーム６８の直線偏光は、ＶＣＳＥＬ５２から放射された光学ビーム５６の偏光と直交する。そのため、光学ビーム５６が垂直偏光を有する場合、反射ビーム６８は水平偏光を有し、光学ビーム５６が水平偏光を有する場合、反射ビーム６８は垂直偏光を有する。

反射ビーム６８は、ＶＣＳＥＬ５２及び光検知器５４に戻される。そして、光検知器５４は、反射ビーム６８の強度をモニタするよう構成される。前述したように、ＶＣＳＥＬ５２は、互いにほぼ直交する励起軸を含む利得媒質を有することができる。そのため、ＶＣＳＥＬ５２に反射ビーム６８が供給されると、反射ビーム６８は、反射ビーム６８の偏光に対応する励起軸、したがって、ＶＣＳＥＬ５２から放射される光学ビーム５６に対して直交する励起軸を励起し始める。直交する励起軸の励起の結果、ＶＣＳＥＬ５２は、光学ビーム５６の直線偏光を、反射ビーム６８によって励起される励起軸に対応するように切り替える。そのため、反射ビーム６８の直線偏光は、光学ビーム５６と反射ビーム６８との両方が１／４波長板を通ることによって、光学ビーム５６に対して直交偏光に変化する。したがって、ＶＣＳＥＬ５２は、光学ビーム５６を供給することで、直線偏光（例えば、垂直及び水平偏光）の間で振動する。

各光検知器５４は、反射ビーム６８の強度に相当する、図２の例にて加速度信号ＡＣＣＥＬ_１及びＡＣＣＥＬ_２として示される加速度信号ＡＣＣＥＬを生成するように構成される。垂直直線偏光と水平直線偏光との間の光学ビーム５６の各遷移において、光学ビーム５６、及び反射ビーム６８は、ほぼ強度０にまで降下する。そのため、加速度信号ＡＣＣＥＬは、各遷移での強度降下に基づいて直線偏光間の遷移に対応する周波数を有することができる。

図３は、タイミングチャート１００の例を示している。タイミングチャート１００は、各光検知器５４によって測定され、それゆえ信号ＡＣＣＥＬに相当する反射ビーム６８の時間に対する強度プロファイルを示している。時刻Ｔ_０には、反射ビーム６８が強度Ｉ_１の水平直線偏光で光検知器５４に供給され、光学ビーム５６は垂直偏光で供給されている。そして、時刻Ｔ_０後の時間に反射ビーム６８は、ＶＣＳＥＬ５２の利得媒質の水平の励起軸を励起する。その結果、およそ時刻Ｔ_１でＶＣＳＥＬ５２は、光学信号５６の放射を垂直直線偏光から水平直線偏光に切り替える。そのため、反射ビーム６８は垂直直線偏光に変化する。およそ時刻Ｔ_１で、ＶＣＳＥＬ５２は光学ビーム５６の放射を垂直直線偏光から水平直線偏光に切り替えるので反射ビーム６８の強度はほぼ０に降下する。水平直線偏光での光学ビーム５６の放射時には、反射ビーム６８の強度は、増加してほぼ強度Ｉ_１に戻る。

時刻Ｔ_１後の時間に、反射ビーム６８は、ＶＣＳＥＬ５２の利得媒質の垂直励起軸を励起する。その結果、およそ時刻Ｔ_２で、ＶＣＳＥＬ５２は、光学信号５６の放射を水平直線偏光から垂直直線偏光に切り替える。そのため、反射ビーム６８は水平直線偏光に変化する。概ね時刻Ｔ_２で、ＶＣＳＥＬ５２が光学ビーム５６の放射を水平直線偏光から垂直直線偏光に切り替えるため、反射ビーム６８の強度はほぼ０に降下する。垂直直線偏光での光学ビーム５６の放射時には、反射ビーム６８の強度は、増加してほぼ強度Ｉ_１に戻る。

以降、直線偏光間の反射ビームの振動が続く。図３の例では、光学ビーム５６は、ほぼ時刻Ｔ_３にて垂直直線偏光で放射されてから水平直線偏光に切り替わる。その結果、反射ビーム６８は、概ね時刻Ｔ_３で水平直線偏光から垂直直線偏光に切り替わる。そのため、概ね時刻Ｔ_３で反射ビーム６８の強度はほぼ０に降下する。したがって、加速度信号ＡＣＣＥＬはそれぞれ、直線偏光間の反射ビーム６８の振動に基づく周波数を有する。そのため、加速度計システム１０は、既知の定常周波数が定常（すなわち、外部加速度のない）状態に相当するように較正することができる。

図２の例に戻って参照すると、前述したように、バネ６４を介して加速度計ハウジング６２にミラー６０を取り付けることによって、ミラー６０は、加速度計ハウジング６２に作用する外部加速度に応答するといったように、加速度計ハウジング６２に対して動くことになる。図２の例において、加速度計ハウジング６２の＋Ｙ方向の外部加速度によって、ミラー６０は−Ｙ方向に相対的に動くことになる。その結果、光学キャビティ６６の長さが短くなり、光学ビーム５６と反射ビーム６８のそれぞれが光学キャビティ６６を通過する時間が短くなる。したがって、反射ビーム６８の直線偏光間の振動の周波数、すなわち加速度信号ＡＣＣＥＬの周波数は高くなる。同様に、加速度計ハウジング６２の−Ｙ方向の外部加速度によってミラー６０は＋Ｙ方向に相対的に動くことになる。その結果、光学キャビティ６６の長さが長くなり、光学ビーム５６と反射ビーム６８のそれぞれが光学キャビティ６６を通過する時間が長くなる。したがって、反射ビーム６８の直線偏光間の振動の周波数、すなわち加速度信号ＡＣＣＥＬの周波数は低くなる。加速度信号ＡＣＣＥＬの増減量は、外部加速度の大きさに正比例する。したがって、加速度信号ＡＣＣＥＬの周波数変化は、外部加速度の大きさに直接、相当する。

さらに、加速度信号ＡＣＣＥＬ_１及びＡＣＣＥＬ_２は各光検知器５４によって独立に生成されるため、Ｘ軸及びＺ軸の少なくとも１つに、外部加速度のベクトル成分があったとしても加速度信号ＡＣＣＥＬ_１及びＡＣＣＥＬ_２は外部加速度の大きさを示すことができる。例えば、＋Ｘ方向の外部加速度は、−Ｘ方向におけるミラー６０の動きをもたらすことができる。その結果、反射ビーム６８は、加速度信号ＡＣＣＥＬ_２を生成する光検知器５４よりも、加速度信号ＡＣＣＥＬ_１を生成する光検知器５４において、より大きい表面積に供給される。多数の光検知器５４を用いることで、外部加速度のベクトル成分が、加速度計システム１０の動作に悪影響を与えないように、よりしっかりした加速度計システム１０を提供することができる。

