JP3751553B2

JP3751553B2 - 周回光路の形成方法、それを用いた光ジャイロ

Info

Publication number: JP3751553B2
Application number: JP2001339390A
Authority: JP
Inventors: 一介前中; 優克縄手; 耕平前田
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2001-11-05
Filing date: 2001-11-05
Publication date: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2021-11-05
Also published as: JP2003139539A

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

Claims

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周回光路の形成方法。
請求項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周回光路の形成方法。
請求項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周回光路の形成方法。
請求項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周回光路の形成方法。
請求項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光ジャイロ。
請求項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光ジャイロ。
請求項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光ジャイロ。