JP3751553B2 - Method of forming a circular optical path and optical gyro using the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、周回光路の形成方法、それを用いた光ジャイロに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
慣性センサ即ち加速度センサおよび角速度センサは、航空機やロケットなどの慣性航法用として用いられてきた。ここでは価格や大きさよりも精度が重要であった。
【0003】
近年、慣性センサの応用は、エアバック作動用、車両の位置・姿勢制御や進行方向算出、ハンディカメラの手振れ補正、ロボットの位置・姿勢制御、ゲームの制御や人体の位置・姿勢検出に応用されている。
【0004】
このセンサ作製にはシリコンマイクロマシニングを用いたデバイスの開発研究が盛んである。構造の主たるものは、重りを梁で支え、加速度による重りの変化を静電容量の変化や変形による抵抗変化で読み取るものである。角速度の検出には様々なジャイロが応用され、振動する物体に働くコリオリ力を用いた振動型ジャイロやサニャック(Sagnac)効果を用いた光学式ジャイロがある。
【0005】
このような技術文献としては、例えば、以下のようなものがある。
【0006】
(1)前中 溶接学会誌 Vol.69,No.6,pp511−513(2000)
(2)江刺 計測と制御 Vol.36,No.11,pp808−817(1997)
(3)光学式ジャイロは、反応が早くダイナミックレンジが広い等の性能があり、光ファイバ光ジャイロに関しては、特公昭62−39836号公報、特公平2−60127号公報、分岐結合については、特開平7−91964号公報が挙げられる。
【0007】
(4)光ファイバを光導波路に発展させた光ジャイロとしては、特開平5−288556号公報、特開平7−19879号公報が挙げられる。
【0008】
(5)一方、単結晶シリコン基板の異方性エッチング特性を用いて、基板に対して側壁を設け、ミラーとして用いるものとして、特開平10−93133号公報が挙げられる。
【0009】
(6)また、同様に異方性エッチングによりシリコン基板に振動体や梁を設けて慣性センサを形成するものとして、特開平7−294260号公報、特開平9−196682号公報、および特開平11−237247号公報が挙げられる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、ファイバジャイロ等が実用化されているが、車載、ロボット搭載用等で電子部品の小型化が要望されている。また、導波路型の光ジャイロの提案はあるが、シリコン基板等を用いた、バッチ生産可能な光ジャイロは報告されていない。
【0011】
本発明者らは、シリコンマイクロマシニング技術を用いて、各種センサ、特に慣性センサの研究開発を行ってきた。これにより、本発明は、リングレーザジャイロをシリコンマイクロ加工技術を用いて実現しようとするものである。
【0012】
本発明は、光を用いた計測・制御に係り、シリコンの(111)面、または(111)面にコーティングした材質を併用してこれをミラーおよび半透ミラーとして用い、特に、周回光路を形成することによってリングレーザジャイロや各種干渉計に応用するものである。
【0013】
本発明は、上記状況に鑑みて、光経路を生成するためのミラーの調整工程を従来の機械的構造材を用いる構成に比較して少なくし、バッチ生産が可能なことと相まって量産化、低価格化を図ることができる周回光路の形成方法、それを用いた光ジャイロを提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕周回光路の形成方法において、可干渉性のレーザ光源と、(110)面を表面とする単結晶シリコン基板を異方性ウェットエッチングによりエッチングし、該表面に、(110)面上で〈110〉方位から約+54.7度、及び約−54.7度の角度の2種類の方位に依存する(111)面反射ミラーを前記エッチングにより露出した(110)面を表面とする単結晶シリコン基板に垂直に前記光源からのレーザ光が周回するように複数個形成し、前記2種類の方位を用いて、時計回りと反時計回りの周回光路を形成し、該周回光路によって光リング回路を形成することを特徴とする。
【0015】
〔2〕上記〔1〕記載の周回光路の形成方法において、前記周回光路の一部を半透ミラーとすることによって、周回光の一部を前記周回光路の外部に取り出すことを特徴とする。
【0016】
