(57)【要約】      （修正有）【課題】感度の高いジャイロスコープおよび回転検出方法を提供する。【解決手段】ジャイロスコープ１０は、駆動軸１０２の周りを動くよう駆動されるように構成された構造体１００を含む。構造体はさらに、駆動軸の周りを動きつつ、回転軸の周りの構造体の回転によって生じるコリオリの力に応じて検知軸１０４の周りを動くように構成される。ジャイロスコープはさらに、検知軸の周りの構造体の移動を光学的に測定するように構成された光センサシステムを含む。いくつかの実施例では、ジャイロスコープはＭＥＭＳ（microelectromechanical system）ジャイロスコープである。【選択図】図１ａ
2010286477.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジャイロスコープであって、
駆動軸の周りを動くよう駆動されるように構成された構造体を備え、前記構造体はさらに、前記駆動軸の周りを動きつつ、回転軸の周りの前記構造体の回転によって生じるコリオリの力に応じて検知軸の周りを動くように構成され、前記ジャイロスコープはさらに、
前記検知軸の周りの前記構造体の移動を光学的に測定するように構成された光センサシステムを備える、ジャイロスコープ。
【請求項２】
前記ジャイロスコープは、ＭＥＭＳ（microelectromechanical system）ジャイロスコープである、請求項１に記載のジャイロスコープ。
【請求項３】
前記構造体は、全体的に平面の部分と、前記駆動軸に全体的に沿って延在し、かつ前記全体的に平面の部分を支持構造体に操作可能に結合する少なくとも１つの第１の捩じりバネと、前記検知軸に全体的に沿って延在し、かつ前記全体的に平面の部分を前記支持構造体に操作可能に結合する少なくとも１つの第２の捩じりバネとを含む、請求項１に記載のジャイロスコープ。
【請求項４】
前記全体的に平面の部分は、前記検知軸に全体的に沿って互いに反対方向に延在する少なくとも２本の駆動アームを含み、少なくとも第２の駆動捩じりバネは、前記少なくとも２本の駆動アームを前記支持構造体に操作可能に結合する、請求項３に記載のジャイロスコープ。
【請求項５】
前記全体的に平面の部分は、前記駆動軸に全体に沿って互いに反対方向に延在する少なくとも２本の検知アームを含み、前記少なくとも１つの第１の捩じりバネは、前記少なくとも２本の検知アームを前記支持構造体に操作可能に結合する、請求項３に記載のジャイロスコープ。
【請求項６】
前記構造体は、前記全体的に平面の部分から離れるように全体的に垂直に延在する柱部を含む、請求項３に記載のジャイロスコープ。
【請求項７】
前記回転軸は、前記駆動軸および前記検知軸の少なくとも一方に対して実質的に垂直である、請求項１に記載のジャイロスコープ。
【請求項８】
前記光センサシステムは、前記構造体の少なくとも一部に電磁放射を照射し、かつ前記構造体の前記一部から反射された電磁放射を受けるように構成された１本以上の光ファイバを含む、請求項１に記載のジャイロスコープ。
【請求項９】
前記１本以上の光ファイバおよび前記構造体の前記一部は、自身同士の間に少なくとも１つのファブリーペロー共振器を形成する、請求項８に記載のジャイロスコープ。
【請求項１０】
前記光センサシステムはさらに、前記１本以上の光ファイバと光通信する１つ以上の光学検出器を含み、前記１つ以上の光学検出器は、前記構造体の前記一部から反射されて前記１本以上の光ファイバによって伝送される電磁放射を受け、かつ受けた前記電磁放射に応じて１つ以上の信号を生成するように構成される、請求項８に記載のジャイロスコープ。
【請求項１１】
前記構造体の前記一部は、１つ以上のフォトニック結晶構造体を含む、請求項８に記載のジャイロスコープ。
【請求項１２】
前記構造体が前記駆動軸の周りを揺れるよう前記構造体を駆動するように構成された駆動システムをさらに備える、請求項１に記載のジャイロスコープ。
【請求項１３】
前記駆動システムは、前記構造体の少なくとも一部に十分な放射圧を有する電磁放射を照射して、前記構造体が前記駆動軸の周りを揺れるよう前記構造体を駆動するように構成された、１本以上の光ファイバを含む、請求項１２に記載のジャイロスコープ。
【請求項１４】
前記１本以上の光ファイバおよび前記構造体の前記一部は、自身同士の間に少なくとも１つのファブリーペロー共振器を形成する、請求項１３に記載のジャイロスコープ。
【請求項１５】
前記駆動システムは、前記構造体の少なくとも一部に十分な静電力を印加して、前記構造体が前記駆動軸の周りを揺れるよう前記構造体を駆動するように構成された、１つ以上の電極を含む、請求項１２に記載のジャイロスコープ。
【請求項１６】
回転を検出する方法であって、
駆動軸の周りを動き、かつ前記駆動軸の周りを動きつつ、回転軸の周りの構造体の回転によって生じるコリオリの力に応じて検知軸の周りを動くよう駆動されるように構成された構造体を提供するステップと、
前記構造体が前記駆動軸の周りを動くように前記構造体を駆動するステップと、
前記構造体が前記駆動軸の周りを動く間、前記構造体を前記回転軸の周りを回転させるステップと、
前記検知軸の周りの前記構造体の移動を光学的に測定するステップとを備える、方法。
【請求項１７】
前記構造体は、全体的に平面の部分と、前記駆動軸に全体的に沿って延在し、かつ前記全体的に平面の部分を支持構造体に操作可能に結合する少なくとも１つの第１の捩じりバネと、前記検知軸に全体的に沿って延在し、かつ前記全体的に平面の部分を前記支持構造体に操作可能に結合する少なくとも１つの第２の捩じりバネとを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記全体的に平面の部分は、前記検知軸に全体的に沿って互いに反対方向に延在する少なくとも２本の駆動アームを含み、前記少なくとも１つの第２の捩じりバネは、前記少なくとも２本の駆動アームを前記支持構造体に操作可能に結合する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記全体的に平面の部分は、前記駆動軸に全体的に沿って互いに反対方向に延在する少なくとも２本の検知アームを含み、前記少なくとも１つの第１の捩じりバネは、前記少なくとも２本の検知アームを前記支持構造体に操作可能に結合する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記構造体は、前記全体的に平面の部分から離れるように全体的に垂直に延在する柱部を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記構造体は微細加工され、シリコン、ポリシリコン、シリカ、または石英を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
前記構造体を駆動する前記ステップは、前記構造体の少なくとも一部に十分な放射圧を有する電磁放射を照射して、前記構造体が前記駆動軸の周りを揺れるように前記構造体を駆動するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２３】
前記構造体を駆動する前記ステップは、前記構造体の少なくとも一部に十分な静電力を加えて、前記構造体が前記駆動軸の周りを揺れるように前記構造体を駆動するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２４】
前記構造体の移動を光学的に測定する前記ステップは、前記構造体の少なくとも一部に電磁放射を照射するステップと、前記構造体の前記一部から反射された電磁放射を受けるステップとを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２５】
前記構造体の移動を光学的に測定するステップはさらに、受けた反射電磁放射の少なくとも一部を検出するステップと、受けた反射電磁放射の検出された前記一部に応じて１つ以上の信号を生成するステップとを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記柱部を前記構造体の中心に配置するステップをさらに備える、請求項１６に記載の方法。
【請求項２７】
前記柱部を中心に配置する前記ステップは、
センサを前記検知軸上に配置するステップと、
検知モードの共振周波数で第１のピークを有する第１のノイズスペクトルを測定するステップと、
前記センサを前記駆動軸上に配置するステップと、
駆動モードの共振周波数で第２のピークを有する第２のノイズスペクトルを測定するステップと、
前記第１および第２のピークが減少する前記構造体上の前記柱部の位置を決定するステップとを備える、請求項２６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権主張
