JP4637918B2

JP4637918B2 - Ｎｍｒジャイロスコープ

Info

Publication number: JP4637918B2
Application number: JP2007548412A
Authority: JP
Inventors: アビンク，ヘンリー・シー; ケインズバーグ，エドワード; パターソン，ラルフ・エイ
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 2004-12-20
Filing date: 2005-12-20
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2025-12-20
Also published as: EP1828717A1; DE602005027610D1; EP1828717B1; JP2008524632A; US7239135B2; US20060139029A1; CA2589518A1; WO2006069116A1

Description

［０１］本発明は、全体として、核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープ、特に、一例としてのアーキテクチャ及び具体化に関する。

［０２］ＮＭＲジャイロスコープ（ジャイロ）の既知の具体化は、不便な程に大きいパッケージ体及び望ましくない程の高電力消費量を有する。更に、既知のジャイロ構造体は、そのため、製造中、効率的なバッチ加工と適合しない過程ステップ及び方法を要求する技術を組み合わせて使用する。

［０３］このため、電力消費量が減少した、相対的に小さいパッケージ体のＮＭＲジャイロが必要とされている。更に、製造中、効率的なバッチ加工を許容するアーキテクチャが必要とされている。

［０４］本発明は、１つの実施例において、ＮＭＲジャイロを包含する。ＮＭＲジャイロは、囲い物内にて取付けられた支持構造体と、支持構造体に取付けられたＮＭＲセルと、セル内にて磁界を発生させ得るようにＮＭＲセルの回りに配設された複数の永久磁石と、永久磁石により発生された磁界に対して横断方向に変調した磁界を発生させ得るようにセルに近接して配設された磁界コイルとを備えている。
［０５］１つの実施例において、ＮＭＲジャイロは、頂部及び底部蓋ウェハの間の中央に配設されたマイクロＮＭＲセルウェハと、ＮＭＲセルウェハに隣接した検出器ウェハと、検出器ウェハに隣接した検出及び信号処理エレクトロニクスを有するエレクトロニクスウェハと、検出器ウェハの反対側の側部にてＮＭＲセルウェハに隣接した偏光子ウェハと、偏光子ウェハに隣接した光学素子ウェハと、光学素子ウェハに隣接した読み取り及びポンプＶＣＳＥＬを含むレーザウェハと、レーザウェハに隣接したソース制御エレクトロニクスとを備えるウェハ構造体を有するようにバッチ過程にて製造される。

