(57)【要約】【課題】原理的に小型化が可能な新規なジャイロを提供する。【解決手段】導電性を有し電子波が伝播可能な円環状経路１１と、円環状経路１１を第１の方向に伝搬する第１の電子波と、円環状経路１１を第１の方向とは逆の第２の方向に伝播する第２の電子波とを円環状経路１１に生じさせる電源１２（電子波発生手段）と、第１の電子波と第２の電子波との位相差を検出する検出装置１４（位相差検出手段）とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性を有し電子波が伝播可能な円環状の経路と、
前記経路を第１の方向に伝搬する第１の電子波と、前記経路を前記第１の方向とは逆の第２の方向に伝播する第２の電子波とを前記経路に生じさせる電子波発生手段と、
前記第１の電子波と前記第２の電子波との位相差を検出する位相差検出手段とを備える電子波ジャイロ。
【請求項２】
前記円環状の経路が複数の箇所で内接する第２の円環状の経路をさらに備え、
前記第２の円環状の経路に内接する前記円環状の経路において、前記第１および第２の電子波がそれぞれ共鳴する請求項１に記載の電子波ジャイロ。
【請求項３】
前記経路が半導体によって形成されている請求項１または２に記載の電子波ジャイロ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子波を用いたジャイロに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、環状の光路を互いに反対方向に周回する２つのレーザ光の干渉を用いたジャイロが知られている。このような光ジャイロとして、希ガスレーザを用いた光ジャイロが提案されている（たとえば特許文献１参照）。しかし、希ガスレーザを用いた光ジャイロは、駆動に高電圧が必要で消費電力が大きいという課題、および、装置が大きく熱に弱いという課題を有していた。このような課題を解決するジャイロとして、環状（たとえば四角環状）の導波路を備える半導体リングレーザを用いたジャイロが提案されている（たとえば特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平１１−３５１８８１号公報
【特許文献２】特開２０００−２３０８３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
現在、ジャイロの小型化が求められているが、レーザ光の干渉を用いた従来のジャイロでは、充分な小型化が難しいという問題があった。
【０００４】
このような状況において、本発明の目的の１つは、原理的に小型化が可能な新規なジャイロを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明の電子波ジャイロは、導電性を有し電子波が伝播可能な円環状の経路と、前記経路を第１の方向に伝搬する第１の電子波と、前記経路を前記第１の方向とは逆の第２の方向に伝播する第２の電子波とを前記経路に生じさせる電子波発生手段と、前記第１の電子波と前記第２の電子波との位相差を検出する位相差検出手段とを備える。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、電子波を用いた本発明のジャイロについて説明する。
【０００７】
本発明のジャイロは、導電性を有し電子波が伝播可能な円環状の経路（以下、「円環状経路」という場合がある）と、円環状経路を第１の方向に伝搬する第１の電子波と、円環状経路を第１の方向とは逆の第２の方向に伝播する第２の電子波とを円環状経路に生じさせる電子波発生手段と、第１の電子波と第２の電子波との位相差を検出する位相差検出手段とを備える。円環状経路は、真円状であってもよいし、真円以外の形状（たとえば楕円状や略真円状など）であってもよい。
【０００８】
このようなジャイロは、固体の導電性環状体における電子の弾道輸送（バリスティック（Ｂａｌｌｉｓｔｉｃ  Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ）を利用することによって実現できる。そのような導電性環状体における電子の移動は、たとえば、フィジカＥ（ＰＨＹＳＩＣＡ  Ｅ、２、ｐ．５１９−５２２、１９９８年）に記載されている。また、真空中の菱形の閉経路を互いに逆方向に進行する２つの電子波がサニャック効果（Ｓａｇｎａｃ効果）を示すことは、たとえば、フィジカル・レビューＡ（ＰＨＹＳＡＣＡＬ  ＲＥＶＩＥＷ  Ａ、Ｖｏｌ．４８、Ｎｏ．１、ｐ１４３−１５１、１９９３年）に記載されている。本発明の電子波ジャイロも、サニャック効果を用いて角速度を検出する。