本願は、２００９年５月１日に出願された米国仮特許出願番号第６１／１７４，９６９号の利益を主張し、この米国仮特許出願番号第６１／１７４，９６９号は、全文が引用によって本明細書に援用される。
【０００２】
本願は概してジャイロスコープに関し、より特定的には、光センシングを利用したジャイロスコープに関する。
【背景技術】
【０００３】
公知の光ファイバジャイロスコープ（たとえばファイバ光学ジャイロスコープまたはファイバリングジャイロスコープ）は機械的部品を有しておらず、サニャック効果に基づいている。小型の機械ジャイロスコープが公知である（たとえばJ. J. Bernstein、米国特許第５，２０３，２０８号およびT. K. Tang et al.、米国特許第５，８９４，０９０号を参照）が、従来の小型の機械ジャイロスコープは一般にＭＥＭＳ（microelectromechanical system）技術に基づいており、ジャイロスコープに加えられる回転は、静電学または何らかの形態の磁気センシングを用いて検知される。従来のＭＥＭＳに基づくジャイロスコープの回転感度は限られており、サニャックに基づく光ジャイロスコープよりも数桁劣る。
【０００４】
たとえば、従来のＭＥＭＳに基づくジャイロスコープの性能は通常、かなり高い電子ノイズによって制限される。したがって、これら既存のジャイロスコープは、加えられる回転に起因する信号を強調するために、構造（たとえば２枚以上の振動板）の機械的共振周波数で動作しなければならない。そのような従来の装置の２枚の板が共振して動作するためには、それらは少なくとも１組の同一の共振周波数を示す必要がある。同一の共振周波数を達成するためには、製作時に構造パラメータの非常に正確な同調が必要となり、これはしばしば製作公差によって制限される。そのような構成で良好な感度を達成するためには、機械的線質係数が非常に大きく設計されるので、機械駆動と検知周波数が一致する構造を設計することが非常に困難となる。線質係数が高いと測定帯域幅、すなわちセンサのダイナミックレンジも減少する。なぜなら、帯域幅は線質係数の逆数に対応するからである。
【０００５】
これらの複雑さ、およびかなり高い電子ノイズのため、現在のＭＥＭＳジャイロスコープが示す感度は比較的低い。典型的な良好なＭＥＭＳジャイロスコープは通常、０．１から１deg/sの範囲で検出可能である。たとえば、C. Acar and A. Shkel, MEMS vibratory gyroscopes: structural approaches to improve robustness, Springer （2008）を参照。０．０５deg/sの最小検出可能回転速度も報告されている。H. Xie and G. K. Fedder,“Integrated microelectromechanical gyroscopes,”J. Aerospace Eng. Vol. 16, p. 65 （2003）を参照。これよりもはるかに良好な感度（〜１０deg/h）のＭＥＭＳジャイロスコープも２、３回報告されている（たとえばAcar and Shkelを参照）が、これらは真空中で動作し、非常に厳密に整合された駆動および検知モードを有する。たとえば、T. K. Tang, R. C. Gutierrez, J. Z. Wilcox, C. Stell, V. Vorperian, M. Dickerson, B. Goldstein, J. L. Savino, W. J. Li, R. J. Calvet, I. Charkaborty, R. K., Bartman, and W. J. Kaiser,“Silicon bulk micromachined vibratory gyroscope for microspacecraft,“Proc. SPIE Vol. 2810, p. 101 （1996）を参照。このような構成は大規模かつ低コストで複製するのが困難であり得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
いくつかの実施例では、ジャイロスコープが提供される。ジャイロスコープは、駆動軸の周りを動くよう駆動されるように構成された構造体を含む。構造体はさらに、駆動軸の周りを動きつつ、回転軸の周りの構造体の回転によって生じるコリオリの力に応じて検知軸の周りを動くように構成される。ジャイロスコープはさらに、検知軸の周りの構造体の移動を光学的に測定するように構成された光センサシステムを含む。いくつかの実施例では、ジャイロスコープは、ＭＥＭＳジャイロスコープである。
【０００７】
いくつかの実施例では、回転を検出する方法が提供される。この方法は、駆動軸の周りを動き、かつ駆動軸の周りを動きつつ、回転軸の周りの構造体の回転によって生じるコリオリの力に応じて検知軸の周りを動くよう駆動されるように構成された構造体を提供するステップを含む。この方法はさらに、構造体が駆動軸の周りを動くように構造体を駆動するステップを含む。この方法はさらに、構造体が駆動軸の周りを動く間、構造体を回転軸の周りを回転させるステップを含む。この方法はさらに、検知軸の周りの構造体の移動を光学的に測定するステップを含む。
【０００８】
いくつかの実施例では、構造体の移動を光学的に測定するステップは、構造体の少なくとも一部に電磁放射を照射するステップと、構造体の一部から反射された電磁放射を受けるステップとを含む。いくつかの実施例では、構造体の移動を光学的に測定するステップはさらに、受けた反射電磁放射の少なくとも一部を検出するステップと、受けた反射電磁放射の検出された一部に応じて１つ以上の信号を生成するステップとを含む。
【０００９】
いくつかの実施例では、この方法はさらに、柱部を構造体の中心に配置するステップを含む。いくつかのそのような実施例では、柱部を中心に配置するステップは、センサを検知軸上に配置するステップと、検知モードの共振周波数で第１のピークを有する第１のノイズスペクトルを測定するステップと、センサを駆動軸上に配置するステップと、駆動モードの共振周波数で第２のピークを有する第２のノイズスペクトルを測定するステップと、第１および第２のピークが減少する構造体上の柱部の位置を決定するステップとを含む。
【００１０】
ジャイロスコープおよび／または回転を検出する方法について、いくつかの実施例における構造体は、全体的に平面の部分と、駆動軸に全体的に沿って延在し、かつ全体的に平面の部分を支持構造体に操作可能に結合する少なくとも１つの第１の捩じりバネと、検知軸に全体的に沿って延在し、かつ全体的に平面の部分を支持構造体に操作可能に結合する少なくとも１つの第２の捩じりバネとを含む。いくつかの実施例における全体的に平面の部分は、検知軸に全体的に沿って互いに反対方向に延在する少なくとも２本の駆動アームを含み、少なくとも第２の駆動捩じりバネは、少なくとも２本の駆動アームを支持構造体に操作可能に結合する。いくつかの実施例における全体的に平面の部分は、駆動軸に全体に沿って互いに反対方向に延在する少なくとも２本の検知アームを含み、少なくとも１つの第１の捩じりバネは、少なくとも２本の検知アームを支持構造体に操作可能に結合する。
【００１１】
いくつかの実施例における構造体は、全体的に平面の部分から離れるように全体的に垂直に延在する柱部を含む。いくつかの実施例における回転軸は、駆動軸および検知軸の少なくとも一方に対して実質的に垂直である。
【００１２】
いくつかの実施例における光センサシステムは、構造体の少なくとも一部に電磁放射を照射し、かつ構造体の一部から反射された電磁放射を受けるように構成された１本以上の光ファイバを含む。いくつかの実施例では、１本以上の光ファイバおよび構造体の一部は、自身同士の間に少なくとも１つのファブリーペロー共振器を形成する。いくつかの実施例における光センサシステムはさらに、１本以上の光ファイバと光通信する１つ以上の光学検出器を含み、１つ以上の光学検出器は、構造体の一部から反射されて１本以上の光ファイバによって伝送される電磁放射を受け、かつ受けた電磁放射に応じて１つ以上の信号を生成するように構成される。いくつかの実施例における構造体の一部は、１つ以上のフォトニック結晶構造体を含む。
【００１３】