［０６］本発明の一例としての実施例の特徴は、以下の説明、請求項及び添付図面から明らかになるであろう。
［１２］図１ないし図３には、小型で全体として円形のＮＭＲジャイロパッケージ体１００が示されている。本発明の１つの実施の形態において、ケース１０８は、直径約１６ｍｍ及び高さ６ｍｍである。勿論、パッケージ体の正確な形状及びアスペクト比は、磁界及び磁界の均一性を詳細に検討した後、改変することができる。
［１３］Ｘｅ又はＫｒの同位体及び潜在的な緩衝ガスを含むが、これらにのみ限定されないガスのような望ましい核スピンを有するアルカリ金属、ガスを保持するセル１０１は、ケース１０８の中心付近に配置される。本発明の１つの実施の形態において、セル１０１は、約１００℃の温度に維持しなければならない。セル１０１には、図面に示されていないが、ヒータが設けられている。ジャイロに対し可能な限り最低の作動電力を提供するため、セル１０１は、熱損失を最小限にすべく真空圧内に懸垂しなければならない。セルは支持体１０６により真空圧内にて懸垂される。本発明の１つの実施の形態において、支持体は、脚部に沿った下方への熱伝達を最小にし得るよう強度と熱伝導率との比が大きい材料にて出来ている。支持体には、ポンプＶＣＳＥＬ１０３（垂直チャネル表面放出レーザ）もある。ポンプＶＣＳＥＬ１０３からの光出力は、矢印Ａで示した、回転が測定される方向に沿って向けられる。最終的な実施例に依存して、ＶＣＳＥＬチップは、セル１０１の反対面上に配設されたミラーから反射された光を監視すべく光検出器を保持することも必要であろう。ポンプレーザからの光は、円形に偏光させなければならない。このことは、ポンプＶＣＳＥＬ１０３とセル１０１との間に４分の１波長板１０９を挿入することにより実現される。
［１４］また、支持体１０６には、センサとして作用する光検出器をチップ上に有するＶＣＳＥＬ１０２がある。このＶＣＳＥＬ１０２に対向するセルの面には、蒸着したミラーがある。支持体１０６は、また、エレクトロニクスとＶＣＳＥＬ／セルの集合体の間にてヒータの電力及び信号を運ぶ電気伝導トレース１０４も有している。これらのトレースは、支持体の任意の又は全ての脚部にあるものとし、また、支持体の頂部又は底部又はその双方にあるものとすることができる。
［１５］ＶＣＳＥＬからの光出力の波長は、アルカリ線の正確な吸収波長に合うよう同調させなければならない。これは、ＶＣＳＥＬキャビティの温度を調節することにより実現される。一方、このことは、ＶＣＳＥＬ電流を変化させ又は、ＶＣＳＥＬにヒータを提供し、ＶＣＳＥＬからの光学パワーを独立的に制御し得るようにすることにより調節することができる。
［１６］ジャイロが作動するためには、矢印Ａで示した回転軸線に沿った磁界が必要である。この磁界の発生のため電力を使用することを避けるため、永久磁石１０５を使用してセル１０１の内部容積内に約０．１ないし１０ガウスの範囲の均一な磁界を発生させる。これを実現するための磁石の設計は、その内容の全体を参考として引用し本明細書に含めた、米国特許明細書５，４６９，２５６号に記載されている。
［１７］ケース１０８は、支持体１０６が取り付けられる４つの支持マウント２０２を保持している。ケースの底部には、磁石１０５を取り囲む一般的なセラミック回路板２０４がある。回路板２０４は、ジャイロを制御する全てのエレクトロニクスを保持している。エレクトロニクスの多くは、単一のＡＳＩＣチップ内に保持されよう。支持マウントが支持体上のトレースとセラミック回路板２０４との間にて電気的に相互接続するようにする革新的な方法が存在する。代替例において、接続は、従来の線接合により行うことができる。