〔3〕上記〔1〕記載の周回光路の形成方法において、前記周回光路の内部または外部を通過・反射する光に対し、前記(111)面ミラーの一部を可動とし、干渉を発生させたままその干渉幅を制御することを特徴とする。
【0017】
〔4〕上記〔3〕記載の周回光路の形成方法において、前記可動なミラーをフィードバック制御に用いることを特徴とする。
【0018】
〔5〕光ジャイロであって、上記〔1〕記載の周回光路の形成方法によって得られる前記両回りの光を周回光路の外部に導出し、導出された光の干渉光の変化を検出することを特徴とする。
【0019】
〔6〕光ジャイロであって、上記〔1〕記載の周回光路の形成方法によって得られる前記光学的周回光路のミラーを可動にし、フィードバック制御に用いることを特徴とする。
【0020】
〔7〕光ジャイロであって、上記〔1〕記載の周回光路の形成方法によって得られる前記周回光路がリングレーザジャイロ機能を有することを特徴とする。
【0021】
このように構成することにより、シリコンの単結晶では異方性ウェットエッチングで極めて精度の良い相対角度及び鏡面状態を持った面を形成することが出来る。例えば(110)面を表面とする単結晶シリコン基板を異方性ウェットエッチングによりその表面に垂直な(111)面を複数個形成する。この面をミラーとし、可干渉性のレーザ光を導入し、時計回りの光と反時計回りの光の光学的周回光路を形成する。そして、波長とミラー間の距離を選択することでレーザ共振回路が形成される。ここで、ミラーの一部を半透ミラーにすることで、両回りの光を周回光路の外部に取り出して干渉光が計測できる。
【0022】
また、ミラーの一部を可動にすることで両回りの光路が交わる角度を可変にでき、干渉幅が制御可能である。(110)面を持つミラーを片持梁で作製し、加速度で変位可能にすると、変位により光路長が変化し干渉縞が変化する。また、半透ミラー等を用い、両回りの光の発振周波数差によるビートが観察され、角速度が測れる。レーザ光は光路内にレーザ媒体を設置し、周回光路で共振させて発振させるかまたは外部より発振されたレーザ光を導入する。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【0024】
図1は本発明の基本構成を示す周回光路の構成図である。
【0025】
この図において、(110)面を表面とするシリコン基板1を異方性ウェットエッチングによりエッチングし、表面に(111)面ミラー2〜5を形成する。この(111)面ミラー2〜5は(110)面上で〈110〉方位から約+54.7度、及び約−54.7度の角度の2種類の方位に依存する。この2種類の方位を用いて周回光路6,7を形成する。また、半透(ハーフ)ミラー、角度調整可能なミラーを併用し、観測可能な干渉を発生させる。
【0026】
すなわち、ミラー2〜5は異方性ウェットエッチングを用いて形成した(111)面であり、それぞれ結晶方位によって決まる極めて正確な角度を持っている。ミラーを保持する基板1は、(110)面を表面にもつ単結晶のシリコンウエハをガラスなどの基板に貼り合わせ、シリコンウエハの厚みまでエッチングしてもよく、またシリコンウエハをその厚みの途中までエッチング(ハーフエッチング)して形成してもよい。
【0027】
図2は本発明の第1実施例を示す周回光路の構成図である。
【0028】
この図に示すように、ミラー8〜11の位置を適切に設定することによって、周回光路の右回り、左回りの光が囲む面積を独立に決定することが出来る。これはリングレーザジャイロなど、サニャック効果を用いた応用には重要な点である。
【0029】
このような周回光路に右回り、左回りの光を導入すれば、これらの光で干渉が観測できる。干渉はミラーの面で観察してもよいし、またミラーを半透ミラーにして外部で観測するようにしてもよい。外部から光を導入し、周回させる場合にはミラー8〜11の一つ、あるいは複数のミラーの角度を調整できるようにしておけば、発生する干渉縞間隔が広くなり、観測が容易になる。例えば、ミラー10の角度をわずかに変化出来るようにし、位置12のような向きに変位させると、左回りの光は経路13のように変位し、ミラー11で生じる右回りの光との干渉縞の幅を広げることができる。
【0030】
図3は本発明の第2実施例を示す周回光路の構成図であり、これは、ミラーを周回する光の一部を外部に取り出し、干渉を計測する例である。
【0031】
この場合、ミラー14〜17で形成される周回光路は完全に同一経路をとる周回光路を形成できるため、光共振回路を形成することができる。ここで、ミラー14〜17で周回した光のうち、右回りの光は半透ミラー14を通過し、また左回りの光は半透ミラー15を通過して外部のミラー18,19で干渉を生じせしめる。ここで、外部のミラー18,19の一方または両方が角度を変位させることが出来るように形成されていると、図2の例と同様に干渉縞を広げ観測を容易にすることが出来る。
