JP5908603B2 - 光学機械ジャイロスコープのための装置、システム及びタブレットコンピュータ装置 - Google Patents
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Description
本発明の実施の形態は光学機械装置等に関連する。特に、本発明の実施の形態は光学機械式のジャイロスコープ等に関連する。
ジャイロスコープは、運動の角速度を測定する装置であり、動的な車両制御、ジェスチャ認識及びナビゲーション等を含む多くの用途に有用である。ジャイロスコープに基づくシステムは、現在、航空宇宙ナビゲーション、産業機械管理、自動車電子安定制御、携帯装置等を含む多くの分野で使用されている。
ジャイロスコープのパフォーマンスのうち重要な量(又は尺度又は基準等)は、感度、帯域幅及び安定性(又はバイアスドリフト)等である。現在、最高のパフォーマンスをもたらすものは＄1000000に及ぶほど高価であり、多くは光学系に基づいており、1時間当たり僅か数度(a few degrees/h)未満のドリフトしか生じない。逆に、民生レベルのジャイロスコープは、現在、1つの軸方向に関して約＄1程度の値段であり、マイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS)方式に基づいており、例えば1時間当たり50ないし100度もの範囲に及ぶかなり大きなドリフトの影響を被ってしまう。
個人利用のナビゲーションの場合、3軸ジャイロスコープは1時間当たり1桁程度の度数の範囲のドリフトしか示さない一方、遅い角回転及び速い角回転の双方をカバーする感度及び帯域幅を維持することが、望ましい。このような要請は既存の静電MEMSジャイロスコープでは達成できない。
ZHAO et al, "Investigation and analysis of a MOEMS gyroscope based on novel resonator", IEEE RCSLPLT and ASOT 2010 10th Russian-Chinese symposium, pp.337-340
一側面における実施の形態の課題は、ドリフトを抑制し、充分な感度及び帯域幅を維持することが可能なジャイロスコープのための装置等を提供することである。
一側面における実施の形態による装置は、
光リング共振器及び機械ディスク共振器として機能する光学機械ディスクと、
光駆動信号を生成する駆動レーザと、
前記光駆動信号のウェーブガイドとして機能する駆動チャネルであって、前記光学機械ディスクの第１の近傍に駆動電極を有し、前記駆動電極はエバネセント結合により前記光リング共振器を励起する、駆動チャネルと、
前記駆動チャネルから出力光信号を受信するように形成される駆動フォトディテクタと、
光検出信号を生成する検出レーザと、
前記光検出信号のウェーブガイドとして機能し、前記光学機械ディスクの第２の近傍に検出電極を有する検出チャネルと、
前記検出チャネルから出力光信号を受信するように形成される検出フォトディテクタと
を有する装置である。
光リング共振器及び機械ディスク共振器として機能する光学機械ディスクと、
光駆動信号を生成する駆動レーザと、
前記光駆動信号のウェーブガイドとして機能する駆動チャネルであって、前記光学機械ディスクの第１の近傍に駆動電極を有し、前記駆動電極はエバネセント結合により前記光リング共振器を励起する、駆動チャネルと、
前記駆動チャネルから出力光信号を受信するように形成される駆動フォトディテクタと、
光検出信号を生成する検出レーザと、
前記光検出信号のウェーブガイドとして機能し、前記光学機械ディスクの第２の近傍に検出電極を有する検出チャネルと、
前記検出チャネルから出力光信号を受信するように形成される検出フォトディテクタと
を有する装置である。
以下、添付図面を参照しながら、限定ではなく例示として本発明の実施の形態を説明する。図中、同様な番号は同様な要素を示す。
以下の説明において、多くの具体的な詳細な事項が説明される。しかしながら本発明の実施形態はそのような具体的な詳細な事項によらず実施されてもよい。また、既存の回路、構造及び方式自体については、本説明の理解を促すため詳細には説明されていない。