【０００９】
本発明の電子波ジャイロは、上記円環状の経路が複数の箇所（たとえば２箇所）で内接する第２の円環状の経路をさらに備えてもよい。この場合、第２の円環状の経路に内接する上記円環状の経路において、第１および第２の電子波がそれぞれ共鳴してもよい。
【００１０】
本発明の電子波ジャイロでは、上記経路（円環状の経路および第２の円環状の経路）が半導体によって形成されていてもよい。
【００１１】
本発明のジャイロの構成の一例を図１に模式的に示す。図１のジャイロ１０は、導電体で形成された円環状経路１１と、円環状経路１１に電流を流すための電源１２と、抵抗１３と、電子波の干渉を検出するための検出装置１４とを含む。
【００１２】
円環状経路１１は半導体（ドーピングされた半導体であってもよい）によって形成されてもよい。また、円環状経路１１は、他の導電体で形成されてもよい。円環状経路１１の幅（図５（ｅ）のＷ１参照）は、たとえば、１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲としてもよい。また、円環状経路１１の内径（図５（ｅ）のＷ２参照）は、たとえば、０．１μｍ〜１０μｍの範囲としてもよい。また、円環状経路は、複数の円環状の経路を含むものであってもよい。
【００１３】
電源１２は、円環状経路１１を時計回りの方向に伝搬する第１の電子波と、円環状経路１２を反時計回りの方向に伝搬する第２の電子波とを、円環状経路１１に生じさせるための電子波発生手段である。具体的には、電源１２は、円環状経路１１に、直流でたとえば１μＡ程度の電流を流すための電源である。そのような電源としては、一般に使用されている高精度な直流電源を利用できる。抵抗１３には、たとえば１０ｋΩの抵抗を用いることができる。
【００１４】
検出装置１４は、第１の電子波と第２の電子波との位相差を検出する手段である。第１の電子波の位相と第２の電子波の位相との差が変化すると、後述するように、所定の位置の電圧が変化する。この電圧の変化を検出することによって、第１の電子波と第２の電子波との位相差を検出できる。したがって、検出装置１４には、電圧計などを用いることができる。
【００１５】
点Ａを電源１２のマイナス側に接続し点Ｂを電源１２のプラス側に接続すると、円環状経路１１の点Ａから点Ｂに向かって、電子波は、時計回りおよび反時計回りに進行する。これらの電子波は、それぞれ、円環状経路１１の経路長に従って共鳴する。これら２つの電子波は、点Ｂにおいて干渉する。円環状経路１１が角速度Ωで回転している場合、２つの電子波の位相差Δφは、Δφ＝８π2Ｒ2Ω／（λｖ）の式で表される。ここで、Ｒは、円環状経路１１の半径であり、ｖは円環状経路１１における電子の速度であり、λは電子波の波長である。位相差Δφは点Ｂにおける干渉をもたらし、その干渉は、出力の振動（導電率の振動または電圧の振動）として観測される。
【００１６】
円環状経路１１の導電率は円環状経路１１の角速度に依存するため、角速度は、導電率を測定することによって算出できる。
【００１７】
電子波ジャイロは、その感度を［ω／Ｒ］倍することが可能である（ωは電子波の周波数である）。電子波ジャイロを実現するためには、ジャイロが、その内部に共振器を有することが必要である。ジャイロが回転すると、共振器を互いに逆方向に進行する２つの電子波の間で、共振器の実効的な長さが異なるため、その実効的な長さは角速度Ωに依存する。その結果、互いに逆方向に進行する２つの電子波の間で、位相差Δφが生じる。それらの波の干渉は、周波数がΔωである導電率の振動（または電圧の振動）をもたらす。そのため、導電率の振動（または電圧の振動）の周波数から、角速度Ωを求めることが可能である。
【００１８】
ジャイロ１０の回転の角速度Ωと、検出装置１４で検出される電圧（Ｕｏｕｔ）との関係を図２に示す。図２に示すように、角速度Ωの変化によって電圧が周期的に変化する。
【００１９】