いくつかの実施例では、ジャイロスコープはさらに、構造体が駆動軸の周りを揺れるよう構造体を駆動するように構成された駆動システムを含む。いくつかの実施例における駆動システムは、構造体の少なくとも一部に十分な放射圧を有する電磁放射を照射して、構造体が駆動軸の周りを揺れるよう構造体を駆動するように構成された、１本以上の光ファイバを含む。いくつかの実施例では、１本以上の光ファイバおよび構造体の一部は、自身同士の間に少なくとも１つのファブリーペロー共振器を形成する。いくつかの実施例にでは、駆動システムは、構造体の少なくとも一部に十分な静電力を印加して、構造体が駆動軸の周りを揺れるよう構造体を駆動するように構成された、１つ以上の電極を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１ａ】本明細書中に説明されるいくつかの実施例に従った例示的なジャイロスコープを概略的に示す図である。
【図１ｂ】本明細書中に説明されるいくつかの実施例に従った例示的なジャイロスコープを概略的に示す図である。
【図２】本明細書中に説明されるいくつかの実施例に従った例示的なジャイロスコープの簡略図である。
【図３】本明細書中に説明されるいくつかの実施例に従った例示的なジャイロスコープを示す図である。
【図４】本明細書中に説明されるいくつかの実施例に従った例示的なジャイロスコープを示す図である。
【図５ａ】本明細書中に説明されるいくつかの実施例に従ったファイバファブリーペロー干渉計を用いた例示的な検知機構を概略的に示す図である。
【図５ｂ】本明細書中に説明されるいくつかの実施例に従った放射圧を用いた例示的な駆動機構を概略的に示す図である。
【図６】本明細書中に説明されるいくつかの実施例に従ったジャイロスコープの閉ループ動作を概略的に示す図である。
【図７】H. Ra, W. Piyawattanametha, Y. Taguchi, D. Lee, M. J. Mandella, and O. Solgaard,“Two-dimensional MEMS scanner for dual-axes confocal microscopy,”J. Microelectromech. Syst. 16, 969 （2007）のＭＥＭＳ構造体を示す図である。
【図８】本明細書中に説明されるいくつかの実施例に従った例示的な回転検出方法のフローチャート図である。
【図９】本明細書中に説明されるいくつかの実施例に従った例示的な回転検出方法のフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本明細書中に説明されるいくつかの実施例は機械的構造体を含み、コリオリ効果に基づいている。本明細書中に説明されるいくつかの実施例に従った装置は、小型のフーコー振子に基づいている。本明細書中に説明されるいくつかの実施例の機能に対する一連の制限事項は、サニャックに基づく光ジャイロスコープの制限事項とは異なる。したがって、本明細書中に説明されるいくつかの実施例に従ったジャイロスコープは、公知のサニャックに基づくファイバ光学ジャイロスコープを制限する問題によって制限されない。いくつかの実施例では、ジャイロスコープのサイズを非常に小さく（たとえばすべての寸法において数ミリメートル以内に）することができる。したがって、いくつかのそのような実施例では大幅な小型化が得られ、これはある一定の応用例では有利であり得る。また、本明細書中に説明されるいくつかの実施例では大量生産、したがって大幅なコスト削減の可能性が与えられる。
【００１６】
さらに、従来のＭＥＭＳに基づくジャイロスコープとは異なり、本明細書中に説明されるいくつかの実施例では回転が光学的に検知されるため、ジャイロスコープのノイズ特性における利点が与えられ、はるかに優れた回転感度につながる。本明細書中に説明されるいくつかの実施例では、ジャイロスコープも光学的に駆動されるため、ＭＥＭＳジャイロスコープで通常用いられる電気駆動による電磁妨害を減少することができる。
【００１７】
本明細書中に説明されるいくつかの実施例では、検知時に静電学または何らかの形態の磁気センシングの代わりに光学を用いることによって、構造体の機械的な熱ノイズに対する制限ノイズを有利に低減することができる。このノイズは、信号と同じ周波数依存性を有する。したがって、構造体の共振周波数ではノイズは信号のように高く、非共振周波数ではノイズは信号のように低い。したがって、光センシングについては、検知が機械的共振周波数（たとえば１００Ｈｚから１０ｋＨｚ、感度は典型的に周波数が低いほどＭＥＭＳジャイロスコープにおいて高くなる）で行なわれる場合には信号対ノイズ比（ＳＮＲ）が向上しない。逆に、光センシングについては、検知が機械的共振周波数から離れて行なわれる場合には信号対ノイズ比（ＳＮＲ）が劣化しない。いくつかの実施例では、検知を非共振周波数で行なうことによって、ＳＮＲを下げることなく帯域幅を大幅に向上させることができる。また、いくつかの実施例では、非共振周波数で動作させることによってジャイロスコープの整定時間を短縮することができるため、より速い回転検知が実行可能となる。以下に述べる例示的なジャイロスコープについて、本明細書中に説明されるいくつかの実施例では、約５deg/h（１Ｈｚ検出帯域幅で）の最小検出可能回転を達成することができる。これも以下に示唆される容易な改善によって、この数字はいくつかの実施例において改善され得る（たとえば、同じ１Ｈｚ帯域幅に対して１deg/h）。本明細書中に説明されるいくつかの実施例に従ったファイバ光学ジャイロスコープ（ＦＯＧ）は、地球の回転速度の１／１０００、または０．０１５deg/hを容易に検出可能であり、長期安定性要件が緩和されるとさらに向上する。
【００１８】
近年、ジンバル（gimbal）の、振幅の大きい二軸走査ＭＥＭＳミラーの商業的開発が高まっている。これらのミラーは、携帯電話などの携帯用装置のプロジェクタ（ピコプロジェクタと称される）での使用が意図される。Hiperscan GmbH、Microvision Inc.およびElectro-Optical Products Corp.などのいくつかの会社がこれらのミラーを生産している。これら市販の超小型ミラーを本明細書中に説明されるいくつかの実施例で修正することによって、オプトメカニカルファイバジャイロスコープをより安価に作ることができる。
【００１９】
図１ａは、本明細書中に説明されるいくつかの実施例に従った例示的なジャイロスコープ１０を概略的に示す。いくつかの実施例におけるジャイロスコープ１０は、第１の軸、たとえば駆動軸１０２の周りを動くよう駆動されるように構成された構造体１００を含む。構造体１００はさらに、駆動軸１０２の周りを動きつつ（たとえば振動しつつ）、回転軸ｚのまわりの構造体１００の回転によって生じるコリオリの力に応じて、第２の軸、たとえば検知軸１０４の周りを動くように構成される。いくつかの実施例におけるジャイロスコープ１０はさらに、検知軸１０４の周りの構造体１００の移動（たとえば振動）を光学的に測定するように構成された光センサシステム２００を含む。
【００２０】
いくつかの実施例では、ジャイロスコープ１０は、ＭＥＭＳジャイロスコープである。いくつかの実施例では、ジャイロスコープ１０は、（たとえば基板から）微細加工された１つ以上の部品を含む。ジャイロスコープ１０は、シリコン、ポリシリコン、シリカ、もしくは石英、またはそれらの組合せからなる１つ以上の部品を含み得る。いくつかの実施例は、応力補償のためのシリコン−窒化物層を含み得る。また、本明細書中に説明されるいくつかの実施例では、金属層（たとえば金、銀、アルミニウム、クロム、チタン、白金を含む研磨または堆積された面）、従来の多層誘電体コーティング、またはフォトニック結晶を用いて、以下にさらに十分に説明されるように、光センシング方法を用いる際に光の反射を高めることができる。
【００２１】
いくつかの実施例では、構造体１００は、全体的に平面の部分１０５を含む。たとえば、図２は、本明細書中に説明されるいくつかの実施例に従った例示的なジャイロスコープ１０の簡略図である。いくつかの実施例では、全体的に平面の部分１０５はベースプレート１０７を含む。いくつかの実施例におけるベースプレート１０７は、４本の全体的に垂直なアームを有する単一の全体的に平面の板を含むが、他の実施例では、ベースプレート１０７は、互いに機械的に結合された２枚以上の板を含む。さらに他のいくつかの実施例では、ベースプレート１０７は、アームを有する、または有しない別の形状（たとえば正方形、円形、多角形、不規則な形）を有する。
【００２２】
図２に示されるように、いくつかの実施例における構造体１００の全体的に平面の部分１０５は、検知軸１０４に全体的に沿って互いに反対方向に延在する少なくとも２本の駆動アーム１５０、１６０を含む。たとえば、駆動アーム１５０、１６０はシリコンを含み得、約５００ミクロンから２５００ミクロンの範囲、または約１０００ミクロンから約２０００ミクロンの範囲内で、約１４００ミクロンの長さを有し得る。
【００２３】