このようにして、加速度計システム１０は、加速度信号ＡＣＣＥＬの周波数に基づいて、外部加速度の大きさを算出することができる。したがって、加速度計システム１０は、振子式の静電気力平衡型加速度計の場合にあり得るように、加速度計の追加の較正を必要とするバイアス及びスケールファクタを変化させてしまう過度の加速度入力によるダメージを受けるおそれがほとんどない。さらに、外部加速度は、（例えば、原子時計の利用に基づいて）非常に正確に算出することができる周波数の関数として算出されるため、加速度計システム１０は、非常に正確な方法で加速度を算出することができ、従来の静電気力平衡型加速度計にある多くのノイズ源に影響されない。

光学式加速度検知システム５０は、図２の例に限定するようには意図しないことは理解されるであろう。例えば、ミラー６０を、バネ６４を介して加速度計ハウジング６２に取り付ける方法は、図２の例に示される方法に限定されず、様々な異なる方法（例えば、ミラー６０の周辺でたわむ）で実現することができる。さらに、図２の例は、２つの光検知器５４を示しているが、光学式加速度検知システム５０は、代わりに単一の光検知器５４を備えることもできるし、２つ以上の光検知器５４を備えることもできる。そのため、光学式加速度検知システム５０は、任意の様々な方法で構成することができる。

図４は、光学式加速度検知システム１５０の他の例を示している。光学式加速度検知システム１５０は、図１の光学式加速度検知システム１２に相当する。そのため、以降における図４の例の説明では図１の例が参照される。

光学式加速度検知システム１５０は、図２の例の光学式加速度検知システム５０とほぼ同様に構成することができる。図４の例では、光学式加速度検知システム１５０は、複数の光検知器１５４とほぼ同一平面上に配置されるＶＣＳＥＬ１５２を備える。ＶＣＳＥＬ１５２は、図２の例で前述したように、光学ビーム１５６をアパーチャから、デカルト座標系１５５によるほぼＹ軸方向に放射するよう構成され、光学ビーム１５６は、直線偏光間で振動する。特に、光学式加速度検知システム１５０は、光学ビーム１５６の直線偏光を、反射ビーム１６０において直交直線偏光に変換する１／４波長板１５８を備える。光学式加速度検知システム１５０は、バネ１６６によって加速度計ハウジング１６４に取り付けられたミラー１６２を、さらに備え、ＶＣＳＥＬ１５２とミラー１６２との間のＹ軸に沿う距離は、光学キャビティ１６８を画定する。

さらに、光学式加速度検知システム１５０は、光検知器１５４を覆う偏光フィルタ１７０を備える。一例として、偏光フィルタ１７０は、反射ビーム１６０が特定の直線偏光で供給されているときに、光検知器１５４が反射ビーム１６０を受光するのを阻止し得るように、特定の直線偏光をフィルタリングするよう構成することができる。そのため、反射ビーム１６０が特定の直線偏光で供給されているとき、加速度信号ＡＣＣＥＬの大きさはほぼ０になる。

図５は、タイミングチャート２００の他の例である。タイミングチャート２００は、各光検知器１５４で測定された、信号ＡＣＣＥＬに相当する反射ビーム１６０の時間に対する強度プロファイルを示している。一例として、偏光フィルタ１７０は、垂直直線偏光をフィルタリングするよう構成することができる。時刻Ｔ_０には、反射ビーム１６０は、強度I_１の水平直線偏光で光検知器１５４に供給され、光学ビーム１５６は、垂直直線偏光で供給される。そのため、時刻Ｔ_０後の時間に、反射ビーム１６０は、ＶＣＳＥＬ１５２の利得媒質の水平励起軸を励起する。その結果、概ね時刻Ｔ_１で、ＶＣＳＥＬ１５２は光学信号１５６の放射を垂直直線偏光から水平直線偏光に切り替える。そのため、反射ビーム１６０は、垂直直線偏光に変化する。概ね時刻Ｔ_１で、ＶＣＳＥＬ１５２が光学ビーム１５６の放射を垂直直線偏光から水平直線偏光に切り替えるので、反射ビーム１６０の強度はほぼ０に降下する。しかし、反射ビーム１６０の垂直直線偏光をフィルタリングする偏光フィルタ１７０があるために、光検知器１５４によって測定される反射ビーム１６０の強度はほぼ０のままである。

時刻Ｔ_１後の時間に、反射ビーム１６０は、ＶＣＳＥＬ１５２の利得媒質の垂直励起軸を励起する。その結果、概ね時刻Ｔ_２で、ＶＣＳＥＬ１５２は光学信号１５６の放射を水平直線偏光から垂直直線偏光に切り替える。そのため、反射ビーム１６０は、水平直線偏光に変化する。垂直直線偏光での光学ビーム１５６の放射時、したがって反射ビーム１６０が水平直線偏光で供給されると、光検知器１５４によって測定される反射ビーム１６０の強度は、増加してほぼI_１に戻る。

その後、直線偏光間での反射ビームの振動が続く。図５に示す例では、光学ビーム１５６は、概ね時刻Ｔ_３で、垂直直線偏光での放射から水平直線偏光に切り替わる。その結果、概ね時刻Ｔ_３で反射ビーム１６０は、水平直線偏光から垂直直線偏光に切り替わる。そのため、概ね時刻Ｔ_３で、光検知器１５４によって測定される反射ビーム１６０の強度は、ほぼ０に降下し、光学ビーム１５６が垂直直線偏光で再び供給されるまで、ほぼ０のままである。したがって、前述したのと同様に、加速度信号ＡＣＣＥＬはそれぞれ、直線偏光間での反射ビーム１６０の振動に基づく周波数を有する。しかし、図４及び５の例では、加速度信号ＡＣＣＥＬの周波数は、他の全ての直線偏光の変化を通して、０と強度I_１との間の強度変化に基づいてもっと簡単に測定することができる。

図６は、光学式加速度検知システム２５０の上面図の例を示している。光学式加速度検知システム２５０は、図２の例における光学式加速度検知システム５０、又は図４の例における光学式加速度検知システム１５０に相当する。光学式加速度検知システム２５０は、基板２５４、及びアパーチャ２５６を有する利得媒質を含むＶＣＳＥＬ２５２を備えている。また、光学式加速度検知システム２５０は、デカルト座標系２６０に基づいて示されるようにＸ-Ｙ平面内でＶＣＳＥＬ２５２を実質的に取り囲む複数の光検知器２５８を備えている。

図６の例において、ＶＣＳＥＬ２５２は、アパーチャ２５６から＋Ｙ方向に光学ビームを放射するよう構成される。そして、光学ビームは、バネで取り付けられたミラーで反射され、利得媒質２５６及び光検知器２５８によって直交偏光を有している反射ビームとして受光される。そのため、利得媒質２５６で受光された反射ビームの直交偏光に基づいて、光学ビームは、前述したように、直交直線偏光間で振動することができる。さらに、光検知器２５８は、それぞれ光学式加速度検知システム２５０が含まれる加速度計ハウジングの外部加速度に対応する周波数を有する加速度信号を別々に生成するよう構成することができる。