［１８］本発明の１つの実施の形態において、ケース１０８自体は、最大の遮蔽効果を実現し得るよう焼鈍したＨｙＭｕ８０にて出来ている。ＨｙＭｕ８０合金は、極めて高い初期透磁性を提供し且つ、最小のヒステリシス損失にて最大の透磁性を提供する非背向の８０％ニッケル−鉄−モリブデン合金である。ケース１０８の頂部と底部との間の継手２０１部分に可撓性が存する。継手について示した設計は、外部の磁力線が継手２０１を通って侵入しないことを保証するため採られる措置の一例であることを意図するものである。ケースの基部には、ケース１０８の外径に妥当な程に近い円にて配置された多数のフィードスルー２０３がある。フィードスルーピン２０３は、ケース１０８の内側にてセラミック回路板２０４上のトレースにはんだ付け又は融接され且つ、該フィードスルーピンが取り付けられる慣性ナビゲーションシステム又はその他のシステム内にて別の回路板又は相互接続フレックスに融接又ははんだ付けされる。これらのはんだ接続部は、ジャイロを機械的に取り付けるのに十分であろう。フィードスルー２０３は、取り付けのため使用されないならば、円形のパターンを形成する必要はない。
［１９］ジャイロが作動するためには、主磁界に対して横断方向の変調した磁界を必要とする。変調周波数は、主磁界の強度に依存して、数１００ヘルツないし１ＭＨｚ以上とすることができる。１回巻きループで十分であると考えられる。組み立ての目的のため、このループ１０７を支持体に取り付けることが有効である。
［２０］高い真空圧がケース１０８内にて維持され、セル及びＶＣＳＥＬ又はＶＣＳＥＬヒータを作動させるのに必要な過剰な電力を防止することを保証するゲッタが存するが、図面には示されていない。また、必要とし又は必要としなくてもよい磁気遮蔽体の第二の層も存するが、図示されていない。
［２１］本発明は、チップスケールの核磁気共鳴ジャイロ用のアーキテクチャとして、高性能のため必要とされるポンプ及び読み取り光ビームの特徴及び形態を維持しつつ、バッチ加工製造方法の使用を容易にし得るよう容易に適応可能である。最適な光学的形態は、ポンプビームをアルカリ及び希ガスの混合体を保持するセル上に付与された直流磁界に対して平行に配置し且つ、読み取りビームを直流磁界に対して垂直に配置する。先の実施の形態にて説明したように、読み取り及びポンプレーザをセルの隣接した面上に配置することは、装置のバッチ加工に影響を与える。本発明の１つの代替的な実施の形態において、反射面が読み取りビームを図４に示すように方向変更するようセルの設計を改変することにより、この制限を克服することができる。更に、ウェハの論理的な積層は、図４に示すように考えられ、この場合、エレクトロニクスを無視して、ソース及びポンプレーザは１つのウェハ４０２上に製造され、第二のウェハ４０３は、ビーム形成光学素子を有し、第三のウェハ４０４は、偏光子を有し、ウェハ４０５ないし４０７は、セル側部及び蓋を有し、ウェハ４０８は、ポンプ及び読み取り検出器を有している。ソース制御及び検出／信号処理エレクトロニクスウェハ４０１、４０９は、図４に示すように、積層体に追加することができる。
［２２］図５において、積層体は、ウェハごとに製造する論理的に別個の技術に対して示されている。例えば、２つのウェハ４０１、４０９は、集積型エレクトロニクスを有し、１つのウェハ４０２は、レーザ源を有し、１つのウェハ４０８は、検出器を有し、別のウェハ４０４は、偏光子を有し、別のウェハ４０３は、光学素子を含み、１組みのウェハ５０１は、ＮＭＲセル５０２を構成する。分離（ｓｅｇｒｅｇａｔｉｎｇ）技術は、現像時間を短くし且つ、製造歩留り率を向上させる。
［２３］本明細書に記載したステップ又は工程は、単に一例である。本発明の精神から逸脱せずに、これらのステップ又は工程に対し多数の変更例が存在する。例えば、ステップを別の順序にて実行し、又はステップを追加し、省略し又は改変することができる。
［２４］本発明の一例としての実施例について図示し且つ、本明細書にて詳細に説明したが、関連技術の当業者には、本発明の精神から逸脱せずに、色々な改変例、追加、置換及び同様のものを為すことができ、従って、これらは、特許請求の範囲に記載した本発明の範囲に属するとみなされることが明らかであろう。