いくつかの実施例では、構造体１００の全体的に平面の部分１０５は、駆動軸１０２に全体的に沿って互いに反対方向に延在する少なくとも２本の検知アーム１８０、１９０を含む。たとえば、検知アーム１８０、１９０はシリコンを含み得、約５００ミクロンから２５００ミクロンの範囲、または約１０００ミクロンから約２０００ミクロンの範囲内で、約１４００ミクロンの長さを有し得る。
【００２４】
構造体１００はさらに、駆動軸１０２に全体的に沿って延在し、かつ全体的に平面の部分１０５を支持構造体３００に操作可能に結合する、図１ｂに概略的に示される少なくとも１つの第１の捩じりバネ１１０を含む。構造体１００はまた、検知軸１０４に全体的に沿って延在し、かつ全体的に平面の部分１０５を支持構造体３００に操作可能に結合する、少なくとも１つの第２の捩じりバネ１２０を含む。たとえば図２において、構造体１００は、２本の駆動アーム１５０、１６０および支持構造体３００（図示せず）に操作可能に結合された２つの第２の捩じりバネ１２０を含み、さらに、２本の検知アーム１８０、１９０および支持構造体３００（図示せず）に操作可能に結合された２つの第１の捩じりバネ１１０を含む。
【００２５】
いくつかの実施例では、捩じりバネ１１０、１２０は、当該技術において周知の様々な捩じりバネのうちの１つであってもよいが、当該技術において周知あるいは未開発の他の種類のバネを用いてもよい。いくつかの実施例では、捩じりバネは、構造体１００の全体的に平面の部分１０５と同じ材料を含む。たとえば、少なくとも１つの第１の捩じりバネ１１０は、シリコンを含み得、約１００ミクロンから約５００ミクロンの範囲（たとえば約３５０ミクロン）の長さ、２ミクロンから１５ミクロンの範囲（たとえば約８ミクロン）の幅、および１０ミクロンから５０ミクロンの範囲（たとえば約３０ミクロン）の厚みを有し得、少なくとも１つの第２の捩じりバネ１２０は、シリコンを含み得、約１００ミクロンから約５００ミクロンの範囲（たとえば約３５０ミクロン）の長さ、２ミクロンから１５ミクロンの範囲（たとえば約８ミクロン）の幅、および２０ミクロンから１００ミクロンの範囲（たとえば約６０ミクロン）の厚みを有し得る。いくつかの実施例では、バネは全体的に長方形状であるが、空間上の制約および剛性要件に依存して、他の形状（たとえば蛇行形状）も本明細書中に説明されるさまざまな実施例と適合する。
【００２６】
いくつかの実施例では、駆動軸１０２は、検知軸１０４と実質的に同じ平面上にあり、検知軸１０４に対して実質的に垂直である。駆動軸１０２と検知軸１０４との間に約９０°の角度を有すると有利であるが、いくつかの実施例では、駆動軸１０２と検知軸１０４は互いに実質的に同じ平面上にあるが駆動軸１０２と検知軸１０４との間の角度は９０°とは異なる。いくつかの実施例では、駆動軸１０２と検知軸１０４は互いに同一平面上にない。いくつかの実施例における構造体１００は、２本の軸１０２および１０４の各々の周囲を振動するか揺れることが可能である。
【００２７】
図１ｂに概略的に示されるように、いくつかの実施例はさらに、構造体１００が角偏向θを有して駆動軸１０２の周囲または周りを一定の周波数ωで振動するか揺れるよう構造体１００を駆動するように構成された駆動システム４００を含む。この運動は、光学的に（たとえば放射圧を用いて）、または静電的に（たとえばＭＥＭＳ電極を用いて）のいずれか一方で駆動され得る。
【００２８】
光学的に駆動されるいくつかの実施例では、駆動システム４００は、構造体１００の対応部分に光学的に結合される１本以上の光ファイバを含み得る。たとえば、図３は、構造体１００を光学的に駆動するように構成された駆動システム４００を含むいくつかの実施例の簡略図である。図３の駆動システム４００は１対の光ファイバ４１０、４２０（上下ハッチングの矢印で示される）を含み、これらの各々は、構造体１００の対応部分に光学的に結合されて、２つのファブリーペロー干渉計４４０、４５０を形成する。いくつかのそのような実施例では、少なくとも１つのファブリーペロー干渉計４４０、４５０が、構造体１００の部分４３０（たとえば駆動アーム１５０、１６０の対応部分）と１本以上の光ファイバ４１０、４２０との間に形成される。１本以上の光ファイバ４１０、４２０は、構造体１００の少なくとも部分４３０（たとえば駆動アーム１５０、１６０の先端に近い対応部分）に十分な放射圧を有する電磁放射を照射して、構造体１００が駆動軸１０２の周りを動く（たとえば揺れる）（たとえば、少なくとも０．００１５deg/h、または０．００１５deg/hから１５deg/hの範囲、または０．００１５deg/hから１．２９６´１０7deg/hの範囲の所望の感度レベルを達成するほど十分大きい振幅で）よう構造体１００を駆動するように構成される。これらの２つのファブリーペロー干渉計４４０、４５０の各々の内部の光子束によって生じる放射圧は、駆動軸１０２の周りの構造体１００の振動または揺れを駆動する。いくつかの実施例では、１本以上の光ファイバは構造体１００を有するファブリーペロー干渉計を形成しないが、駆動軸１０２の周りの構造体１００の移動をもたらすのに十分な放射圧を提供する。
【００２９】
構造体１００の対向アーム１５０、１６０上の１対の光ファイバ４１０、４２０を利用して駆動軸１０２の周りの振動または揺れを駆動するいくつかの実施例（たとえば図３）では、放射圧ファブリーペロー干渉計４４０、４５０を駆動するために用いられるレーザ光の波長は、ファイバファブリーペロー干渉計４４０、４５０の光共振周波数のうちの１つに設定される。いくつかのそのような実施例では、構造体１００を駆動するために２つのファブリーペロー干渉計４４０、４５０において用いられる光は、互いに逆位相で変調され得る。この構成によって駆動軸１０２の周りのトルクを増大することができるので、より大きな駆動振幅を生むことができる。
【００３０】
いくつかの実施例では、放射圧は、光束を大きくするためのファブリーペロー共振器を用いずに、駆動軸アームの先端の近くで直接的に十分な強度の光を光ファイバの中に発することによって生成される。この方法では典型的に、ファブリーペロー法よりも利用する電力が大きい。しかし、これはファブリーペロー共振器を使用しないため、装置の安定性が向上し、これは電力要件の増大よりも重要な利点であり得る。この２つの方法のうちのどちらを選択するかは、所要電力の増大（高コストにつながる恐れがある）と、安定性の向上（長期安定性は劣化する、および／または安定性を向上させるためにより複雑な技術が必要となる）とのトレードオフに大きく依存する。このトレードオフは、光学の基本概念を用いて容易に理論的に分析することができる。また、構造体１００の全体的に反対の区分（たとえば、構造体１００の全体的に反対の上面および下面、または構造体１００の重心もしくはピボット点に対して全体的に反対側に配置された部分のいずれか一方）上の構造体１００の複数の部分に、複数の光ファイバが発する光が照射されるいくつかの実施例では、構造体１００を駆動するために用いられるこれらの光ファイバが発する光も変調可能である（たとえば互いに逆位相で）ので、上記と同様の利点を得ることができる。
【００３１】
いくつかの実施例では、駆動システム４００は少なくとも１本の従来のファイバ（たとえばニューヨーク州コーニングのCorning, Inc.から入手可能なＳＭＦ−２８（登録商標）光ファイバなどの単一モードファイバ）を含む。いくつかの実施例では、駆動システム４００の１本以上のファイバは、単一モードファイバまたは多モードファイバ（たとえばニューヨーク州コーニングのCorning, Inc.から入手可能なInfiniCorファイバ）のいずれか一方であり得る。いくつかの実施例では、駆動システム４００の１本以上のファイバは有利に、動作時にファブリーペロー（ＦＰ）干渉計内の偏光の単一の安定した偏光状態を励起するための偏光保持ファイバ、または偏光ファイバであり得る。いくつかの実施例では、ＦＰ干渉計内の複屈折によって生じるＦＰセンサの反応の変動は、たとえば、反射率の偏光への依存（いくつかの実施例ではそのような依存は小さいが）によって有利に取除かれる。ファイバと板との間隔（またはＦＰ干渉計の共振器長と等しい）（たとえば約１０ミクロンから約１ミリメートルの範囲内）は、いくつかの実施例（たとえばＦＰ干渉計が照射のために用いられない）については重要ではない。いくつかの実施例では、照射される区域は、駆動アーム１５０、１６０の各ファイバ先端の下の構造体１００の部分または表面である。駆動アーム１５０、１６０の全体的に平坦な面に対して光が全体的に垂直に当たるいくつかのそのような実施例では、この放射によって生じる力は、駆動アーム１５０、１６０の表面に対して全体的に垂直である。
【００３２】