本願で説明されているジャイロスコープの実施形態は、シリコン光工学(silicon photonics)を利用して、優れたパフォーマンス(例えば、優れたナビゲーション精度)を有しかつ比較的低コストである光学機械ジャイロスコープ(optomechanical gyroscope：OMG)を可能にする。OMGは、光学機械系を利用して、比較的低コストのシリコンフォトニクスパターンにより、(ジャイロスコープ及び加速度計の双方を含む)光学機械変換慣性センサ(optomechanically-transduced inertial sensor)を提供する。
様々な実施形態において、シリコン光工学OMGは、中心点又は中央部で支持されるリング共振器を含む。光学共振器は、隣接するウェーブガイド(ドライブチャネル)にりエバネセント結合(evanescent coupling)によりリングにおいて刺激又は励起される。ディスクの機械共振周波数で光を振幅変調することで、ディスクは光学機械的な力(放射圧(radiation pressure)又は光勾配力(optical gradient force))に起因して振動させられる。典型的な機械共振周波数又は力学系共振周波数は100kHzないし10MHzの範囲内にあってもよい。
ディスクが機械的に振動している場合には、ディスクは共振MEMSセンサに非常に類似する機能を発揮する。振動モードは、外部加速度(加速度計の場合)又は回転(すなわち、ジャイロスコープの場合のコリオリ力)に比例して変動する。
図1Aは一実施形態による統合された又は一体的なシリコン光学機械ジャイロスコープの平面図を示す。図1Bは一実施形態による一体型シリコン光学機械ジャイロスコープの側面図を示す。図1A及び図1Bに示す要素は基板100上に形成されていてもよい。一実施形態では、機械的及び光学的な特性の安定化を促すように、抵抗ヒータ(図示せず)がダイに取り付けられ、装置の温度を一定に維持してもよい。
ドライブレーザ115及びセンスレーザ120はハイブリッドレーザ(hybrid laser)であってもよいし、或いは別個の(外付け)レーザであってもよい。ドライブレーザは駆動レーザ等と言及されてもよい。センスレーザは検出レーザ等と言及されてもよい。これらのレーザは当該技術分野における任意のタイプのレーザであってもよい。一実施形態では、ドライブレーザ115及びセンスレーザ120の双方が、放出光を、光学機械ディスク140の機械共振周波数で変調してもよい。別の実施形態では、ドライブレーザ115からの光を、光学機械ディスク140の機械共振周波数に変調するために、光変調器120が使用されてもよい。
ドライブレーザ115は、ウェーブガイドを含むドライブチャネル110に光学的に結合される。ウェーブガイドは導波路等と言及されてもよい。ドライブチャネルは駆動チャネル等と言及されてもよい。光検出器又はフォトディテクタ130は、ドライブレーザ115からの光を検出するようにドライブチャネル110に光学的に結合されている。光検出器又はフォトディテクタ130は、一体化されたハイブリッドフォトダイオードであってもよいし、或いは別個の(外付け)の検出器又はディテクタであってもよい。
センスブレーザ150は、ウェーブガイドを含むセンスチャネル155に光学的に結合される。光検出器又はフォトディテクタ175は、センスレーザ150からの光を検出するようにセンスチャネル155に光学的に結合されている。フォトディテクタ175は、一体化されたハイブリッドフォトダイオードであってもよいし、或いは別個の(外付け)の検出器又はディテクタであってもよい。
図1A及び図1Bに示す例においては、別々のレーザ及び別々のフォトディテクタが使用されている。代替的な実施形態では、単独のレーザ及び/又はフォトディテクタがウェーブガイドスプリッタとともに使用され、光信号を分離及び結合してもよい。一実施形態において、レーザは、一定のレーザ発振波長を維持するためにドライブフォトディテクタを利用するフィードバックループでロックされてもよい。