さらに、光検知器２５８はそれぞれ独立して加速度信号を生成するため、Ｘ軸及びＺ軸の少なくとも一方に外部加速度のベクトル成分が存在しさえすれば、加速度信号は外部加速度の大きさを示すことができる。例えば、＋Ｘ方向の外部加速度によってミラーは−Ｘ方向に動くことになる。その結果、図６の例における右端の光検知器２５８よりも左端の光検知器２５８の方が、広い表面積に反射ビームが供給される。そのため、光学式加速度検知システム２５０を備える光学式加速度計システムは、外部加速度のベクトル成分が、関連する光学式加速度計システムの動作に悪影響を及ぼさないように、ロバストに動作し得る。

さらに、図７は、光学式加速度検知システム３００のさらに他の例を示している。光学式加速度検知システム３００は、図１の例における光学式加速度検知システム１２に相当する。そのため、以降における図７の例では、図１の例が参照される。

光学式加速度検知システム３００は、図２の例の光学式加速度検知システム５０と同様に構成される。図７の例において、光学式加速度検知システム３００は、図２の例で前述したように、デカルト座標系３０５によるほぼＹ軸方向にアパーチャから光学ビーム３０４を放射するよう構成されているＶＣＳＥＬ３０２を備え、光学ビーム３０４は直線偏光間で振動する。特に、光学式加速度検知システム３００は、光学ビーム３０４の直線偏光を、反射ビーム３０８では直交直線偏光に変換する１／４波長板３０６を備える。光学式加速度検知システム３００は、バネ３１４によって加速度計ハウジング３１２に取り付けられる部分的に銀のミラー３１０を、さらに備え、ＶＣＳＥＬ３０２と部分的に銀メッキされたミラー３１０と間の、Ｙ軸に沿う距離は、光学キャビティ３１６を画定する。

ミラー３１０は部分的に銀メッキされているため、部分的に銀メッキされたミラー３１０は、光学ビーム３０４の一部が、透過ビーム３１８として部分的に銀メッキされたミラー３１０を通過することができるようにも構成される。透過ビーム３１８は、複数の光検知器３２０に供給され、これらの光検知器は、それぞれ透過ビーム３１８の強度をモニタし、図７の例に加速度信号ＡＣＣＥＬ_１及びＡＣＣＥＬ_２として示されて図２及び４の例で前述されているのと同様に、加速度信号ＡＣＣＥＬを生成するように構成される。そのため、加速度信号ＡＣＣＥＬ_１及びＡＣＣＥＬ_２は、光学ビーム３０４に対する反射ビーム３０８の直交直線偏光に基づいて、ＶＣＳＥＬ３０２の直線偏光の振動に相当する周波数を有することができる。さらに、部分的に銀メッキされたミラー３１０は、バネ３１４によって加速度計ハウジング３１２に取り付けられるため、部分的に銀メッキされたミラー３１０は、外部加速度に応答して加速度計ハウジング３１２とは無関係に動くことができる。そのため、加速度信号ＡＣＣＥＬ_１及びＡＣＣＥＬ_２の周波数は、図２及び４の例において前述したのと同様に外部加速度に応答して変化することができる。

そして、光学式加速度検知システム３００は、図３の例のタイミングチャート１００で示されるように、図２の例の反射ビーム６８と同様の透過ビーム３１８の強度プロファイルを有することができる。しかし、光学式加速度検知システム３００は、図４の例における光学式加速度検知システム１５０と同様に偏光フィルタを備えることもできる。例えば、光学式加速度検知システム３００は、部分的に銀メッキされたミラー３１０と光検知器３２０との間に、円偏光透過ビーム３１８を直線偏光に変換する追加の１／４波長板を備えることができる。そしてまた、光学式加速度検知システム３００は、垂直及び水平の直線偏光のうちの一方が、光検知器３２０に供給されるのを阻止するために光検知器３２０をふさぐ偏光フィルタを備えることができる。したがって、光学式加速度検知システム３００は、図５の例のタイミングチャート２００によって示される強度プロファイルとほぼ同様の、光検知器３２０によって受光される透過ビーム３１６の強度プロファイルを有するように構成することもできる。

図８は、光学式加速度計システム３５０の他の例を示している。光学式加速度計システム３５０は、第１の光学式加速度検知システム３５２、第２の光学式加速度検知システム３５４、及び加速度プロセッサ３５６を備える。例えば、第１及び第２の光学式加速度検知システム３５２及び３５４は、同様の構成要素及び大きさで構成され、図２，４，及び７の例における光学式加速度検知システム５０，１５０，及び３００のうちの１つとほぼ同様にそれぞれ構成することができる。したがって、第１の光学式加速度検知システム３５２は、レーザー３５８及び光学キャビティシステム３６０を備え、第２の光学式加速度検知システム３５４は、レーザー３６２及び光学キャビティシステム３６４を備える。そして、光学式加速度検知システム３５２及び３５４は、光学式加速度検知システム３５２及び３５４が物理的に連結されている加速度計ハウジングに加えられる外力によって生じる動きを検知するよう構成することができる。レーザー３５８及び３６２は、例えば、垂直の励起軸を含む利得媒質を有するＶＣＳＥＬとしてそれぞれ構成することができる。レーザー３５８及び３６２は、前述のように直線偏光間で交互に変化する光学ビームをそれぞれ生成するように構成することができる。

図８の例において、第１の光学キャビティシステム３６０は、バネに取り付けられたミラー３６６及び１つ以上の光検知器３６８を備え、第２の光学キャビティシステム３６４は、バネに取り付けられたミラー３７０及び１つ以上の光検知器３７２を備える。ミラー３６６及び３７０は、外力に応答するといったように、加速度計ハウジングの外部加速度に応答して加速度計ハウジングに対して動くことができるように、それぞれバネを介して加速度計ハウジングに取り付けることができる。ミラー３６６及び３７０は、各レーザー３５８及び３６２から放射された光学ビームを、各レーザー３５８及び３６２から放射された光学ビームの偏光（例えば、水平又は垂直偏光）とは逆の偏光で各光検知器３６８及び３７２で受光すべく、各光検知器３６８及び３７２の方へ反射する。また、ミラー３６６及び３７０は、前述したように、レーザー３５８及び３６２が、水平及び垂直偏光のうちの一方と、水平及び垂直偏光のうちの他方との間で周期的に振動するように、各光学ビームを各レーザー３５８及び３６２にも戻す方へ反射することができる。

そして、光検知器３６８及び３７２は、それぞれの反射または透過光学ビームの強度を測定し、相当する加速度信号ＡＣＣＥＬ＿１及びＡＣＣＥＬ＿２を生成するよう構成することができる。一例として、各加速度信号ＡＣＣＥＬ＿１及びＡＣＣＥＬ＿２は、各レーザー３５８及び３６２からの放射の水平及び垂直偏光の間における周期的な振動に相当する周波数をそれぞれ有することができる。したがって、加速度信号ＡＣＣＥＬ＿１及びＡＣＣＥＬ＿２の周波数は、外部加速度に応答する加速度計ハウジングに対する各ミラー３６６及び３７０の動きに応じてそれぞれ変化する。そのため、各加速度信号ＡＣＣＥＬ＿１及びＡＣＣＥＬ＿２は外部加速度の存在を示すことができる。