【0032】
このように、例えば周回光路を観察用の光回路〔ミラー18,19で形成〕と共振用の周回光路〔ミラー14〜17で形成〕とに分離することによって、干渉縞間隔を広げるために観察用のミラーの角度を調節しても、共振用の周回光路には影響を及ぼさないという利点が生まれる。
【0033】
なお、ミラーは、高い反射率が必要な場合は金属などの反射率の高い材質あるいは誘電体層を(111)面にコーティングすることによって、また半透ミラーはミラーの厚みを薄くするか、光の波長を長くすることによって実現できる。
【0034】
図4は本発明の第3実施例を示す周回光路の構成図であり、周回する光の一部を外部に取り出し、干渉を計測する別の形の例である。
【0035】
この図に示すように、ミラー20〜23が周回光路形成用であり、そのうちミラー20と21が半透ミラーである。ミラー24〜27は干渉観察用の周回光路である。
【0036】
図1〜図4の周回光路は光共振回路を構成することが出来るため、レーザダイオードを光路中に挿入する、HeNeなどのレーザ媒体を封入しこれを励起するなどの方法で、光路形状で決まるレーザ発振を行うことが出来る。
【0037】
図5に本発明を利用した加速度センサの例、図6に角速度センサ(ジャイロスコープ)の例を示す。
【0038】
図5では周回光路のミラーの一部28が加速度により変位するように形成されている。変位により光路が変位し、ミラー28,29,30または31の部分で発生する干渉縞が変化する。これを加速度検出に用いる。この場合、干渉縞を一定にするミラーの一部〔図5ではミラー29で例示〕を可動にし、干渉縞を一定にするようなフィードバック制御を行うことができる。
【0039】
周回光路への光の導入は、例えば周回光路内におかれた両端点で発光するレーザダイオード32によって行うことが出来る。周回光路外部の光源から周回光路へ光を導入するようにしてもよい。
【0040】
図6では、周回光路の右回りと左回りで囲む面積差〔面積(40)−面積(41)〕を大きくとり、サニャック効果を用いて角速度を検出する。感度はこの面積の差〔面積(40)−面積(41)〕に比例する。ミラー33〜36で形成される共振回路でレーザ発振を行うため、ここでは反射膜コーティングしていない(または反射防止膜をコーティングしている)レーザダイオード39を周回光路中に設置している。
【0041】
レーザダイオード39を含む光路(ミラー33〜36による周回光路)は共振回路形成専用に用い、サニャック効果によって発生する右回りの光と左回りの光の発振周波数差によるビートは外部の干渉観測部(ミラー37,38により形成)において観測される。
【0042】
なお、共振の調整を行うために共振回路を構成するミラー33〜36の一部を、また干渉縞間隔を調整するために干渉観測部のミラー37,38の一部を角度可変にしてもよい。
【0043】
図7は本発明の第1実施例を示すミラー作製工程断面図である。ここでは、ミラー間で電気的絶縁が必要な場合について説明する。
【0044】
(1)まず、図7(a)に示すように、ガラス等の基板101と、(110)シリコン基体102の両側にシリコン酸化膜103,104を形成したものとを準備し、両者を接合する。
【0045】
(2)次に、図7(b)に示すように、その接合体の表面のシリコン酸化膜104のパターニングを行う。
【0046】
(3)次に、図7(c)に示すように、さらに、そのパターニングされたシリコン酸化膜104′をマスクとして、異方性ウェットエッチングにより(110)シリコン基体102を貫通エッチングする。105は貫通エッチング後の(111)面ミラーであり、その(111)面ミラー105の反射状態を図8に示す。
【0047】
(4)次に、図7(c)に示すように、上記(3)工程では、その(111)面ミラー105に若干のテーパが付いたり、その面が粗面になっているので、図7(d)に示すように、そのミラー面、半透ミラー面調整エッチングを行う。106はその仕上げられたミラー面、半透ミラー面調整エッチング後のミラー面であり、そのミラーの反射状態を図9に示す。また、半透ミラー面の場合は薄く形成する必要があるので、この工程でその膜厚の調整を行うこともできる。
【0048】
図9から明らかなように、市販されている反射ミラーと遜色のないものを形成することができる。
【0049】
図10は本発明の第2実施例を示すミラー作製工程断面図である。ここでは、すべての構造体が電気的に接続されていても良い場合について説明する。
【0050】