一実施形態において、エバネセント結合により光学機械ディスク140の光学共振を促すように、ドライブ電極125が設けられている。ドライブ電極は駆動電極等と言及されてもよい。ドライブレーザ115からの光が、光学機械ディスク140の機械共振周波数で変調されている場合、ドライブチャネル110及び光学機械ディスク140の間のドライブ電極125における相互作用(transduction)により、光学機械ディスク140に共振が引き起こされる。
光学機械ディスク140が共振している場合、光学機械ディスク140は、それを支持している基板の物理的な動きに反応する。振動のモードは、外部加速度(加速度計の場合)又は回転(すなわち、ジャイロスコープの場合のコリオリ力)に比例して変化する又は摂動を生じる。振動モードのこの変化は、光学機械ディスク140とセンス電極160との間のエバネセント結合により、ドライブモードの節(node)において検出される。センスフォトディテクタ175において信号を検出したことは、外的な運動が存在することを示す。外的な運動は、信号の振幅に比例する。一実施形態において、センスチャネル155は1つ以上の節(例えば、45°、135°、225°、315°)に合わせられ、ドライブチャネル110は1つ以上の腹(antinode)(例えば、0°、90°、180°、270°)に合わせられている(すなわち、その方向又は位置に沿って整列している)。
図2Aは、MEMSリリース(MEMS release)前の一実施形態による一体型シリコン光学機械ジャイロスコープの断面図を示す。図2Aに示す例は、図1A及び図1Bに示す光学機械ジャイロスコープ構造の断面図を示す。ドライブレーザ215は、変調器220及びSiNカプラ225を通じて、解放される前の光学機械ディスク240に信号を提供するように形成されている。フォトディテクタ230は光信号を受信するように配置されている。
図2Bは、MEMS構造の解放後の一実施形態による一体型シリコン光学機械ジャイロスコープの断面図を示す。MEMS構造の解放工程の後、空洞260が光学機械ディスク240の下部に存在するようになる。図2Cは、ウエハレベルのパッケージング後の一実施形態による一体型シリコン光学機械ジャイロスコープの断面図を示す。図2Cに示されているウエハレベルパッケージ275は、ウエハボンディング工程を用いて取り付けられ、振動するディスクの周辺環境を封止及び規定し、優れた力学的な品質係数(quality factor)を保証する。
図3は光学機械ジャイロスコープを利用する一実施形態による方法を示すフローチャートである。310において、光信号が、レーザにより生成され、光学機械ディスク310の機械共振周波数で変調される。上述したように、これは変調器で光を変調することにより行われてもよいし、或いは所定の周波数の光を生成するようにレーザが調整されていてもよい。
320において、変調光は、エバネセント結合により光学機械ディスクの振動を誘発する又は引き起こす。すると、光学機械ディスクは、光リング共振器(optical ring resonator)及び機械ディスク共振器(mechanical disk resonator)として機能するようになる。光学機械ディスクの物理的な動き(例えば、光学機械ディスクを含む装置の運動に起因する動き)は、センスチャネルのフォトディテクタにより受信される光信号に変化をもたらす。
330において、センスチャネルのフォトディテクタは、センスチャネルにおける光信号の変化を検出する。340において、装置の動きが、検出された信号の変化から判断される。その動きは、フォトディテクタにより検出される信号に比例している。350において、動き又は運動を示す信号その他のインジケータが生成される。「動き」に応じて、信号が送信されてもよいし、或いは通知内容又は表示が保存されてもよいし、インタフェースが変わってもよいし、その他の様々な処理がなされてもよい。
図4は一実施形態による電子システムのブロック図を示す。図4に示す電子システムは(有線又は無線による)様々な電子システムを表現するように意図されており、例えば、タブレット装置、スマートフォン、デスクトップコンピュータシステム、ラップトップコンピュータシステム、サーバ、ゲームコンソール、ゲームコントローラ等であるがこれらに限定されない。代替的な電子システムは、より多数の素子、より少数の素子及び/又は異なる素子を含んでいてもよい。