図８の例において、ミラー３６６及びミラー３７０を連結するバネは、ミラー３６６及びミラー３７０が外部加速度に応答して別々に動くように、関連した異なるバネ定数を有することができる。そのため、各光学キャビティシステム３６０及び３６４の有効なキャビティ長は、ミラー３６６及び３７０のバネの異なるバネ定数に基づく外部加速度に応じて異なる。例えば、光学キャビティシステム３６０及び３６４のうちの所定の１つのキャビティシステムのキャビティ長の変化は、温度とミラー３６６及び３７０のバネの関連したバネ定数との関数である。そのため、加速度プロセッサ３５６は、加速度信号ＡＣＣＥＬ＿１とＡＣＣＥＬ＿２の周波数の比、温度、及び所定の基準周波数Ｆ＿ＲＥＦに基づいて外部加速度の大きさを算出するよう構成することができる。一例として、加速度プロセッサ３５６は、加速度信号ＡＣＣＥＬ＿１に関連する周波数Ｆ_１と加速度信号ＡＣＣＥＬ＿２に関連する周波数Ｆ_２との比を算出するために（式１）を実行することができる。

ここで、L_０，１及びL_０，２は、各光学キャビティシステム３６０及び３６４の初期（例えば静止時の）キャビティ長である。ΔＴは温度変化である。Ｋ_０，１及びＫ_０，２は、ミラー３６６及び３７０に関連する各バネ定数である。ｍ_１及びｍ_２はミラー３６６及びミラー３７７の各質量である。ｄＬ/ｄＴは、初期温度Ｔから温度Ｔ＋ΔＴまでのキャビティ長の平均温度導関数である。ｄＫ/ｄＴは、初期温度Ｔから温度Ｔ＋ΔＴまでのバネ定数の平均温度導関数である。

加速度プロセッサ３５６は、所定の基準周波数Ｆ＿ＲＥＦを用いて測定された周波数Ｆ_１とＦ_２との比率の比較に基づいて、少なくとも１つの次元での外部加速度の大きさを算出するよう構成することができる。例えば、式（１）の各係数及び加速度プロセッサ３５４の出力は、例えば、所定の温度範囲（例えば−５５℃〜８５℃までの温度範囲）にわたり、標準の温度制御された＋/-１ｇのタンブル較正測定（tumble calibration measurement）を用いて温度について較正することができる。そのため、光学式加速度計システム３５０の材料の性質の変化や所定の基準周波数Ｆ＿ＲＥＦに対する変化にかかわらず、較正によって実質上安定で再現性のある外部加速度を算出することができる。その結果、光学式加速度計システム３５０は、安定性が低く、それゆえ高価ではない、所定の基準周波数Ｆ＿ＲＥＦを生成する周波数基準を実装しても、温度変化を通して安定した再現性のある外部加速度の算出を実現することができる。

図９は光学式加速度計システム４００のさらに他の例を示している。光学式加速度計システム４００は、温度にほとんど依存しない方法で外部加速度を算出するよう構成することができる光学式加速度計システム４００の他の例である。光学式加速度計システム４００は、光学式加速度検知システム４０２及び加速度プロセッサ４０４を含む。例として、光学式加速度計検知システム４０２は、図２，４，及び７の例における光学式加速度検知システム５０，１５０，及び４００のうちの１つとほぼ同様に構成することができる。そのため、光学式加速度検知システム４０２は、光学式加速度検知システム４０２が物理的に連結された加速度計ハウジングに加えられる外力から生じる動きを検知するよう構成された、レーザー４０６及び光学キャビティシステム４０８を含む。レーザー４０６は、直交する励起軸を含む利得媒質を含むような、例えば、ＶＣＳＥＬとして構成することができる。レーザー４０６は、前述したように直線偏光間で交互する光学ビームを生成するよう構成される。

図９の例において、光学キャビティシステム４０８は、バネに取り付けられたミラー４１０及び１つ以上の光検知器４１２を備える。ミラー４１０は、外力に応じてといったように、加速度計ハウジングの外部加速度に応じて加速度計ハウジングに対して動くことができるように、バネを介して加速度計ハウジングに取り付けることができる。ミラー４１０は、レーザー４０６から放射される偏光（例えば、水平または垂直偏光）とは逆の偏光で光検知器４１２において受光されるように、レーザー４０６から光検知器４１２の方へ放射された光学ビームを反射するよう構成される。ミラー４１０は、前述したように、レーザー４０６を水平又は垂直偏光のうちの一方の放射と、水平又は垂直偏光のうちの他方の放射との間で周期的に振動させるために、光学ビームをレーザー４０６の後方へ反射することができる。

そして、光検知器４１２は、反射した光学ビームの強度を測定し、加速度信号ＡＣＣＥＬのうちのそれぞれ少なくとも１つを生成するよう構成することができる。例として、加速度信号ＡＣＣＥＬは、レーザー４０６からの水平及び垂直偏光の放射間の周期的振動に相当する周波数を有することができる。そのため、加速度信号ＡＣＣＥＬの周波数は、外部加速度に応答する加速度計ハウジングに対するミラー４１０の動きに応じて変化する。そのため、加速度信号ＡＣＣＥＬは外部加速度の存在を示すことができる。加速度信号ＡＣＣＥＬは、信号ＡＣＣＥＬの周波数に基づく外部加速度の大きさを算出するよう構成された加速度プロセッサ４０４に供給される。例えば、加速度プロセッサ４０４は加速度信号ＡＣＣＥＬの周波数を、所定の基準周波数Ｆ＿ＲＥＦと比較することができる。そのため、加速度システム４００は、加速度プロセッサ４０４に基づいて少なくとも１つの次元の外部加速度の大きさを算出するよう構成することができる。

図９の例において、光学式加速度計システム４００は、基準システム４１４をさらに備える。基準システム４１４は、光学式加速度検知システム４０２と同様に構成することができる。特に、基準システム４１４は、レーザー４１６及び光学キャビティシステム４１８を含む。レーザー４１６は、例えば、直交する励起軸を含む利得媒質を含むようなＶＣＳＥＬとして構成することができ、前述のようにレーザー４１６は、直線偏光間で交互する光学ビームを生成するように構成される。光学キャビティシステム４１８は、ミラー４２０及び１つ以上の光検知器４２２を含む。一例として、ミラー４２０は、図２及び４の例におけるミラー６０及び１６２のようにそれぞれ十分な反射性とするか、又は、図７の例におけるミラー３１０のように部分的に銀メッキすることができる。光検知器４２２は、前述したように、加速度信号ＡＣＣＥＬと同様に、２つの直交直線偏光間での光学ビームの振動に相当する周波数を有する、それぞれ１つ以上の基準信号ＲＥＦを生成するよう構成される。