(1)まず、図10(a)に示すように、(110)シリコン基体201の両側にシリコン酸化膜202,203を形成したものを準備する。
【0051】
(2)次に、図10(b)に示すように、(110)シリコン基体201の上面のシリコン酸化膜203のパターニングを行う。
【0052】
(3)次に、図10(c)に示すように、そのパターニングされたシリコン酸化膜203′をマスクとして、異方性ウェットエッチングにより(110)シリコン基体201のハーフエッチングを行い、そのハーフエッチングされたシリコン基体201′の凹部の底面201Aに保護膜204を形成する。205はハーフエッチング後の(111)面ミラーである。
【0053】
(4)次に、図10(d)に示すように、ミラー面、半透ミラー面調整エッチングを行う。206はそのミラー面、半透ミラー面調整エッチング後のミラー面である。
【0054】
なお、上記した各ミラー面、半透ミラー面調整エッチング後、通常のミラーと遜色ないミラーが得られた。つまり、エッチャントを選択しながらミラーを保持しつつ半透ミラーの厚さを制御する。KOHにTMAH〔テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド(水酸化テトラメチルアンモニウム):シリコンエッチャント〕を併用しながら行う。
【0055】
また、この実施例においても、(110)シリコン基体201の底面側には基板(ガラスなど)を設けるようにしてもよい。
【0056】
図11は本発明の第3実施例を示すミラー作製工程断面図である。ここでは、片持ち可動部が必要な場合について説明する。
【0057】
(1)まず、図11(a)に示すように、表面の一部をエッチングしたエッチング部302を有するガラスなどの基板301と、(110)シリコン基体303の両側にシリコン酸化膜304,305を形成したものとを準備し、両者を接合する。
【0058】
(2)次に、図11(b)に示すように、(110)シリコン基体303の上面のシリコン酸化膜305のパターニングを行う。
【0059】
(3)次に、図11(c)に示すように、そのパターニングされたシリコン酸化膜305′をマスクとして、異方性ウェットエッチングにより(110)シリコン基体303の貫通エッチングを行い、ガラスなどの基板301のエッチング部302に貫通させる。ここでは、片持ち可動部306が形成される。307は貫通エッチング後の(111)面ミラーである。なお、304′はパターニングされたシリコン酸化膜である。
【0060】
(4)次に、図11(d)に示すように、ミラー面、半透ミラー面調整エッチングを行う。308はそのミラー面、半透ミラー面調整エッチング後のミラー面である。
【0061】
上記したように、本発明は、
〔1〕可干渉性のレーザ光源と、基板に垂直に、光を反射する反射面(反射ミラー)を配置し、反射面を用いて、時計回りと反時計回りの周回光路を形成し、この周回光路によって光リング回路を形成する。両回りの光を周回光路の外部に導出し、導出された光の干渉縞の変化を検出する。これを用いた光ジャイロを提供する。
【0062】
〔2〕(110)面を表面とするシリコン基板を異方性ウェットエッチングによりエッチングし、表面に垂直な(111)面を光の反射ミラーとする。高い反射率が必要な場合には(111)面に金属あるいは誘電体をコーティングする。
【0063】
上記2つの技術を組み合わせ、例えば、異方性ウェットエッチングで周回光路を形成する。その場合、単結晶シリコンの(111)面を用いる。
【0064】
また、レーザ光路にレーザ媒体を配置し、射出された光による周回光路によってレーザ共振回路を形成する。この場合、ミラー間の距離を波長に合わせる必要がある。あるいは、外部より発振されたレーザ光を周回光路に導入し共振回路を形成する。
【0065】
更に、反射面を一部半透ミラーとすることにより、周回光の一部を周回光路外部に取り出し、光検出器により信号を取り出す。両方向の光を重ね合わせて干渉を検出する。ミラーの面で干渉縞を観察するようにしてもよい。
【0066】
また、ミラーの一部を可動とし、干渉縞を制御する。
【0067】
ミラーの一部を、例えば、片持梁とし、加速度により変位するように形成し、変位により光路が変位し、干渉縞が変化する。これを検出して加速度センサを構成する。
【0068】
両回りの光が囲む面積に差をつけて、サニャック効果による干渉縞の検出を利用した角速度センサとしての光ジャイロを構成する。