いくつかの実施例では、駆動システム４００は、上述のファイバファブリーペロー干渉計を利用せずに、ＭＥＭＳ電極を用いて構造体１００を静電的に駆動するように構成される。たとえば、図４に示されるように、駆動システム４００は、構造体１００の少なくとも部分４８０に十分な静電力を印加して、構造体１００が駆動軸１０２の周りを揺れる（たとえば、少なくとも０．００１５deg/h、または０．００１５deg/hから１５deg/hの範囲、または０．００１５deg/hから１．２９６´１０7deg/hの範囲の所望の感度レベルを達成するほど十分大きい振幅で）よう構造体１００を駆動するように構成された、１つ以上の電極４６０、４７０を含み得る。いくつかの実施例では、１つ以上の電極４６０、４７０は当該技術において周知のさまざまなＭＥＭＳ電極のうちの１つであってもよいが、当該技術において周知あるいは未開発の他の種類の電極を用いてもよい。たとえば、いくつかの実施例では、電極４６０、４７０は平行板電極または櫛型駆動電極を含み得る。電極４６０、４７０は、構造体１００の全体的に反対の上面および下面にあるか、または構造体１００の重心またはピボット点に対して全体的に反対側に配置された構造体１００の部分にあるかのいずれか一方であり得る。静電力は引力があるため、電圧が印加されると構造体１００は電極４６０、４７０に引寄せられる。ある他の実施例では、構造体１００に駆動力を与えるために１つ以上の電磁石が用いられ得る。たとえば、いくつかの実施例では、永久磁石と電磁石との組合せ、または２つの電磁石の組合せが用いられ得る。いくつかのそのような実施例では、電極構成と同様に、少なくとも１つの磁石が構造体１００上に位置決めされ、少なくとも１つの磁石が構造体１００から間隔をおいて配置されて、構造体１００を駆動するための磁力を生成する。駆動力を生成するための本明細書中に説明されるいくつかの実施例と適合する例示的な構成は、J. Korvink and O. Paul （eds.),“MEMS-A Practical Guide to Design, Analysis and Applications, ”William Andrew Publishing, Norwich, 2006, pp. 345-402、およびその中の引例に記載されている。
【００３３】
いくつかの実施例では、構造体１００は柱部３１０を含む。いくつかの実施例における柱部３１０は、構造体１００の全体的に平面の部分１０５に機械的に結合され、かつ部分１０５から離れるように全体的に垂直に延在する。たとえば、いくつかの実施例では、図２、図３および図４に概略的に示されるように、柱部３１０は、駆動軸１０２および検知軸１０４に対して実質的に垂直な回転軸ｚに全体的に沿って延在する。回転軸ｚと駆動軸１０２および検知軸１０４の一方または両方との間に約９０°の角度を有すると有利であるが、いくつかの他の実施例では、回転軸ｚは、自身と駆動軸１０２および検知軸１０４の一方または両方との間に９０°とは異なる角度を有する。いくつかのそのような実施例では、そのような傾斜角度によって、有利になり得ない揺れにおける非対称が誘起され得るか、またはこれも有利になり得ないぐらつきが誘起され得る。
【００３４】
いくつかの実施例では、柱部３１０は、全体的に平面の部分１０５の中心（たとえば質量の中心）に配置される。柱部３１０が複数の部分を含むいくつかの実施例では、これら複数の部分は、全体的に平面の部分１０５の中心から間隔をおいて配置され得るが、（たとえば、構造体１００のぐらつきが回避される、最小化される、もしくは減少するように、または感度が劣化しないように）中心の周りに全体的に対称的に位置決めされる。ジャイロスコープ１０がｚ軸（たとえば柱部３１０に沿った軸）の周りの回転を受けると、コリオリ効果によって、駆動軸１０２の周りの柱部の運動の方向（図２および図３において実線の矢先が２つの矢印で示される）に対して垂直な方向（図２および図３において点線の矢先が２つの矢印によって示される）に力１０００が誘起される。したがって、柱部３１０は、駆動周波数ωで角偏向φを有して、検知軸１０４の周りまたは周囲を振動するか揺れる。
【００３５】
いくつかの実施例では、柱部３１０は構造体１００と同じ材料からなり得る。たとえば、柱部３１０は、シリコン、ポリシリコン、シリカ、石英、鉄、真鍮、ガラス、硬質プラスチック、またはテフロン（登録商標）を含むがこれらに限定されない、全体的に剛性の材料からなり得る。たとえば、いくつかの実施例では、柱部３１０は、ケースが取外された従来の光ファイバの長さ（たとえば１０から２０ミリメートル）を有する。いくつかの実施例では、柱部３１０は、その質量が、構造体の板部分１１０に機械的に結合される柱部３１０の底部ではなく柱部３１０の上部に向かって集中するように成形される（たとえば棒付きキャンディー形状）。いくつかのそのような実施例によって、質量が均一に分布した柱部３１０よりもよりよい性能が与えられ得る。
【００３６】
いくつかの実施例では、検知軸１０４の周りの振動または揺れは、ｚ軸の周りのジャイロスコープ１０の回転速度についての情報を与えるように構成された光センサシステム２００を用いて、光学的に測定される。図３は、光学的に駆動されて光学的に測定される例示的なジャイロスコープ１０を示し、図４は、静電的に駆動されて光学的に測定される例示的なジャイロスコープ１０を示す。いくつかの実施例では、光センサシステム２００は１つ以上のファイバファブリーペロー干渉計を含む（各々の全文が引用によって本明細書に援用される、たとえば米国特許第７，５２６，１４８号、米国特許第７，６３０，５８９号、および米国特許出願公開番号２００８／００３４８６６Ａ１を参照）。
【００３７】
たとえば、いくつかの実施例では、光センサシステム２００は１本以上の光ファイバを含む。図３および図４の各々において、例示的なジャイロスコープ１０は１対の光ファイバ６１０、６２０（図３において斜線ハッチングの矢印によって示される）を含み、各光ファイバ６１０、６２０は、構造体１００の対応部分６３０（たとえば構造体１００の全体的に平面の部分１０５の２本の検知アーム１８０、１９０の部分）と共にファブリーペロー干渉計を形成して、本明細書中に説明されるいくつかの実施例に従って検知軸１０４の揺れを測定する。光ファイバ６１０、６２０の各々は、構造体１００の少なくとも部分６３０に電磁放射を照射し、かつ構造体１００の部分６３０から反射された電磁放射を受けるように構成される。いくつかのそのような実施例では、構造体１００の部分６３０と１本以上の光ファイバ６１０、６２０との間にファブリーペロー共振器が形成される。たとえば、共振器長は約１０ミクロンから約１ミリメートルの範囲内であり得る。
【００３８】
いくつかの実施例では、センサシステム２００は少なくとも１本の従来のファイバ（たとえばニューヨーク州コーニングのCorning, Inc.から入手可能なＳＭＦ−２８（登録商標）光ファイバなどの単一モードファイバ）を含む。いくつかの実施例では、センサシステム２００の１本以上のファイバは、単一モードファイバまたは多モードファイバ（たとえばニューヨーク州コーニングのCorning, Inc.から入手可能なInfiniCorファイバ）のいずれか一方であり得る。多モードファイバを用いると感度が低くなるが、組立の容易性およびあまり厳格でないファイバ間隔パラメータのために感度を犠牲にできるいくつかのそのような実施例では有用であり得る。いくつかの実施例では、センサシステム２００の１本以上のファイバは有利に、動作時にファブリーペロー干渉計内の偏光の単一の安定した偏光状態を励起するための偏光保持ファイバ、または偏光ファイバであり得る。いくつかの実施例では、ＦＰ干渉計内の複屈折によって生じるＦＰセンサの反応の変動は、たとえば、反射率の偏光への依存（いくつかの実施例ではそのような依存は小さいが）によって有利に取除かれる。ファイバと板との間隔は、ＦＰ干渉計が照射のために用いられないいくつかの実施例については重要ではない。いくつかの実施例では、照射される区域は、検知アーム１８０、１９０上の各ファイバ先端の下の構造体１００の部分または表面である。検知アーム１８０、１９０上のＦＰ干渉計についての間隔または共振器長は、駆動アーム１５０、１６０上のＦＰ干渉計についての間隔または共振器長よりも若干重要である。検知ＦＰ干渉計については、間隔が小さくなるにつれて、ＦＰ干渉計を伝播してファイバに反射される光は、ファイバ内に再結合されるまでの移動距離が短くなるので、光はそれほど回折しない。その結果、再結合損失が小さくなるため、ＦＰ干渉計についての高フィネス、したがってさらなる高感度につながる。もちろん、間隔が極端に小さくなると戻りが減少する。この戻りの減少が顕著になり始める間隔はＦＰ干渉計の損失に依存しており、損失が大きくなるほど、相対的に回折損失が重要ではなくなり、かつフィネスおよび感度を損なうことなく間隔を大きくすることができる。このトレードオフは、全文が引用によって本明細書中に援用される論文である、Onur Kilic, Michel J. F. Digonnet, Gordon S. Kino, and Olav Solgaard, “Asymmetrical spectral response in fiber Fabry-Perot interferometers,” IEEE J. Lightwave Technol. Vol. 27, No. 24, 5648-5656 （December 2009）に記載されている。