電子システム400は、バス405又は情報を通信するためのその他の通信装置と、バス405に結合されて情報を処理するプロセッサ410とを含む。電子装置400は複数のプロセッサ及び/又はコプロセッサを含んでいてもよい。電子システム400は、バス405に結合されたランダムアクセスメモリ(RAM)又は他のダイナミックストレージ装置420(「メモリ」と言及される)を含み、プロセッサ410により実行される命令及び情報を保存する。メモリ420は、プロセッサ410による命令の実行中に、一時的な変数又はその他の中間的に使用される情報を保存してもよい。
電子システム400は、バス405に結合されたリードオンリメモリ(ROM)及び/又はその他の静的なストレージ装置430を含み、プロセッサ410のために命令及び静的な情報を保存する。データストレージ装置440は、バス405に結合され、情報及び命令を保存する。磁気ディスク又は光ディスク等のようなデータストレージ装置440及び関連するドライブが、電子システム400に結合される。
電子システム400は、バス405を介して、任意のタイプの表示装置とすることが可能なディスプレイ装置450(例えば、タッチスクリーン)に結合され、ユーザに情報を表示する。入力装置460は、ユーザが電子システム400に入力を与えることを可能にする任意のタイプのインタフェース及び/又は装置であってよい。入力装置は、情報及びコマンド選択内容をプロセッサ410に通知するためのハードボタン及び/又はソフトボタン、音声入力又はスピーカ入力を含んでいてもよい。
電子システム400は、電子システム400により提供される機能を発揮するために使用されるセンサ470を含む。センサ470は、例えば、ジャイロスコープ、近接センサ、光センサ等を含んでよい。任意の数のセンサ及び任意のタイプのセンサが使用されてよい。一実施形態において、ジャイロスコープは本願で説明されている光学機械式のジャイロスコープであってよい。
電子装置400はローカルエリアネットワーク等のようなネットワークにアクセスできるようにするネットワークインタフェース480を含んでもよい。ネットワークインタフェース480は、例えば、1つ以上のアンテナであってもよいアンテナ485を有する無線ねとワークインタフェースを含んでいてもよい。ネットワークインタフェース480は、例えば、イーサーネットケーブル、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、シリアルケーブル、パラレルケーブル等であってもよいネットワークケーブル487を介して、リモート装置と通信するための有線ネットワークインタフェースを含んでいてもよい。ネットワークアクセスは4G/LTE標準規格に従って行われてもよい。
一実施形態において、ネットワークインタフェース480は、例えばIEEE802.11b及び/又はIEEE802.11g及び/又はIEEE802.11n標準規格に従うことにより、ローカルエリアネットワークにアクセスする機能を提供し、及び/又は無線ネットワークインタフェースは例えばブルートゥース標準規格に従うことによりパーソナルエリアネットワークにアクセスする機能を提供してもよい。例えば4G/LTE等のような他の無線ネットワークインタフェース及び/又はプロトコルを使用することも可能である。
IEEE802.11bは、1999年9月16日付けで合意された「Local and Metropolitan Area Networks, Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications: Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHz Band」と題するIEEE Std.802.11b-1999及びそれに関連する文書に対応する。IEEE802.11gは、2003年6月27日付けで合意された「Local and Metropolitan Area Networks, Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, Amendment 4: Further Higher Rate Extension in the 2.4 GHz Band」と題するIEEE Std.802.11g-2003及びそれに関連する文書に対応する。