【0069】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【0070】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、光経路を生成するためのミラーの調整工程が従来の機械的構造材を用いる構成に比較して減少し、バッチ生産が可能なことと相まって量産化、低価格化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の基本構成を示す周回光路の構成図である。
【図2】 本発明の第1実施例を示す周回光路の構成図である。
【図3】 本発明の第2実施例を示す周回光路の構成図である。
【図4】 本発明の第3実施例を示す周回光路の構成図である。
【図5】 本発明を利用した加速度センサの例を示す図である。
【図6】 本発明を利用した角速度センサ(ジャイロスコープ)の例を示す図である。
【図7】 本発明の第1実施例を示すミラー作製工程断面図である。
【図8】 本発明にかかる貫通エッチング後の(111)面ミラーの反射状態を示す図である。
【図9】 本発明にかかるミラー面、半透ミラー調整エッチング後のミラー面の反射状態を示す図である。
【図10】 本発明の第2実施例を示すミラー作製工程断面図である。
【図11】 本発明の第3実施例を示すミラー作製工程断面図である。
【符号の説明】
1 シリコン基板
2〜5,8〜11,14〜17,18,19,20〜23,24〜27,28〜31,33〜36,37,38 (111)面ミラー
6,7 周回光路
12 位置
13 経路
32,39 レーザダイオード
40,41 面積
101,301 ガラス等の基板
102,201,303 (110)シリコン基体
102′,303′ エッチングされたシリコン基体
103,104,202,203,304,305 シリコン酸化膜
104′,203′,304′,305′ パターニングされたシリコン酸化膜
105,307 貫通エッチング後の(111)面ミラー
106,206,308 ミラー面、半透ミラー面調整エッチング後のミラー面
201′ ハーフエッチングされたシリコン基体
201A 凹部の底面
204 保護膜
205 ハーフエッチング後の(111)面ミラー
302 エッチング部
306 片持ち可動部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is a method for forming a circulating path, in which relates to an optical gyro using the same.
[0002]
[Prior art]
Inertial sensors, that is, acceleration sensors and angular velocity sensors, have been used for inertial navigation of aircraft and rockets. Here, accuracy was more important than price and size.
[0003]
In recent years, inertial sensors have been applied to airbag operation, vehicle position / posture control and travel direction calculation, handheld camera shake correction, robot position / posture control, game control, and human body position / posture detection. ing.
[0004]
Development of devices using silicon micromachining is active in the production of this sensor. The main structure is that a weight is supported by a beam, and a change in weight due to acceleration is read by a change in capacitance or a resistance change due to deformation. Various gyros are applied to the angular velocity detection, and there are a vibration type gyro using a Coriolis force acting on a vibrating object and an optical gyro using a Sagnac effect.