【００３９】
いくつかの実施例におけるセンサシステム２００は、シリコン、ポリシリコン、シリカ、または石英からなる１つ以上の部品を含み得、微細加工された部分を含み得る。いくつかの実施例では、センサシステム２００は、応力補償のためのシリコン−窒化物層を含み得る。また、センサシステム２００は、本明細書中に説明されるいくつかの実施例では、金属層（たとえば金、銀、アルミニウム、クロム、チタン、白金を含む研磨または堆積された表面）、従来の多層誘電体コーティング、またはフォトニック結晶を含み、光学的に監視される構造体１００の部分（たとえば１本以上の光ファイバに光学的に結合される部分６３０）の光反射率を高めることができる。
【００４０】
図５ａは、本明細書中に説明されるいくつかの実施例に従った、ファイバファブリーペロー干渉計を光センサとして用いる例示的な光センサシステム２００を概略的に示す。いくつかの実施例では、光センサシステム２００は、１本以上の光ファイバ６１０、６２０と光通信する１つ以上の光学検出器２５０、２６０を含み、光ファイバ６１０、６２０は、構造体１００の対応部分６３０と光通信する。いくつかの実施例では、１つ以上の光学検出器２５０、２６０は当該技術において周知のさまざまな光検出器のうちの１つであってもよいが、未開発の検出器を用いてもよい。たとえば、小領域インジウム−ガリウム−砒化物ＰＩＮフォトダイオードからなる検出器などの低ノイズ検出器を用いてもよい。実質的な理由から、自由空間検出器よりもファイバ結合検出器の方が好ましいが、両方とも本明細書中に説明されるいくつかの実施例と適合する。
【００４１】
１つ以上の光学検出器２５０、２６０は、構造体１００の部分６３０から反射された電磁放射を受けるように構成される。いくつかの実施例では、部分６３０に当たる電磁放射は１本以上の光ファイバ６１０、６２０によって伝送され、この電磁放射の反射部分の少なくともいくらかが１本以上の光ファイバ６１０、６２０によって受けられる。１つ以上の光学検出器２５０、２６０は、１本以上の光ファイバ６１０、６２０が受けた電磁放射の反射部分の少なくとも一部を受け、かつ、構造体１００の部分６３０からの受けた反射電磁放射に応じて１つ以上の信号を生成するように構成される。
【００４２】
図５ａにおいて、構造体１００の１本以上の光ファイバ６１０、６２０および対応部分６３０は２つのファイバファブリーペロー干渉計７１０、７２０を形成し、レーザ８００は、ファイバファブリーペロー干渉計７１０、７２０内に高変位感度を与える波長で、２つのファブリーペロー干渉計７１０、７２０に電磁放射を与える。具体的には、いくつかの実施例における光の波長は、最大感度のためにＦＰ干渉計の反射スペクトルの最大急勾配に位置するか非常に近いように選択される。いくつかの実施例では、レーザ８００は当該技術において周知のさまざまなレーザのうちの１つ（たとえば低ノイズレーザ源）であり得る。たとえば、いくつかの実施例では、レーザ８００は狭帯域レーザである。未開発のレーザを用いてもよい。実質的な理由から、自由空間レーザよりもファイバ結合レーザの方が好ましいが、両方とも本明細書中に説明されるいくつかの実施例と適合する。
【００４３】
いくつかの実施例では、光ファイバの損失がより少ない約１．５μｍの波長で動作すると有利であるが、他の波長も本明細書中に説明されるいくつかの実施例と適合する。いくつかの実施例では、より短い波長が有利に用いられて（たとえば約１．１μｍ未満）、より長い波長で用いられる検出器よりも典型的に低ノイズであるシリコン検出器の使用が可能となる。波長は、その両方の全文が引用によって本明細書中に援用される、O. Kilic, “Fiber based photonic-crystal acoustic sensor,” Ph.D. Thesis, Stanford University （2008）、およびO. Kilic, M. Digonnet, G. Kino, and O. Solgaard, “External fibre Fabry-Perot acoustic sensor based on a photonic-crystal mirror,” Meas. Sci. Technol. 18, 3049 （2007）の教示内容に従って選択され得る。
【００４４】
いくつかの実施例では、１つ以上のファイバファブリーペロー干渉計７１０、７２０の１つ以上のファブリーペロー共振器のレーザ波長およびサイズ（たとえば、構造体１００の１本以上の光ファイバ６１０、６２０の端と部分６３０との間隔）は、所望の熱安定性レベルを提供するように選択される。いくつかの実施例では、光センサシステム２００の物理的パラメータおよびその他は、その両方の全文が引用によって本明細書中に援用される、O. Kilic, “Fiber based photonic-crystal acoustic sensor,” Ph.D. Thesis, Stanford University （2008）、およびO. Kilic, M. Digonnet, G. Kino, and O. Solgaard, “External fibre Fabry-Perot acoustic sensor based on a photonic-crystal mirror,” Meas. Sci. Technol. 18, 3049 （2007）の教示内容に従って選択され得る。いくつかの実施例では、これら２つのファブリーペロー干渉計７１０、７２０を調べるために用いられる光の波長は、ファブリーペロー干渉計の感度を小さな変位に最大化するように、ファブリーペロー干渉計７１０、７２０の共振の最大急勾配の部分に位置するように選択される。たとえば、O. Kilic, “Fiber based photonic-crystal acoustic sensor,” Ph.D. Thesis, Stanford University （2008）を参照。たとえば、レーザは、１５５０ナノメートルの典型的な波長を有する電気通信型レーザであり得、ＦＰ干渉計の共振器間隔は約１０ミクロンから１５０ミクロンであり、変位感度は１Ｈｚ測定帯域幅において約１０-5ナノメートルである。
【００４５】
いくつかの実施例では、図５ａによって概略的に示されるように、レーザ８００からのレーザ光は、３ｄＢカプラ９００に光学的に結合されたファイバ６６０内に結合されるので、光の光パワーは２本のアーム９１０、９２０内に実質的に等しく分けられる。各アーム９１０、９２０において、光パワーは第２の３ｄＢカプラ９６０、９７０に伝送されて、対応するファイバファブリーペロー干渉計７１０、７２０に伝送される。いくつかの実施例における２つのファブリーペロー干渉計７１０、７２０は、検知軸１０４の互いに反対側にあり、互いに逆位相で揺れるか振動する（たとえば、一方の干渉計のファブリーペロー共振器間隔が大きくなると、他方の干渉計のファブリーペロー共振器間隔は小さくなる）。各ファブリーペロー干渉計から戻る信号は、対応する第２の３ｄＢカプラ９６０、９７０に伝送され、この信号の少なくとも一部が、対応する光学検出器２５０、２６０に送られる。いくつかの実施例では、２つの光学検出器２５０、２６０の信号同士の差に対応する差信号を用いて、検知軸１０４の周りの構造体１００の回転速度を得る。いくつかの実施例では、２つの光学検出器２５０、２６０からの信号も追加して合計信号を生成することができ、いくつかの実施例ではこれを用いて、ｚ軸に沿ったジャイロスコープ１０の加速度に関する情報が提供される。他の種類のカプラ９６０、９７０も本明細書中に説明されるいくつかの実施例と適合する（たとえば１０％から９０％カプラまたは光サーキュレータ）。
【００４６】