ブルートゥースプロトコルは、ブルートゥース特定利益団体(Bluetooth（登録商標） Special Interest Group, Inc.)により2001年2月22日付で公表された「Specification of the Bluetooth（登録商標） System: Core, Version 1.1」と題する文書に記載されている。ブルートゥース標準規格に関する先行するバージョン及び将来的なバージョンが実施の形態に使用されてもよい。
無線LAN標準規格による通信に加えて又はその代わりに、ネットワークインタフェース480は、例えば、時間分割多重アクセス(TDMA)プロトコル、移動通信に関するグローバル通信(GSM)プロトコル、符号分割多重アクセス(CDMA)プロトコル及び/又はその他の任意のタイプの無線通信プロトコルを利用して無線通信を行ってもよい。
本明細書において使用されている「一実施形態」又は「実施の形態」という用語は、その形態に関連して説明されている特定の特性、構造又は特徴が、本発明の少なくとも1つの実施の形態に含まれていることを意味する。本明細書の様々な箇所で等序している「一実施形態において」という語句は、必ずしも同じ実施形態を指しているとは限らない。振動モードの変化は、ドライブモードの節であるように設定されたセンスウェーブガイド(センスチャネル)に対するエバネセント結合を用いて検出される。フォトディテクタがセンスチャネルにおける信号を検出したことは、外部構造に動きが存在していることを示す。
以上、本発明は幾つかの実施形態の観点から説明されてきたが、当業者は、具体的に説明された実施形態に本発明は限定されず、添付の特許請求の範囲の精神及び発明範囲内で変形及び置換を施すことが可能であることを認めるであろう。本明細書は限定ではなく例示として解釈されるべきである。
Claims (22)
- 光リング共振器及び機械ディスク共振器として機能する光学機械ディスクと、
光駆動信号を生成する駆動レーザと、
前記光駆動信号のウェーブガイドとして機能する駆動チャネルであって、前記駆動チャネルは、エバネセント結合により前記光学機械ディスクを励起するために前記光学機械ディスクの腹に沿って整列された駆動電極を含み、前記駆動レーザからの光が前記光学機械ディスクの機械的共振周波数で変調される場合に、前記駆動電極と前記光学機械ディスクとの間の相互作用が前記光学機械ディスクの共振を生じさせる、駆動チャネルと、
光検出信号を生成する検出レーザと、
前記光検出信号のウェーブガイドとして機能する検出チャネルであり、前記検出チャネルは、前記光学機械ディスクに対するエバネセント結合のために前記光学機械ディスクのノードに沿って整列された検出電極を有する、検出チャネルと、
前記検出電極との前記エバネセント結合を通じて前記光学機械ディスクの振動モードにおける変化を検出するように、前記検出チャネルから出力光信号を受信するための検出フォトディテクタであり、前記振動モードにおける前記変化は前記光学機械ディスクの外部回転に比例している、検出フォトディテクタと
を有する装置。 - 前記光学機械ディスクを光学機械的な力によって振動させるために、前記駆動レーザは、前記光学機械ディスクの機械共振周波数で光を変調する、請求項１に記載の装置。
- 前記光学機械的な力が放射圧を含む、請求項２に記載の装置。
- 前記光学機械的な力が光勾配力を含む、請求項２に記載の装置。
- 前記光学機械ディスクを光学機械的な力によって振動させるために、前記光学機械ディスクの機械共振周波数で前記光駆動信号を変調する変調器を有する、請求項１に記載の装置。
- 前記光学機械的な力が放射圧を含む、請求項５に記載の装置。
- 前記光学機械的な力が光勾配力を含む、請求項５に記載の装置。
- タッチスクリーンインタフェースと、
光リング共振器及び機械ディスク共振器として機能する光学機械ディスクと、
光駆動信号を生成する駆動レーザと、