光学式加速度検知システム４０２とは対照的に、基準システム４１４のミラー４２０は、ばねを介して加速度計ハウジングに取り付けられていない。そのため、ミラー４２０は、外部加速度に応じて加速度計ハウジングに対して動かない。例として、基準システム４１４及び光学式加速度検知システム４０２は、プロセス整合コンポーネントとして製造することができる。そのため、基準システム４１４は、周波数基準として基準信号ＲＥＦを加速度プロセッサ４０４に供給するよう構成することができる。基準信号ＲＥＦの周波数基準は、加速度信号ＡＣＣＥＬのバイアス誤差となる温度誘起の周波数変動をほぼ打ち消すよう実装すべく、加速度信号ＡＣＣＥＬの定常状態の周波数を示すよう構成することができる。さらに、基準信号ＲＥＦの周波数基準は、非常に安定して再現可能に光学式加速度検知システム４０２の温度を示すことができ、光学式加速度検知システム４０２のスケールファクタの変化を温度の関数として非常に正確に再現可能にモデリングすることができる。そのため、加速度プロセッサ４０４は、加速度信号ＡＣＣＥＬの周波数を変化させる温度変動から生じる誤差がほぼなく、外部加速度の大きさを算出することができる。

図１の例に戻って参照すると、前述したように、光学式加速度計システム１０は、光学式加速度検知システム１２内に１つより多いレーザー１６を含むことができる。例えば、光学式加速度検知システム１２は、加速度プロセッサ１４が、温度に実質的に無関係で、所定の基準周波数Ｆ＿ＲＥＦにも実質的に無関係な方法で外部加速度の大きさを算出することができるように、２つの対向レーザーを実装することができる。

また、図１０は、光学式加速度検知システム４５０のさらなる例を示している。光学式加速度検知システム４５０は、図１の例の光加速度検知システム１２に相当する。そのため、以下の、図１０の例の説明では、図１の例が参照される。

光学式加速度検知システム４５０は、複数の第１の光検知器４５４とほぼ同一平面上に配置された第１のＶＣＳＥＬ４５２を備える。一例として、光学式加速度検知システム４５０は、図４及び５の例で前述したのと同様に、光検知器４５４上に偏光フィルタを備えることができる。第１のＶＣＳＥＬ４５２は、図２の例で前述したように、デカルト座標系４５５によるほぼＹ軸方向に第１の光学ビーム４５６をアパーチャから放射するよう構成され、第１の光学ビーム４５６は、直線偏光間で振動する。特に、光学式加速度検知システム４５０は、第１の光学ビーム４５６の直線偏光を第１の反射ビーム４６０では直交直線偏光に変換する１／４波長板４５８も備える。光学式加速度検知システム４５０は、反射ビーム４６０を供給するために第１の表面からの第１の光学ビーム４５６を反射するミラー４６２を、さらに備える。ミラー４６２はバネ４６６によって、加速度計ハウジング４６４に取り付けられ、第１のＶＣＳＥＬ４５２とミラー４６２との間のＹ軸に沿う距離で第１の光学キャビティ４６８を画定する。

光学式加速度検知システム４５０は、複数の第２の光検知器４７２とほぼ同一平面上に配置された第２のＶＣＳＥＬ４７０を備えることができる。例として、光学式加速度検知システム４５０は、図４及び５の例で前述したのと同様に、光検知器４７２上に偏光フィルタを備える。第２のＶＣＳＥＬ４７０は、アパーチャからデカルト座標系による実質上Ｙ軸方向に第２の光学ビーム４７４を放射するよう構成され、第２の光学ビーム４７４は、第１の光学ビーム４５６と同様に、直線偏光間で振動する。特に、光学式加速度検知システム４５０は、また、第２の光学ビーム４７４の直線偏光を第２の反射ビーム４７８では直交直線偏光に変換する１／４波長板４７６を備える。図１０の例において、ミラー４６２は、反射ビーム４７８を供給するために第２の表面から第２の光学ビーム４５６を反射する。第２のＶＣＳＥＬ４７０とミラー４６２との間のＹ軸に沿う距離は、第２の光学キャビティ４８０を画定する。

前述したのと同様に、バネ４６６を介して加速度計ハウジング４６４にミラー４６２を取り付けることによって、ミラー４６２は外部加速度に応答して加速度計ハウジング４６４に対して動くことになる。図１０に示す例において、＋Ｙ軸方向の加速度計ハウジング４６４の外部加速度によって、−Ｙ軸方向にミラー４６２が相対的に動いて、第１の光学キャビティ４６８の長さが短くなり、第２の光学キャビティ４８０の長さが長くなる。そのため、第１の光学ビーム４５６及び第１の反射ビーム４６０がそれぞれ第１の光学キャビティ４６８を通過する時間は短くなり、第２の光学ビーム４７４及び第２の反射ビーム４７８がそれぞれ第２の光学キャビティ４８０を通過する時間は長くなる。したがって、第１の反射ビーム４６０の直線偏光間の振動の周波数、すなわち、第１の光検知器４５４によって生成される加速度信号ＡＣＣＥＬ_１及びＡＣＣＥＬ_２の周波数は高くなる。同様に、第２の反射ビーム４７８の直線偏光間の振動の周波数、すなわち、第２の光検知器４７２によって生成される加速度信号ＡＣＣＥＬ_３及びＡＣＣＥＬ_４の周波数は低くなる。同様に、加速度計ハウジング４６４の−Ｙ軸方向の外部加速度によって、ミラー４６２は＋Ｙ軸方向に相対的に動くことになり、その結果、加速度信号ＡＣＣＥＬ_１及びＡＣＣＥＬ_２の周波数は低くなり、加速度信号ＡＣＣＥＬ_３及びＡＣＣＥＬ_４の周波数は高くなる。

加速度信号ＡＣＣＥＬ_１及びＡＣＣＥＬ_２と、加速度信号ＡＣＣＥＬ_３及びＡＣＣＥＬ_４の各増減量は、外部加速度の大きさに正比例する。したがって、加速度信号ＡＣＣＥＬの周波数変化は、外部加速度の大きさに直接相当する。しかし、加速度計ハウジング４６４に作用する外部加速度にかかわらず、加速度信号ＡＣＣＥＬ_１及びＡＣＣＥＬ_２と、加速度信号ＡＣＣＥＬ_３及びＡＣＣＥＬ_４との和はほぼ等しいままである。そのため、加速度信号ＡＣＣＥＬ_１及びＡＣＣＥＬ_２と、加速度信号ＡＣＣＥＬ_３及びＡＣＣＥＬ_４との和は、基準周波数として実装することができ、加速度信号ＡＣＣＥＬ_１及びＡＣＣＥＬ_２と、加速度信号ＡＣＣＥＬ_３及びＡＣＣＥＬ_４との差は、それらの和に対する外部加速度の大きさとして実装することができる。