図５ｂは、本明細書中に説明されるいくつかの実施例に従った、放射圧を用いる例示的な駆動機構を示す。図５ｂは、レーザ８００を駆動軸１０２の基本捩じり共振周波数で変調することによって、構造体１００が駆動軸１０２の周りを揺れるか振動できることを示す。いくつかの実施例では、構造体１００を駆動するため、および構造体１００の運動を検知するための両方に同じレーザ８００用いるが、いくつかの他の実施例では、構造体１００を駆動するため、および構造体１００の運動を検知するために別個の光源が用いられる。たとえば、構造体１００を駆動するために用いられる光源は、構造体１００の運動を検知するために用いられる光源よりも高いパワー出力（たとえば約１ｍＷから１Ｗの範囲内）を有し得る。ＦＰ干渉計が駆動アーム１５０、１６０および検知アーム１８０、１９０上で用いられるいくつかの実施例では、狭帯域源（たとえばレーザ）を用いて、これらＦＰ干渉計の各々に光を与えることができる。ＦＰ干渉計が駆動アーム１５０、１６０上では用いられないが検知アーム１８０、１９０上で用いられる実施例でさえも、狭帯域源（たとえば検知に用いられるのと同じレーザ）を用いて構造体１００を駆動することができる。ＦＰ干渉計が駆動アーム１５０、１６０上で用いられないいくつかの他の実施例では、ジャイロスコープ１０は２つの光源、つまり構造体１００を駆動するための光源（たとえば狭い線幅を有するか有しない）と、構造体１００の運動を検知するための狭帯域源（たとえばレーザ）とを含み得る。狭い線幅を有しないそのような光源は、いくつかのそのような実施例では狭帯域源よりも有利に安価であり得る。そして、駆動アーム１５０、１６０は、この捩じり共振周波数で駆動軸１０２の周りを揺れる。捩じり共振周波数で駆動することによって、いくつかの実施例における構造体１００は、何らかの他の周波数の場合よりも大きい角度振幅の揺れで、所与の入力エネルギ（たとえば放射圧からの）に応答する。したがって、以下により詳細に説明されるようないくつかの実施例では、より良好な最小検出可能回転速度が有利に達成される。
【００４７】
本明細書中に説明されるいくつかの実施例の別の利点は、ジャイロスコープ１０が能動素子であることである。ジャイロスコープ１０から受ける信号強度は、回転信号によって受動的に決定されるだけでなく、ジャイロスコープ１０がオペレータによってどの程度強く駆動されているかによって能動的にも決定される。したがって、他の種類の受動センサ（たとえば、信号強度が音響信号によってのみ受動的に決定される光ファイバハイドロフォン）とは異なり、能動素子においては、（たとえば、ジャイロスコープを、信号は強力だが大きく歪んでいない信号範囲内で動作するように十分大きな振幅で駆動することによって）信号が装置の感度範囲に入るように感度を選択することができる。これによっていくつかの実施例では、非常に小さい信号および非常に大きい信号の両方の検出と、能動素子のダイナミックレンジの大幅な増大が可能となる。初期信号に関して感度を選択することによる能動素子の動作は、図６に概略的に示されるように、閉ループ動作と称される。ジャイロスコープ１０をこの態様で動作させるために、光センサシステム２００からの回転信号はフィードバック回路（負のフィードバック）に伝送されて、駆動システム４００を（静電気的に、または光学的に駆動して）制御する。この負のフィードバックを用いて、いくつかの実施例では、大きな回転信号が存在するときに駆動振幅を減少させ、同様に小さい回転信号が存在するときに駆動振幅を増大することができる。いくつかの実施例におけるこのような閉ループ動作の利点は、ダイナミックレンジおよびセンサ応答の応答の線形性を増大させることである。
【００４８】
以下の説明では、本明細書中に説明されるいくつかの実施例に従った、例示的なジャイロスコープ１０の属性のいくつかの例示的な分析が与えられる。これは、本明細書中に説明されるいくつかの実施例に従った柱３１０（図７には図示せず）を含むように修正された、図７に示されるようなＭＥＭＳ構造体についての最小検出可能回転速度の計算である（H. Ra, W. Piyawattanametha, Y. Taguchi, D. Lee, M. J. Mandella, and O. Solgaard,“Two-dimensional MEMS scanner for dual-axes confocal microscopy,”J. Microelectromech. Syst. 16, 969 （2007）を参照）。
【００４９】
上記構造体のアーム長は１４００μｍ（全水平長２８００μｍ）である。内側バネは長さ３５０μｍ、幅８μｍ、厚み３０μｍである。外側バネは長さ３５０μｍ、幅８μｍ、厚みは内側梁の厚みの２倍６０μｍである。
【００５０】
構造体１００は、内側軸（図７の水平方向）、および外側軸（図７の垂直方向）を有する。Ra et al.の静電測定によると、ミラーは、内側軸に対して共振して（２．９ｋＨｚ）３．６°だけ、外側軸に対して共振して（５００Ｈｚ）６．２°だけ偏向し得る。Ra et al.に挙げられている偏向数は、入射光ビームの偏向角度に対応するため、これらの数の４倍（２４．８°および１４．４°）である。
【００５１】
ミラーの中心に柱が取付けられたこの構造体についての最小検出可能回転（ＭＤＲ）が検出可能であるため、コリオリの力によって、２つの運動モード（たとえば内側軸および外側軸の各々の周りの）を結合することができる。以下に説明する計算では、内側軸が駆動され、外側軸の揺れが検知されると仮定される。
【００５２】
フーコー振子構造体についての運動の方程式は、他の引例でも分析されている（たとえば、R. T. M'Closkey, S. Gibson, and J. Hui,“System identification of a MEMS gyroscope,” J. Dynamic Syst. Meas. Contr. 123, 201-210 （2001）を参照）。これは、慣性項、減衰項、バネ項、および力項を含む、基本的な減衰バネ質量力学モデルである。
【００５３】
【数１】
2010286477.tif 000003
【００５４】
【数２】
2010286477.tif 000004
【００５５】
【数３】
2010286477.tif 000005
【００５６】
【数４】
2010286477.tif 000006
【００５７】
【数５】
2010286477.tif 000007
【００５８】
Ａ．熱−機械ノイズ
【００５９】
【数６】
2010286477.tif 000008
【００６０】
【数７】
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【００６１】
【数８】
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【００６２】
検知軸測定は、式（１１）中のこの熱−ノイズレベルによって制限されると仮定することができる。
【００６３】
【数９】
2010286477.tif 000011
【００６４】
【数１０】
2010286477.tif 000012
【００６５】
そして、アームの端における垂直方向の偏向（ファイバファブリーペローが直面する変位ノイズ）は、
Ｌ′N＝Ｌarmφ′N＝１．２７×１０-13ｍ＝１．２７×１０-4ｎｍ
であり、式中、Ｌarm＝１４００μｍが用いられた。この結果は、我々の以前の音響センサ作業において以前に検出されたものよりも１桁大きい（O. Kilic, M. Digonnet, G. Kino, and O. Solgaard,“External fibre Fabry-Perot acoustic sensor based on a photonic-crystal mirror,” Meas. Sci. Technol. 18, 3049 （2007）を参照）。これに対して、O. Kilic,“Fiber based photonic-crystal acoustic sensor,” Ph.D. Thesis, Stanford University （2008）によると、光電ノイズは１Ｈｚ帯域幅にあり、
Ｌ′N＝２．２５×１０-8ｎｍ（ショットノイズ制限検出、ミラーＲ＝０．９９）
Ｌ′N＝２．０７×１０-7ｎｍ（相対強度ノイズまたはＲＩＮ制限検出、ミラーＲ＝０．９９）
Ｌ′N＝２．３６×１０-7ｎｍ（ショットノイズ制限検出、ミラーＲ＝０．９０）
Ｌ′N＝２．１７×１０-6ｎｍ（ＲＩＮ制限検出、ミラーＲ＝０．９０）
である。
【００６６】
【数１１】
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【００６７】
【数１２】
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【００６８】
【数１３】
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【００６９】
１Ｈｚ帯域幅のＭＤＲを計算するために、柱３１０がＭＥＭＳ構造体１００の中心に取付けられ、かつ、ＭＥＭＳ寸法と適合して実際的に処理しやすいＳＭＦ−２８ファイバ（直径１２５μｍ、溶融石英材料）の長さ２．５ｍｍの一片を含む例示的な構成が考えられる。