[0005]
Examples of such technical documents include the following.
[0006]
(1) Maechu Journal of Welding Society Vol. 69, no. 6, pp511-513 (2000)
(2) Esashi Measurement and control Vol. 36, no. 11, pp808-817 (1997)
(3) The optical gyro has performance such as a quick reaction and a wide dynamic range. Regarding the optical fiber gyro, the Japanese Examined Patent Publication No. 62-39836, the Japanese Examined Patent Publication No. 2-60127, and the branch coupling are special. Kaihei 7-91964 is cited.
[0007]
(4) Examples of the optical gyro in which an optical fiber is developed into an optical waveguide include Japanese Patent Laid-Open Nos. 5-288556 and 7-198979.
[0008]
(5) On the other hand, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-93133 is cited as an example of using the anisotropic etching characteristics of a single crystal silicon substrate to provide a side wall with respect to the substrate and use it as a mirror.
[0009]
(6) Similarly, as a method of forming an inertial sensor by providing a vibrating body or a beam on a silicon substrate by anisotropic etching, JP-A-7-294260, JP-A-9-196682, and JP-A-11 -237247 gazette.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, fiber gyros and the like have been put into practical use, but there is a demand for downsizing of electronic components for in-vehicle use and robot mounting. Although there is a proposal of a waveguide type optical gyro, no optical gyro using a silicon substrate or the like and capable of batch production has been reported.
[0011]
The present inventors have conducted research and development of various sensors, particularly inertial sensors, using silicon micromachining technology. Thus, the present invention intends to realize a ring laser gyro using silicon micromachining technology.
[0012]
The present invention relates to measurement and control using light, and uses a silicon (111) surface or (111) surface coated material together as a mirror and a semi-transparent mirror, and in particular, forms a circular optical path. By doing so, it can be applied to ring laser gyros and various interferometers.
[0013]
In view of the above situation, the present invention reduces the number of steps of adjusting a mirror for generating an optical path as compared with a configuration using a conventional mechanical structure material, and is capable of mass production and low production in combination with the capability of batch production. a method for forming a round optical path can be made cost, and an object thereof is to provide an optical gyro using the same.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides
[1] In the method of forming a circular optical path, a coherent laser light source and a single crystal silicon substrate having a (110) plane as a surface are etched by anisotropic wet etching, and the surface is formed on the (110) plane. A single crystal having a (110) plane exposed by the etching of a (111) plane reflecting mirror depending on two types of orientations of an angle of about +54.7 degrees and about −54.7 degrees from the <110> direction A plurality of laser beams from the light source circulate perpendicularly to the silicon substrate, and the two types of orientations are used to form clockwise and counterclockwise circular optical paths. An optical ring circuit is formed by the circular optical paths. It is characterized by forming.
[0015]
[2] The method for forming a circulating optical path according to [1], wherein a part of the circulating optical path is taken out of the circulating optical path by using a part of the circulating optical path as a semi-transparent mirror.
[0016]
[3] In the method of forming a circular optical path according to [1] above, a part of the (111) plane mirror is made movable to generate interference with respect to light that passes through or reflects outside the circular optical path. The interference width is controlled as it is.
[0017]
[4] The method for forming a circulating optical path according to [3], wherein the movable mirror is used for feedback control.
[0018]
[5] An optical gyro, which derives the two-way light obtained by the method of forming a circulating optical path according to [1] above to the outside of the circulating optical path, and detects a change in interference light of the derived light. It is characterized by.
[0019]
[6] An optical gyro characterized in that a mirror of the optical circulation optical path obtained by the method for forming a circulation optical path described in [1] is made movable and used for feedback control.
[0020]
[7] An optical gyro, wherein the circular optical path obtained by the method for forming a circular optical path according to [1] has a ring laser gyro function.