加速度信号ＡＣＣＥＬ_１及びＡＣＣＥＬ_２と、加速度信号ＡＣＣＥＬ_３及びＡＣＣＥＬ_４との和はほぼ等しいままであり、基準周波数として実装することができるため、光学式加速度検知システム４５０は温度変化にほぼ無関係に外部加速度を算出するよう実装することができる。特に、温度変化は、光学式加速度検知システム４５０の特性に影響を及ぼすため、加速度信号ＡＣＣＥＬ_１及びＡＣＣＥＬ_２と、加速度信号ＡＣＣＥＬ_３及びＡＣＣＥＬ_４とに相当する周波数変化は、加速度信号ＡＣＣＥＬ_１及びＡＣＣＥＬ_２と、加速度信号ＡＣＣＥＬ_３及びＡＣＣＥＬ_４との和に相当する変化に基づいて、ほぼ相殺される。さらに、加速度信号ＡＣＣＥＬ_１及びＡＣＣＥＬ_２と、加速度信号ＡＣＣＥＬ_３及びＡＣＣＥＬ_４との和が、ほぼ同じように相当する影響を受けるため、光学キャビティ４８０とは異なる方法で光学キャビティ４６８に影響を及ぼす温度変化も、ほぼ相殺される。さらに、バネ４６６のバネ定数によって、ミラー４６２が外部加速度の関数としてほぼ線形変位する限り、単位加速度あたりの測定周波数差のスケールファクタも、ほぼ一次線形のままである。したがって、加速度プロセッサ１４は、温度にほぼ無関係で、所定の基準周波数Ｆ＿ＲＥＦを生成するための追加の周波数基準を用いずに、外部加速度を算出することができる。

図１１は、３軸の光学式加速度計システム５００の例を示している。３軸の加速度システム５００は、ナビゲーション及び／又はガイダンスシステムのような様々な用途のうちのいずれかに実装することができる。そのため、３軸の加速度システム５００は、デカルト座標空間の３つの直交する軸における３軸の加速度計システム５００に作用する外部加速度を算出するよう構成することができる。

３軸の光学式加速度計システム５００は、複数の光学式加速度検知システム５０２と、１つの加速度プロセッサ５０４とを備える。図１１の例において、各光学式加速度検知システム５０２は、デカルト座標空間におけるそれぞれ直交する別個の軸に関連し、そのため、それぞれ光学式加速度検知システムＸ、光学式加速度検知システムＹ、及び光学式加速度検知システムＺという。一例として、各光学式加速度検知システム５０２は、それぞれの直交する軸における各光学式加速度検知システム５０２の光学キャビティ６６，１６８，３０８，４６８及び４８０の配置に基づいて、図２，４，７及び１０の各例における光学式加速度検知システム５０，１５０，３００及び４５０のうちの１つとほぼ同様に構成することができる。そのため、光学式加速度検知システム５０２は、それぞれ１つ以上のレーザー５０６と、各光学式加速度検知システム５０２が３つの直交する軸でそれぞれ物理的に連結されている加速度計ハウジングに加えられる外力に起因する動きを検知するよう構成される光学キャビティシステム５０８とを備える。レーザー５０６は、例えば、直交する励起軸を含む利得媒質を含むようなＶＣＳＥＬとして構成することができる。レーザー５０６は、前述のように直線偏光間で交互する光学ビームを生成するよう構成される。これらの個々の光学式加速度検知システム５０２のそれぞれは、図１１の例における各光学式加速度検知システム５０２に、各基準信号を供給するようそれぞれ構成される図９の例の基準システム４１４と同様の基準システムを備えることができる。

図１１の例において、光学キャビティシステム５０８は、バネを介して取り付けられるミラー５１０及び１つ以上の光検知器５１２を備える。ミラー５１０は、外力に応答するといったように、加速度計ハウジングの外部加速度に応答して加速度計ハウジングに対して動くことができるように、バネを介して加速度計ハウジングに取り付けることができる。ミラー５１０は、レーザー５０６から放射された光学ビームを、レーザー５０６から放射された光学ビームの偏光（例えば、水平又は直交偏光）とは逆の偏光で、光検知器５１２で受光されるべく光検知器５１２の方へ反射するよう構成される。また、ミラー５１０は、前述したように、レーザー５０６を水平及び直交偏光のうちの一方の放射と、水平及び直交偏光のうちの他方の放射との間で周期的に振動させるように、光学ビームをレーザー５０６にも戻す方へ反射することができる。

そのため、光検知器５１２は、反射した光学ビームの強度を測定し、少なくとも１つの各加速度信号ＡＣＣＥＬを生成するよう構成することができる。図１１の例では、光学式加速度検知システム５０２は、３つの直交する各軸それぞれにおける各動きに相当する各加速度信号ＡＣＣＥＬ_Ｘ、ＡＣＣＥＬ_Ｙ、及びＡＣＣＥＬ_Ｚを生成するよう構成される。一例として、加速度信号ＡＣＣＥＬ_Ｘ、ＡＣＣＥＬ_Ｙ、及びＡＣＣＥＬ_Ｚはそれぞれ、レーザー５０６からの水平及び垂直偏光の放射の間の周期的な振動に相当する周波数を有することができる。そのため、加速度信号ＡＣＣＥＬ_Ｘ、ＡＣＣＥＬ_Ｙ、及びＡＣＣＥＬ_Ｚの周波数は、３つの直交する軸それぞれの外部加速度に応答する加速度計ハウジングに対するミラー５１０の動きの各ベクトル成分に応じて変わる。そのため、加速度信号ＡＣＣＥＬ_Ｘ、ＡＣＣＥＬ_Ｙ、及びＡＣＣＥＬ_Ｚは、３次元における外部加速度の存在を示すことができる。加速度信号ＡＣＣＥＬ_Ｘ、ＡＣＣＥＬ_Ｙ、及びＡＣＣＥＬ_Ｚは、加速度信号ＡＣＣＥＬ_Ｘ、ＡＣＣＥＬ_Ｙ、及びＡＣＣＥＬ_Ｚの各周波数に基づいて３次元における外部加速度の大きさを算出するよう構成される加速度プロセッサ５０４に供給される。例えば、加速度プロセッサ５０４は、加速度信号ＡＣＣＥＬ_Ｘ、ＡＣＣＥＬ_Ｙ、及びＡＣＣＥＬ_Ｚの周波数を所定の基準周波数Ｆ＿ＲＥＦと比較する。そのため、３軸の光学式加速度計システム５００は、加速度プロセッサ５０４に基づいて３次元の外部加速度の大きさを算出するよう構成することができる。

前述の構造的及び機能的特徴に関して、本発明の様々な態様に従う方法論は、図１２を参照することによってよりよく認識されるであろう。説明を簡潔にするために、図１２の方法論は、連続的に実行するものとして示され、かつ説明されるも、本発明は例示された順序に限定されるものでないと理解され認識されるであろう。本発明のいくつかの態様は、異なる順序で、及び／又は、本明細書で示されまたは記載されたのとは異なる態様とともに行うことができる。さらに、示されたすべての特徴が、本発明の一態様による方法論を実行するのに必要とされるものではない。

図１２は、加速度測定方法５５０の一例を示している。ステップ５５２では、光学ビーム（例えば、光学ビーム５６）が直線偏光で生成される。ステップ５５４では、光学ビームは、バネ（例えば、バネ６４）を介して加速度計ハウジング（例えば、加速度計ハウジング６２）に連結されているミラー（例えば、ミラー６０）を備えている光学キャビティシステム（例えば、光学キャビティシステム１８）に供給される。ステップ５５６では、加速度信号（例えば、加速度信号ＡＣＣＥＬ）が、光学ビーム及び反射した光学ビーム（例えば、反射した光学ビーム６８）のうちの少なくとも一方の少なくとも一部を受光するよう構成された少なくとも１つの光検知器（例えば、光検知器２２）により生成される。加速度信号は、加速度計ハウジングに作用する外部加速度に起因するミラーの動きを示すことができる。ステップ５５８では、外部加速度の大きさが、基準周波数（例えば、基準信号Ｆ＿ＲＥＦ）に対する加速度信号の周波数の比較に基づいて算出される。