【００７０】
【数１４】
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【００７１】
【数１５】
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【００７２】
【数１６】
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【００７３】
【数１７】
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【００７４】
この式は小さな変位についてのみ有効であるため、共振器の共振波長はその線幅と比較してあまり変わらない。したがって、いくつかの実施例では、高フィネス共振器についてのダイナミックレンジが制限される。
【００７５】
【数１８】
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【００７６】
したがって、最小検出可能回転が小さくなるにつれて、いくつかの実施例におけるＦＰinＬarmＩpは増加し、減衰γは減少する。
【００７７】
ミラーの中心を正確に発見するための例示的な方法
いくつかの実施例では、柱構造体３１０がベースプレート１０５の中心にうまく配置されていない場合、駆動揺れは純粋に捩じりモードではなく、構造体１００を上下に動かす成分も有する。この運動は通常ロッキングモードと称される。構造体１００のこのロッキングモードは本明細書中に説明される差動検知によってフィルタにかけられて除去することができるが、これによって回転信号内に歪みが生じてダイナミックレンジが減少してしまう。いくつかの実施例ではロッキングモードを減少または除去するため、柱構造体３１０はより正確にベースプレート１０５の中心に配置され得る。以下に、本明細書中に説明されるいくつかの実施例に従った、ミラーの中心を見つける例示的な方法を説明する。
【００７８】
ジャイロスコープのいくつかの実施例において揺れを検知するために用いられるファイバファブリーペロー変位センサは、非常に高感度である。いくつかの実施例では、そのようなセンサによって、熱−機械ノイズと称されるミラーのブラウン運動を検出することができる。ファイバセンサが検知軸の一部と光通信するように配置されると、ファイバセンサによって検出されるノイズスペクトルは、検知モードの共振周波数でピークを有する。同様に、ファイバセンサが駆動軸の一部と光通信するように配置されると、ファイバセンサによって検出されるノイズスペクトルは、駆動モードの共振周波数でピークを有する。いくつかの実施例では、配置されるファイバセンサが構造体１００の中心に近づくにつれて、検出されるノイズスペクトルにおけるこれらのピークは小さくなる。これらのピークが最小値にまで小さくなる位置にファイバセンサを近づけることによって、いくつかの実施例について構造体１００の中心を可能な限り正確に見つけることが可能である。この中心位置が決まると、これはマーク付けされ得る（たとえばファイバセンサの先端の非常に少量の塗料を用いて）か、またはファイバセンサ自身がその位置に固定され得（たとえば少量のエポキシによって）、その後、柱構造体３１０として作用可能なように切断または他の方法でサイズ決めされ得るかのいずれか一方である。
【００７９】
例示的な回転検出方法
図８は、本明細書中に説明されるいくつかの実施例に従った例示的な回転検出方法２０００のフローチャートである。方法２０００は、図８の動作ブロック２０１０に示されるように、駆動軸１０２の周りを動き、かつ駆動軸１０２の周りを動きつつ、回転軸ｚの周りの構造体１００の回転によって生じるコリオリの力１０００に応じて検知軸１０４の周りを動くよう駆動されるように構成された構造体１００を提供するステップを含む。方法２０００はまた、動作ブロック２０２０に示されるように、構造体１００が駆動軸１０２の周りを動くように構造体１００を駆動するステップと、動作ブロック２０３０に示されるように、構造体１００が駆動軸１０２の周りを動く間に構造体１００を回転軸ｚの周りを回転させるステップとを含む。方法２０００はさらに、図８の動作ブロック２０４０に示されるように、検知軸１０４の周りの構造体１００の移動を光学的に測定するステップを含む。
【００８０】
いくつかの実施例では、方法２０００は、本明細書中に説明されるジャイロスコープ１０のさまざまな構成と適合する。たとえば、方法２０００は、全体的に平面の部分１０５と、駆動軸１０２に全体的に沿って延在し、かつ全体的に平面の部分１０５を支持構造体３００に操作可能に結合する少なくとも１つの第１の捩じりバネ１１０と、検知軸１０４に全体的に沿って延在し、かつ全体的に平面の部分１０５を支持構造体３００に操作可能に結合する少なくとも１つの第２の捩じりバネ１２０とを含む構造体１００を含むジャイロスコープ１０と適合する。
【００８１】
いくつかの実施例では、全体的に平面の部分１０５は、検知軸１０４に全体的に沿って互いに反対方向に延在する少なくとも２本の駆動アーム１５０、１６０を含む。第２の捩じりバネ１２０は、２本の駆動アーム１５０、１６０を支持構造体３００に操作可能に結合する。
【００８２】
いくつかの実施例では、全体的に平面の部分１０５は、駆動軸１０２に全体的に沿って互いに反対方向に延在する少なくとも２本の検知アーム１８０、１９０を含む。第１の捩じりバネ１１０は、２本の検知アーム１８０、１９０を支持構造体３００に操作可能に結合する。
【００８３】
いくつかの実施例では、構造体１００は、全体的に平面の部分１０５から離れるように全体的に垂直に延在する柱部３１０を含む。いくつかの実施例では、構造体１００（１つ以上の全体的に平面の部分１０５および柱部３１０を含む）は微細加工され、シリコン、ポリシリコン、シリカ、または石英を含む。いくつかの実施例では、柱部３１０は、従来の光ファイバ（たとえばそのケースが取外された状態の）の短い長さ（たとえば１０から２０ミリメートル）を有する。
【００８４】
いくつかの実施例では、動作ブロック２０２０における構造体１００を駆動するステップは、構造体１００の少なくとも部分４３０に十分な放射圧を有する電磁放射を照射して、構造体１００が駆動軸１０２の周りを揺れる（たとえば、少なくとも０．００１５時／度、または０．００１５deg/hから１５deg/hの範囲、または０．００１５deg/hから１．２９６´１０7deg/hの範囲の所望の感度レベルを達成するほど十分大きな振幅で）ように構造体１００を駆動するステップを含む。いくつかの実施例では、動作ブロック２０２０における構造体１００を駆動するステップは、構造体の少なくとも部分４８０に十分な静電力を印加して、構造体１００が駆動軸１０２の周りを揺れる（たとえば所望の感度レベルを達成するほど十分大きな振幅で）ように構造体１００を駆動するステップを含む。
【００８５】
いくつかの実施例では、駆動軸１０２は、検知軸１０４と実質的に同じ平面上にあり、
検知軸１０４に対して実質的に垂直である。また、いくつかの実施例では、回転軸ｚは、駆動軸１０２および検知軸１０４の少なくとも一方に対して実質的に垂直である。いくつかの実施例では、動作ブロック２０４０において移動を光学的に測定するステップは、図９の動作ブロック２０４１に示されるように、構造体１００の少なくとも部分６３０に電磁放射を照射するステップと、図９の動作ブロック２０４２に示されるように、構造体１００の部分６３０から反射された電磁放射を受けるステップとを含む。いくつかの実施例では、動作ブロック２０４０において移動を光学的に測定するステップはさらに、図９の動作ブロック２０４３に示されるように、受けた反射電磁放射の少なくとも一部を検出するステップと、図９の動作ブロック２０４４に示されるように、受けた反射電磁放射の検出された部分に応じて１つ以上の信号を生成するステップとを含む。
【００８６】
上記ではさまざまな実施例が説明された。本発明はこれらの特定的な実施例を参照して説明されたが、上記説明は本発明の例示を意図しており、限定を意図していない。添付の請求項において定義されるような本発明の真の思想および範囲から逸脱することなく、さまざまな修正および応用が当業者に想到され得るであろう。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図５ａ】
2010286477.tif 000023
【図５ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【外国語明細書】
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