[0021]
With such a configuration, it is possible to form a surface having a relative angle and a mirror surface with extremely high accuracy by anisotropic wet etching in a single crystal of silicon. For example, a single crystal silicon substrate having the (110) plane as a surface is formed with a plurality of (111) planes perpendicular to the surface by anisotropic wet etching. Using this surface as a mirror, coherent laser light is introduced to form an optical circulation path of clockwise light and counterclockwise light. A laser resonance circuit is formed by selecting the wavelength and the distance between the mirrors. Here, by making a part of the mirror a semi-transparent mirror, the interference light can be measured by taking out the light of both directions to the outside of the circulating optical path.
[0022]
In addition, by making a part of the mirror movable, the angle at which the optical paths around the two intersect can be made variable, and the interference width can be controlled. If a mirror having a (110) plane is made of a cantilever and is displaceable by acceleration, the optical path length changes due to the displacement, and the interference fringes change. In addition, using a semi-transparent mirror or the like, a beat due to the difference in oscillation frequency between the two lights is observed and the angular velocity can be measured. A laser medium is installed in the optical path of the laser light and is oscillated by resonating in the circulating optical path, or laser light oscillated from the outside is introduced.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
[0024]
FIG. 1 is a configuration diagram of a circulating optical path showing the basic configuration of the present invention.
[0025]
In this figure, the
[0026]
That is, the mirrors 2 to 5 are (111) planes formed by anisotropic wet etching, and have very accurate angles determined by crystal orientations. The
[0027]
FIG. 2 is a configuration diagram of a circulating optical path showing the first embodiment of the present invention.
[0028]
As shown in this figure, by appropriately setting the positions of the
[0029]
If clockwise or counterclockwise light is introduced into such an optical path, interference can be observed with these lights. The interference may be observed on the mirror surface, or may be observed externally with a semi-transparent mirror. When light is introduced from outside and circulated, if the angle of one or a plurality of
[0030]
FIG. 3 is a configuration diagram of a circulating optical path showing a second embodiment of the present invention, which is an example in which a part of light circulating around a mirror is taken out to measure interference.
[0031]
In this case, the circular optical path formed by the
[0032]
Thus, for example, by separating the optical path for observation (formed by the
[0033]
If high reflectivity is required for the mirror, the (111) surface is coated with a highly reflective material such as metal or a dielectric layer. This can be realized by lengthening the wavelength.
[0034]
FIG. 4 is a configuration diagram of a circulating optical path showing a third embodiment of the present invention, which is another example of taking out a part of the circulating light to the outside and measuring interference.
[0035]
As shown in this figure, the mirrors 20 to 23 are for forming a circulating optical path, of which the
[0036]
1 to 4 can form an optical resonance circuit, and therefore, the optical path shape is determined by a method such as inserting a laser diode in the optical path, enclosing a laser medium such as HeNe, and exciting it. Laser oscillation can be performed.
[0037]
FIG. 5 shows an example of an acceleration sensor using the present invention, and FIG. 6 shows an example of an angular velocity sensor (gyroscope).
[0038]
In FIG. 5, a
[0039]
The introduction of light into the circulating optical path can be performed by, for example, the
[0040]
In FIG. 6, the area difference [area (40) −area (41)] surrounded by the clockwise and counterclockwise directions of the circulating optical path is increased, and the angular velocity is detected using the Sagnac effect. Sensitivity is proportional to this area difference [area (40) −area (41)]. In order to perform laser oscillation in the resonance circuit formed by the
[0041]
The optical path including the laser diode 39 (circular optical path by the
[0042]
The angle of a part of the
[0043]
FIG. 7 is a cross-sectional view of a mirror manufacturing process showing the first embodiment of the present invention. Here, a case where electrical insulation is required between mirrors will be described.
[0044]
(1) First, as shown in FIG. 7A, a
[0045]
(2) Next, as shown in FIG. 7B, the
[0046]
(3) Next, as shown in FIG. 7C, (110) the
[0047]
(4) Next, as shown in FIG. 7C, in the step (3), the (111)
[0048]
As is apparent from FIG. 9, it is possible to form a mirror that is comparable to a commercially available reflection mirror.
[0049]
FIG. 10 is a cross-sectional view of a mirror manufacturing process showing a second embodiment of the present invention. Here, the case where all the structures may be electrically connected will be described.