上述されていることは、本発明の例である。当然、本発明の目的において、考えられる構成要素または方法の組合せのすべてを記載するのは不可能であるが、当業者は、本発明においてさらに多くの組合せ及び置換が可能であることを理解するであろう。したがって、本発明は、添付の請求項を含む本出願の範囲内にある、このような置換、修正及び変更の全てを包含するよう意図されている。

Claims

直線偏光で光学ビームを放射するよう構成されたレーザーと、
バネを介して加速度計ハウジングに連結され、前記光学ビームを反射するよう構成されたミラーを備える光学キャビティシステムであって、前記光学ビーム及び前記反射ビームの少なくとも一方の少なくとも一部を受光して、加速度計ハウジングに作用する外部加速度に起因する前記前記ミラーの動きを示す加速度信号を生成するよう構成された少なくとも１つの光検知器を備える前記光学キャビティシステムと、
前記加速度信号に基づいて前記外部加速度の大きさを算出するよう構成された加速度プロセッサと、
を備える、加速度計システム。
前記光学キャビティシステムは、前記レーザーと前記ミラーとの間に配置され、前記光学ビームを第１の直線偏光から円偏光に変換し、かつ前記反射した光学ビームを前記円偏光から第２の直線偏光に変換する１／４波長板をさらに備える、請求項１に記載の加速度計システム。
前記レーザーは、垂直キャビティ面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）として構成され、前記ＶＣＳＥＬは、前記第１の直線偏光での前記光学ビームの放射と、前記ＶＣＳＥＬが前記反射した光学ビームを受講することに応答しての前記第２の直線偏光での前記光学ビームの放射との間で振動するよう構成される、請求項２に記載の加速度計システム。
前記光学キャビティシステムは、前記少なくとも１つの光検知器を覆い、かつ前記少なくとも１つの光検知器から前記第１及び第２の直線偏光のうち一方を実質的にフィルタリングする少なくとも１つの偏光フィルタを、さらに備える、請求項３に記載の加速度計システム。
前記加速度信号は、前記第１の直線偏光と前記反射した光学ビームの第２の直線偏光との間の振動に相当する周期的な遷移を含み、前記加速度プロセッサは、前記加速度信号の前記周期的な遷移の周波数に基づいて前記外部加速度の大きさを算出するよう構成される、請求項３に記載の加速度計システム。
前記少なくとも１つの光検知器は、前記レーザーの利得媒質を実質上取り囲んで、ほぼ同一面上にある複数の光検知器を備える、請求項１に記載の加速度計システム。
前記複数の光検知器は、それぞれ複数の加速度信号を生成するよう構成され、前記加速度プロセッサは前記複数の加速度信号に基づいて前記外部加速度を算出するよう構成される、請求項６に記載の加速度計システム。
前記ミラーは、前記少なくとも１つの光検知器に前記光学ビームの一部を通すよう構成された部分的に銀メッキしたミラーとして構成される、請求項１に記載の加速度計システム。
前記レーザーは、第１のレーザーであり、前記光学キャビティシステムは、第１のバネを介して前記加速度計ハウジングに連結された第１のミラーを備え、かつ第１の加速度信号を生成するよう構成され、
前記加速度計システムはさらに、
直線偏光で第２の光学ビームを放射するよう構成された第２のレーザーと、
前記第１のバネのバネ定数とは異なるバネ定数を有する第２のバネを介して前記加速度計ハウジングに連結される第２のミラーを備える第２の光学キャビティシステムであって、前記第２のミラーは、前記第２の光学ビームを反射するよう構成され、前記第２の光学キャビティシステムは、前記第２の光学ビーム及び前記反射した第２の光学ビームのうちの一方の少なくとも一部を受光し、第２の加速度信号を生成するよう構成された少なくとも１つの第２の光検知器を備える第２の光学キャビティシステムと、
前記加速度プロセッサは、前記第１及び第２の加速度信号の比率に基づいて、前記外部加速度の前記大きさを算出するよう構成される、請求項１に記載の加速度計システム。
前記レーザーは、第１のレーザーであり、前記光学キャビティシステムは、第１の光学キャビティシステムであって、前記加速度計システムはさらに、
前記直線偏光で第２の光学ビームを放射するよう構成された第２のレーザーと、
前記加速度計ハウジングに連結され、前記第２の光学ビームを反射するよう構成された第２のミラーを備え、前記第２の光学ビーム及び反射した前記第２の光学ビームのうちの一方の少なくとも一部を受光し、基準信号を生成するよう構成された少なくとも１つの第２の光検知器を備えている第２の光学キャビティシステムと、を備え、
前記加速度プロセッサはさらに、前記基準信号に基づいて前記加速度信号の温度変化を実質的に補正するように構成される、請求項１に記載の加速度計システム。
前記レーザーは、第１の光学ビームを放射するよう構成されている第１のレーザーであり、前記光学キャビティシステムは、第１の加速度信号を生成するために前記第１の反射した光学ビームを受光するよう構成された少なくとも１つの第１の光検知器を備え、前記ミラーは、第１の表面で前記第１の光学ビームを反射するよう構成され、前記システムは、前記第１の表面とは反対の、ミラーの第２の表面から反射される直線偏光で第２の光学ビームを放射するよう構成された第２のレーザーをさらに備え、前記光学キャビティシステムは、反射された第２の光学ビームを受光して、第２の加速度信号を生成するよう構成された少なくとも１つの第２の光検知器をさらに備え、前記加速度プロセッサは、前記第１と第２の加速度信号の和に対する前記第１及び第２の加速度信号の差に基づいて前記外部加速度の大きさを算出するよう構成される、請求項１に記載の加速度計システム。
請求項１に記載の加速度計システムを複数、備える多軸の加速度計システムであって、
前記複数の加速度計システムは、互いに直交して配置される、多軸加速度計システム。
加速度を測定する方法であって、
直線偏光で光学ビームを生成するステップと、
バネを介して加速度計ハウジングに連結され、前記光学ビームを反射するよう構成されているミラーを備える光学キャビティシステム内に前記光学ビームを供給するステップと、
前記光学ビーム及び前記反射した光学ビームのうちの少なくとも一方の少なくとも一部を受光するよう構成された少なくとも１つの光検知器を介して加速度信号を生成するステップであって、前記加速度信号は、前記加速度計ハウジングに作用する外部加速度に起因するミラーの動きを示す、ステップと、
基準周波数に対する前記加速度信号の周波数の比較に基づいて、前記外部加速度の大きさを算出するステップと、を含む、加速度測定方法。
前記光学ビームを生成するステップは、前記光学ビームの前記直線偏光を第１の直線偏光と第２の直線偏光との間で周期的に切り替えるステップを含み、