本発明に従ったＮＭＲジャイロ組立体の頂面図である。図１のＮＭＲジャイロの側面図である。カバーを輪郭線にて示した、図１のＮＭＲジャイロの斜視図である。本発明に従ったＭＮＲジャイロの代替的な実施の形態によるウェハ組織化の模式図である。図４のウェハ組織化の代替的な図である。

Claims

ＮＭＲジャイロにおいて、
囲い物（１０８）内にて取付けられた支持構造体（１０６）と、
支持構造体（１０６）に取付けられたＮＭＲセル（１０１）と、
セル（１０１）内にて磁界を発生させ得るようＮＭＲセル（１０１）の回りに配設された複数の永久磁石（１０５）と、
永久磁石（１０５）により発生された磁界に対して横断方向に変調した磁界を発生させ得るようにセル（１０１）に近接して配設された磁界コイル（１０７）とを備え、
支持構造体（１０６）は、実質的に円形の中央部分から外方に伸びる４つの脚部を有するセラミック支持体（１０６）である、ＮＭＲジャイロ。
請求項１に記載のＮＭＲジャイロにおいて、
囲い物（１０８）は、ＨｙＭｕ８０合金にて形成された実質的に円筒状の囲い物（１０８）である、ＮＭＲジャイロ。
請求項１に記載のＮＭＲジャイロにおいて、
前記囲い物（１０８）は、その頂部と底部との間に、可撓性を与える継手（２０１）を有する、ＮＭＲジャイロ。
請求項１に記載のＮＭＲジャイロにおいて、
セラミック支持構造体（１０６）は、囲い物（１０８）内にて複数の支持マウント（１０２）に取付けられる、ＮＭＲジャイロ。
請求項３に記載のＮＭＲジャイロにおいて、
セラミック支持構造体（１０６）は、囲い物（１０８）内にて４つの支持マウント（１０２）に取付けられる、ＮＭＲジャイロ。
請求項４に記載のＮＭＲジャイロにおいて、
ＮＭＲセル（１０１）は相対的な真空圧内にて懸垂される、ＮＭＲジャイロ。
請求項１に記載のＮＭＲジャイロにおいて、
ＮＭＲセル（１０１）の回りに配設された複数の永久磁石（１０５）は、ＮＭＲセル（１０１）の回りで所定のパターンにて配設された実質的に複数の円筒永久磁石（１０５）である、ＮＭＲジャイロ。
請求項１に記載のＮＭＲジャイロにおいて、
実質的に円筒永久磁石（１０５）はセル（１０１）からほぼ等距離に配設される、ＮＭＲジャイロ。
ＮＭＲジャイロにおいて、
囲い物（１０８）内にて取付けられた支持構造体（１０６）と、
支持構造体（１０６）に取付けられたＮＭＲセル（１０１）と、
セル（１０１）内にて磁界を発生させ得るようＮＭＲセル（１０１）の回りに配設された複数の永久磁石（１０５）と、
永久磁石（１０５）により発生された磁界に対して横断方向に変調した磁界を発生させ得るようにセル（１０１）に近接して配設された磁界コイル（１０７）とを備え、
ＮＭＲセル（１０１）の回りに配設された複数の永久磁石（１０５）は、ＮＭＲセル（１０１）の回りで所定のパターンにて配設された実質的に複数の円筒永久磁石（１０５）であり、
実質的に円筒永久磁石（１０５）はセル（１０１）からほぼ等距離に配設され、
実質的に円筒永久磁石（１０５）は、四角形のほぼ中心に配置されたセル（１０１）を有する四角形の頂点に配設される、ＮＭＲジャイロ。
ＮＭＲジャイロにおいて、
囲い物（１０８）内にて取付けられた支持構造体（１０６）と、
支持構造体（１０６）に取付けられたＮＭＲセル（１０１）と、
セル（１０１）内にて磁界を発生させ得るようＮＭＲセル（１０１）の回りに配設された複数の永久磁石（１０５）と、
永久磁石（１０５）により発生された磁界に対して横断方向に変調した磁界を発生させ得るようにセル（１０１）に近接して配設された磁界コイル（１０７）とを備え、
ＮＭＲセル（１０１）の回りに配設された複数の永久磁石（１０５）は、ＮＭＲセル（１０１）の回りで所定のパターンにて配設された実質的に複数の円筒永久磁石（１０５）であり、
実質的に円筒永久磁石（１０５）はセル（１０１）からほぼ等距離に配設され、
複数の永久磁石（１０５）は４つの永久磁石（１０５）である、ＮＭＲジャイロ。
請求項１に記載のＮＭＲジャイロにおいて、
セル（１０１）の温度を約１００℃に維持するセルヒータを更に備える、ＮＭＲジャイロ。
請求項１に記載のＮＭＲジャイロにおいて、
支持構造体（１０６）に取付けられた少なくとも１つのポンプＶＣＳＥＬ（１０３）を更に備える、ＮＭＲジャイロ。
請求項１２に記載のＮＭＲジャイロにおいて、
ポンプＶＣＳＥＬ（１０３）は、検出器を含む集積回路の少なくとも一部分を形成する、ＮＭＲジャイロ。
請求項１３に記載のＮＭＲジャイロにおいて、
ＮＭＲセル（１０１）は、ＶＣＳＥＬ（１０２）と対向する位置に配設されたミラー付き領域を含む、ＮＭＲジャイロ。
請求項１２に記載のＮＭＲジャイロにおいて、
ＶＣＳＥＬ（１０２）からの光は、ＶＣＳＥＬ（１０２）とＮＭＲセル（１０１）との間に介在させた４分の１波長板（１０９）によって円形に偏光される、ＮＭＲジャイロ。
請求項１２に記載のＮＭＲジャイロにおいて、
ポンプＶＣＳＥＬ（１０３）に対して直交状態に配設された第二のＶＣＳＥＬ（１０２）を更に備える、ＮＭＲジャイロ。