前記光駆動信号のウェーブガイドとして機能する駆動チャネルであって、前記駆動チャネルは、エバネセント結合により前記光学機械ディスクを励起するために前記光学機械ディスクの腹に沿って整列された駆動電極を含み、前記駆動レーザからの光が前記光学機械ディスクの機械的共振周波数で変調される場合に、前記駆動電極と前記光学機械ディスクとの間の相互作用が前記光学機械ディスクの共振を生じさせる、駆動チャネルと、
光検出信号を生成する検出レーザと、
前記光検出信号のウェーブガイドとして機能する検出チャネルであり、前記検出チャネルは、前記光学機械ディスクに対するエバネセント結合のために前記光学機械ディスクのノードに沿って整列された検出電極を有する、検出チャネルと、
前記検出電極との前記エバネセント結合を通じて前記光学機械ディスクの振動モードにおける変化を検出するように、前記検出チャネルから出力光信号を受信するための検出フォトディテクタであり、前記振動モードにおける前記変化は前記光学機械ディスクの外部回転に比例している、検出フォトディテクタと
前記検出フォトディテクタ及び駆動フォトディテクタを監視し、前記タッチスクリーンインタフェースに結合されたプロセッサと
を有するタブレットコンピュータ装置。 - 前記光学機械ディスクを光学機械的な力によって振動させるために、前記駆動レーザは、前記光学機械ディスクの機械共振周波数で光を変調する、請求項８に記載のタブレットコンピュータ装置。
- 前記光学機械的な力が放射圧を含む、請求項９に記載のタブレットコンピュータ装置。
- 前記光学機械的な力が光勾配力を含む、請求項９に記載のタブレットコンピュータ装置。
- 前記光学機械ディスクを光学機械的な力によって振動させるために、前記光学機械ディスクの機械共振周波数で前記光駆動信号を変調する変調器を有する、請求項８に記載のタブレットコンピュータ装置。
- 前記光学機械的な力が放射圧を含む、請求項１２に記載のタブレットコンピュータ装置。
- 前記光学機械的な力が光勾配力を含む、請求項１２に記載のタブレットコンピュータ装置。
- 無指向性アンテナと、
光リング共振器及び機械ディスク共振器として機能する光学機械ディスクと、
光駆動信号を生成する駆動レーザと、
前記光駆動信号のウェーブガイドとして機能する駆動チャネルであって、前記駆動チャネルは、エバネセント結合により前記光学機械ディスクを励起するために前記光学機械ディスクの腹に沿って整列された駆動電極を含み、前記駆動レーザからの光が前記光学機械ディスクの機械的共振周波数で変調される場合に、前記駆動電極と前記光学機械ディスクとの間の相互作用が前記光学機械ディスクの共振を生じさせる、駆動チャネルと、
光検出信号を生成する検出レーザと、
前記光検出信号のウェーブガイドとして機能する検出チャネルであり、前記検出チャネルは、前記光学機械ディスクに対するエバネセント結合のために前記光学機械ディスクのノードに沿って整列された検出電極を有する、検出チャネルと、
前記検出電極との前記エバネセント結合を通じて前記光学機械ディスクの振動モードにおける変化を検出するように、前記検出チャネルから出力光信号を受信するための検出フォトディテクタであり、前記振動モードにおける前記変化は前記光学機械ディスクの外部回転に比例している、検出フォトディテクタと、
前記検出フォトディテクタ及び駆動フォトディテクタを監視し、タッチスクリーンインタフェースに結合されたプロセッサと
を有するシステム。 - タッチスクリーンインタフェースを有する請求項１５に記載のシステム。
- 前記光学機械ディスクを光学機械的な力によって振動させるために、前記駆動レーザは、前記光学機械ディスクの機械共振周波数で光を変調する、請求項１５に記載のシステム。
- 前記光学機械的な力が放射圧を含む、請求項１７に記載のシステム。
- 前記光学機械的な力が光勾配力を含む、請求項１７に記載のシステム。
- 前記光学機械ディスクを光学機械的な力によって振動させるために、前記光学機械ディスクの機械共振周波数で前記光駆動信号を変調する変調器を有する、請求項１５に記載のシステム。
- 前記光学機械的な力が放射圧を含む、請求項２０に記載のシステム。
- 前記光学機械的な力が光勾配力を含む、請求項２０に記載のシステム。
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