前記加速度信号を生成するステップは、前記加速度信号の前記周波数が前記光学ビームの前記直線偏光を前記第１の直線偏光と前記第２の直線偏光との間で周期的に切り替える頻度に基づくよう前記加速度信号を生成するステップを含む、請求項１３に記載の加速度測定方法。
直線偏光で基準光学ビームを生成するステップと、
基準ハウジングに静的に連結され、前記基準光学ビームを反射するよう構成されている基準ミラーを備えている基準光学キャビティシステム内に前記基準光学ビームを提供するステップと、
前記基準光学ビーム及び前記反射した基準光学ビームのうちの少なくとも一方の少なくとも一部を受光するよう構成された少なくとも１つの基準光検知器を介して基準信号を生成するステップであって、前記基準信号は前記基準周波数に相当する周波数を有するステップと、
をさらに含む、請求項１３に記載の加速度測定方法。
前記光学ビームは、第１の光学ビームであり、前記光学キャビティシステムは、第１のバネ定数を有する第１のバネを介して加速度計ハウジングに連結され、かつ少なくとも１つの第１の光検知器の少なくとも１つを介して第１の加速度信号を生成するよう構成された第１のミラーを備えている第１の光学キャビティシステムであり、
前記方法は、さらに、
前記直線偏光で第２の光学ビームを生成するステップと、
前記第１のバネ定数とは異なる第２のバネ定数を有する第２のバネを介して前記加速度計ハウジングに連結され、前記第２の光学ビームを反射するよう構成された第２のミラーを備えている第２の光学キャビティシステム内に、前記第２の光学ビームを提供するステップと、
前記第２の光学ビーム及び前記反射した第２の光学ビームのうちの少なくとも一方の少なくとも一部を受光するよう構成された少なくとも１つの第２の光検知器を介して第２の加速度信号を生成するステップであって、前記第２の加速度信号は前記加速度計ハウジングに作用する前記外部加速度に起因する前記第２のミラーの動きを示すステップと、
前記第１及び第２の加速度信号のそれぞれ前記周波数に基づいて前記外部加速度の大きさを算出するステップと、を含む、請求項１３に記載の加速度測定方法。
前記光学ビームは第１の光学ビームであり、前記光学キャビティシステムは、前記ミラーの第１の表面を含み、かつ少なくとも１つの第１の光検知器を介して第１の加速度信号を生成するよう構成された方法であって、
前記方法は、さらに
前記直線偏光で第２の光学ビームを生成するステップと、
前記第１の表面とは反対の、前記第２の光学ビームを反射するよう構成されている前記ミラーの第２の表面を備える第２の光学キャビティシステムに第２の光学ビームを供給するステップと、
前記反射された前記第２の光学ビームの少なくとも一部を受光するよう構成された少なくとも１つの第２の光検知器を介して第２の加速度信号を生成するステップと、
前記第１及び第２の加速度信号のそれぞれ前記周波数の和に対する前記第１及び第２の加速度信号のそれぞれ前記周波数の差に基づいて前記外部加速度の大きさを算出するステップと、を含む、請求項１３に記載の加速度測定方法。
直交する複数の軸のうちの１つにそれぞれ対応する複数の光学式加速度検知システムであって、前記複数の光学式加速度検知システムのそれぞれは、
光学ビームの反射した部分に応じて、第１の直線偏光と第２の直線偏光との間で周期的に遷移する直線偏光で光学ビームを放射するよう構成されたレーザーと、
光学キャビティシステムであって、
前記レーザーとミラーとの間に配置され、前記光学ビームを前記第１及び第２の直線偏光のうちの一方から円偏光に変換し、前記反射した光学ビームを前記円偏光から前記第１及び第２の直線偏光のうちの他方に変換する１／４波長板と、
バネを介して加速度計ハウジングに連結され、前記光学ビームを反射して、前記反射した光学ビームを供給するよう構成されたミラーと、
複数の直交する軸それぞれの加速度計ハウジングに作用する外部加速度に起因するミラーの動きを示す加速度信号を生成する前記光学ビーム及び前記反射した光学ビームのうち少なくとも一方の少なくとも一部を受光するよう構成された少なくとも１つの光検知器と、を備える光学キャビティシステムと、
前記複数の光学式加速度検知システムそれぞれの前記加速度信号に基づいて、前記外部加速度の大きさを算出するよう構成された加速度プロセッサと、を備える、加速度計システム。
前記レーザーは、第１のレーザーであり、前記光学キャビティシステムは、第１のバネを介して前記加速度計ハウジングに連結された第１のミラーを備え、第１の加速度信号を生成するよう構成され、
前記加速度計システムは、
前記直線偏光で第２の光学ビームを放射するよう構成された第２のレーザーと、
前記第１のバネのバネ定数とは異なるバネ定数を有する第２のバネを介して前記加速度計ハウジングに連結されている第２のミラーを備える第２の光学キャビティシステムであって、前記第２のミラーは、前記第２の光学ビームを反射するよう構成され、前記第２の光学キャビティシステムは、第２の光学ビーム及び前記反射された第２の光学ビームのうちの一方の少なくとも一部を受光し、第２の加速度信号を生成するよう構成された少なくとも１つの第２の光検知器を備える第２の光学キャビティシステムと、を備え、
前記加速度プロセッサは、前記第１及び第２の加速度信号の比率に基づいて、前記外部加速度の前記大きさを算出するよう構成される、請求項１８に記載の加速度計システム。
基準システムをさらに備え、前記基準システムは、
反射された基準光学ビームの一部に応答して前記第１の直線偏光と前記第２の直線偏光との間で周期的に遷移する前記直線偏光で前記基準光学ビームを放射するよう構成された基準レーザーと、
加速度計ハウジングと連結され、前記基準光学ビームを反射するよう構成された基準ミラーを備え、前記基準光学ビーム及び前記反射された光学ビームのうちの一方の少なくとも一部を受光し、基準信号を生成するよう構成された少なくとも１つの基準光検知器を備えた基準光学キャビティシステムと、を備え、
前記基準信号に基づいて複数の光学式加速度検知システムそれぞれの前記加速度信号の温度変化をほぼ補正する構成される加速度プロセッサと、を備える、請求項１８に記載の加速度計システム。
前記レーザーは、第１の光学ビームを放射するよう構成された第１のレーザーであり、前記光学キャビティシステムは、第１の加速度信号を生成するために前記反射した第１の光学ビームを受光するよう構成された少なくとも１つの第１の光検知器を備え、前記ミラーは、第１の表面で前記第１の光学ビームを反射するよう構成され、前記システムは、前記第１の表面とは逆の、前記ミラーの第２の表面で反射した第２の光学ビームを直線偏光で放射するよう構成された第２のレーザーを備え、前記光学キャビティシステムは、第２の加速度信号を生成するために前記反射された第２の光学ビームを受光するよう構成された少なくとも１つの第２の光検知器をさらに備え、前記加速度プロセッサは、前記第１及び第２の加速度信号の和に対する前記第１及び第２の加速度信号の差異に基づいて前記外部加速度の大きさを算出するよう構成された、請求項１８に記載の加速度計システム。