請求項１６に記載のＮＭＲジャイロにおいて、
ＶＣＳＥＬ（１０２）からの光出力は、ＮＭＲセル（１０１）内にてアルカリ金属の吸収波長となるように同調される、ＮＭＲジャイロ。
請求項１７に記載のＮＭＲジャイロにおいて、
ＶＣＳＥＬ（１０２）は、ＶＣＳＥＬ（１０２）の温度を調節することにより同調される、ＮＭＲジャイロ。
請求項１７に記載のＮＭＲジャイロにおいて、
ＶＣＳＥＬ（１０２）は、ＶＣＳＥＬ（１０２）に提供される供給電流を調節することにより同調される、ＮＭＲジャイロ。
請求項１９に記載のＮＭＲジャイロにおいて、
ＶＣＳＥＬ（１０２）に対する制御回路を含む回路板（２０４）を更に備える、ＮＭＲジャイロ。
請求項２０に記載のＮＭＲジャイロにおいて、
囲い物（１０８）の外面の回りに配設された複数のフィードスルー（２０３）（ｅｅｄｔｈｒｏｕｇｈｓ）（２０３）であって、囲い物（１０８）の外部から回路板（２０４）までの電気的接続路を提供する前記複数のフィードスルー（２０３）を更に備える、ＮＭＲジャイロ。
請求項２１に記載のＮＭＲジャイロにおいて、
フィードスルー（２０３）は、外部装置に対する電気的接続部及び機械的接続部の双方を提供する、ＮＭＲジャイロ。
請求項２２に記載のＮＭＲジャイロにおいて、
フィードスルー（２０３）は、実質的に円形のパターンにて配設される、ＮＭＲジャイロ。
ＮＭＲジャイロにおいて、
ＨｙＭｕ８０合金にて形成された実質的に円筒状の囲い物（１０８）と、
実質的に円形の中央部分から外方に伸びる４つの脚部を有し、囲い物（１０８）内にて取付けられたセラミック支持体（１０６）と、
真空圧内にて懸垂され且つセラミック支持体（１０６）に取付けられたＮＭＲセル（１０１）と、
セル（１０１）からほぼ等距離に配設された４つの円筒永久磁石（１０５）であって、その中央にセル（１０１）を有する四角形の頂点に配設された前記４つの実質的に円筒永久磁石（１０５）と、
永久磁石（１０５）により発生された磁界に対し横断方向の変調した磁界を発生させ得るように配設された１回巻きの磁界コイル（１０７）と、
セル（１０１）の温度を約１００℃に維持するセル（１０１）ヒータと、
セラミック支持体（１０６）に取付けられた少なくとも１つのポンプＶＣＳＥＬ（１０３）とを備える、ＮＭＲジャイロ。
請求項２４に記載のＮＭＲジャイロにおいて、
ポンプＶＣＳＥＬ（１０３）は、検出器を含む集積回路の少なくとも一部分を形成する、ＮＭＲジャイロ。
請求項２５に記載のＮＭＲジャイロにおいて、
ＮＭＲセル（１０１）は、ＶＣＳＥＬ（１０２）と対向する位置に配設されたミラー付き領域を含む、ＮＭＲジャイロ。
請求項２４に記載のＮＭＲジャイロにおいて、
ＶＣＳＥＬ（１０２）からの光は、ＶＣＳＥＬ（１０２）とＮＭＲセル（１０１）との間に介在させた４分の１波長板（１０９）によって円形に偏光される、ＮＭＲジャイロ。
請求項２４に記載のＮＭＲジャイロにおいて、
ポンプＶＣＳＥＬ（１０３）に対して直交状態に配設された第二のＶＣＳＥＬ（１０２）を更に備える、ＮＭＲジャイロ。
請求項２８に記載のＮＭＲジャイロにおいて、
ＶＣＳＥＬ（１０２）からの光出力は、ＮＭＲセル（１０１）内にてアルカリ金属の吸収波長となるように同調される、ＮＭＲジャイロ。
請求項２９に記載のＮＭＲジャイロにおいて、
ＶＣＳＥＬ（１０２）は、ＶＣＳＥＬ（１０２）の温度を調節することにより同調される、ＮＭＲジャイロ。
請求項２９に記載のＮＭＲジャイロにおいて、
ＶＣＳＥＬ（１０２）は、ＶＣＳＥＬ（１０２）に提供される供給電流を調節することにより同調される、ＮＭＲジャイロ。
請求項３１に記載のＮＭＲジャイロにおいて、
ＶＣＳＥＬ（１０２）に対する制御回路を含む回路板（２０４）を更に備える、ＮＭＲジャイロ。
請求項３２に記載のＮＭＲジャイロにおいて、
囲い物（１０８）の外面の回りに配設された複数のフィードスルー（２０３）であって、囲い物（１０８）の外部から回路板（２０４）までの電気的接続路を提供する前記複数のフィードスルー（２０３）を更に備える、ＮＭＲジャイロ。
請求項３３に記載のＮＭＲジャイロにおいて、
フィードスルー（２０３）は、外部装置に対する電気的接続部及び機械的接続部の双方を提供する、ＮＭＲジャイロ。
請求項２８に記載のＮＭＲジャイロにおいて、
頂部及び底部蓋ウェハの間の中央に配設された小型ＮＭＲセルウェハ（５０２）と、
ＮＭＲセルウェハ（５０２）に隣接する検出器ウェハ（４０８）と、
検出器ウェハに隣接する検出及び信号処理エレクトロニクスを含むエレクトロニクスウェハ（４０９）と、
検出器ウェハと反対側の側部にてＮＭＲセルウェハ（５０２）に隣接する偏光子ウェハ（４０４）と、
偏光子ウェハに隣接する光学素子ウェハ（４０３）と、
光学素子ウェハに隣接する読み取り及びポンプＶＣＳＥＬ（１０３）を含むレーザウェハ（４０２）と、
レーザウェハに隣接するソース制御エレクトロニクスウェハ（４０１）とを備え、
ウェハ構造体と共にバッチ加工にて製造される、ＮＭＲジャイロ。