[0050]
(1) First, as shown in FIG. 10A, (110) a
[0051]
(2) Next, as shown in FIG. 10B, (110) the
[0052]
(3) Next, as shown in FIG. 10C, (110) the
[0053]
(4) Next, as shown in FIG. 10D, mirror surface and semi-transparent mirror surface adjustment etching is performed.
[0054]
In addition, after each mirror surface and semi-transparent mirror surface adjustment etching described above, a mirror comparable to a normal mirror was obtained. That is, the thickness of the semi-transparent mirror is controlled while holding the mirror while selecting the etchant. TMAH [tetramethylammonium hydroxide (tetramethylammonium hydroxide): silicon etchant] is used in combination with KOH.
[0055]
Also in this embodiment, a substrate (glass or the like) may be provided on the bottom side of the (110)
[0056]
FIG. 11 is a sectional view of a mirror manufacturing process showing the third embodiment of the present invention. Here, the case where a cantilever movable part is required is demonstrated.
[0057]
(1) First, as shown in FIG. 11A, a
[0058]
(2) Next, as shown in FIG. 11B, (110) the
[0059]
(3) Next, as shown in FIG. 11C, using the patterned
[0060]
(4) Next, as shown in FIG. 11D, mirror surface and semi-transparent mirror surface adjustment etching is performed.
[0061]
As described above, the present invention
[1] A coherent laser light source, perpendicular to the substrate, the reflective surface for reflecting light (reflection mirror) is arranged, with a reflective surface, forming a clockwise and counter-clockwise circulating light path, this An optical ring circuit is formed by the circulating optical path. Both directions of light are derived to the outside of the circulating optical path, and changes in the interference fringes of the derived light are detected. An optical gyro using this is provided.
[0062]
[2] A silicon substrate having the (110) plane as a surface is etched by anisotropic wet etching, and a (111) plane perpendicular to the surface is used as a light reflecting mirror. When a high reflectance is required, a metal or dielectric is coated on the (111) plane.
[0063]
By combining the above two techniques, for example, a circular optical path is formed by anisotropic wet etching. In that case, a (111) plane of single crystal silicon is used.
[0064]
In addition, a laser medium is disposed in the laser optical path, and a laser resonance circuit is formed by the circulating optical path by the emitted light. In this case, it is necessary to adjust the distance between the mirrors to the wavelength. Alternatively, a laser beam oscillated from the outside is introduced into the circulating optical path to form a resonance circuit.
[0065]
Furthermore, by using a partially translucent mirror as the reflecting surface, a part of the circulating light is extracted outside the circulating optical path, and a signal is extracted by the photodetector. Interference is detected by superimposing light in both directions. You may make it observe an interference fringe on the surface of a mirror.
[0066]
Further, a part of the mirror is made movable to control the interference fringes.
[0067]
A part of the mirror is, for example, a cantilever and is formed so as to be displaced by acceleration, and the optical path is displaced by the displacement, and the interference fringe changes. This is detected to constitute an acceleration sensor.
[0068]
An optical gyro serving as an angular velocity sensor using interference fringe detection by the Sagnac effect is configured by making a difference in the area surrounded by light around both sides.
[0069]
In addition, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation is possible based on the meaning of this invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
[0070]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the adjustment process of the mirror for generating the optical path is reduced as compared with the configuration using the conventional mechanical structural material, and batch production is possible. Combined with this, mass production and cost reduction can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a circulating optical path showing a basic configuration of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of a circulating optical path showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a configuration diagram of a circulating optical path showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram of a circulating optical path showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing an example of an acceleration sensor using the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing an example of an angular velocity sensor (gyroscope) using the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a mirror manufacturing process showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a reflection state of a (111) plane mirror after through etching according to the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a reflection state of a mirror surface and a mirror surface after semi-transparent mirror adjustment etching according to the present invention.
FIG. 10 is a sectional view of a mirror fabrication process showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a sectional view of a mirror fabrication process showing a third embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
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