本発明の電子波ジャイロの構成の他の一例を、図３に模式的に示す。図３のジャイロ３０も、２つの電子波の位相差を検出する。図３のジャイロ３０は円環状経路３１を含む。円環状経路３１は、線Ａ−Ｂを長軸とし線Ｃ−Ｄを短軸とする楕円経路（第２の円環状経路）３１ａと、楕円経路３１ａと点Ｃおよび点Ｄで接続された円環状経路３１ｂとを含む構造を有する。すなわち、円環状経路３１ｂは、点Ｃおよび点Ｄにおいて、楕円経路３１ａに内接する。ジャイロ３０は、また、円環状経路３１に電流を流すための電源３２と、抵抗３３と、電子波の干渉を検出するための検出装置３４とを含む。
【００２０】
電源３２は、円環状経路３１を時計回りの方向に伝搬する第１の電子波と、円環状経路３１を反時計回りの方向に伝搬する第２の電子波とを、円環状経路３１に生じさせるための電子波発生手段である。電源３２は、電源１２と同様に、円環状経路３１に、直流でたとえば１μＡ程度の電流を流すための電源である。そのような電源としては、一般に使用されている高精度な直流電源を利用できる。抵抗３３には、たとえば１０ｋΩの抵抗を用いることができる。
【００２１】
検出装置３４は、第１の電子波と第２の電子波との位相差を検出する手段である。検出装置３４には、電圧計などを用いることができる。
【００２２】
電源３２によって図３の点Ａ−Ｂ間に電圧が印加されると、点Ａ−Ｂ間に電流が流れ、円環状経路３１ｂを時計回りの方向に伝搬する第１の電子波と、円環状経路３１ｂを反時計回りの方向に伝搬する第２の電子波とが発生する。図３の構成では、第１および第２の電子波が点ＡおよびＢにおける電気的接続の影響を受けることを、低減することが可能である。
【００２３】
円環状経路３１ｂでは、第１の電子波が、円環状経路３１ｂの経路長に従って共鳴する。同様に、円環状経路３１ｂでは、第２の電子波が、円環状経路３１ｂの経路長に従って共鳴する。これらの２つの電子波は、ジャイロ本体の回転によってサニャック効果を生じる。そのため、ジャイロ本体の回転に応じて、２つの電子波の位相差が変化する。この位相差の変化は、点Ｂにおいて電圧の変化として検出される。そのため、点Ｂにおける電圧を測定することによって、ジャイロ本体の回転の角速度を算出することが可能である。
【００２４】
ジャイロ３０の回転の角速度Ωと、検出装置３４で検出される電圧（Ｕｏｕｔ）との関係を図４に示す。図４には、角速度がΩ1である場合の電圧の変化と、角速度がΩ2である場合の電圧の変化とを示している。角速度によって、電圧変化の振動数が変化する。このため、電圧変化の振動数を測定することによって、角速度を算出できる。
【００２５】
ジャイロ１０の製造方法の一例を図５に示す。図５（ａ）、（ｃ）および（ｅ）は上面図であり、図５（ｂ）、（ｄ）および（ｆ）はそれらの断面図である。
【００２６】
まず、基板５１上に、半導体層の積層膜６０と、レジスト膜６１とを形成する。基板５１は、ＧａＡｓ（００１）基板である。レジスト膜６１は、電子線リソグラフィー用のレジスト膜である。積層膜６０の構造を表１に示す。なお、基板に隣接するＡｌＳｂ層（厚さ１μｍ）からＩｎＳｂ層（厚さ１５０オングストローム）までは、表１に示す順序で積層されている。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
Ｓｉのδドープは、２つの層の界面で行われる。積層膜６０は、一般的な方法で形成でき、たとえば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）などの方法で形成できる。
【００２９】
表１に示す積層膜６０では、量子井戸層であるＩｎＳｂ層（厚さ２５０オングストローム）に、２次元の電子ガスが生じる。ＩｎＳｂ量子井戸では、電子の弾道輸送が比較的高い温度で起こる。そのため、表１および図５に示す構造の電子波ジャイロは、１Ｋ程度の温度で動作させることが可能である。
【００３０】
積層膜６０およびレジスト膜６１を形成したのち、図５（ａ）および（ｂ）に示すように、レジスト膜６１を電子線リソグラフィーでパターニングし、積層膜６０をエッチングする。積層膜６０の一部が円環状経路１１を構成する。レジスト膜６１のパターニングおよび積層膜６０のエッチングは、円環状経路１１および円環状経路１１への配線となる部分が残存するように行われる。円環状経路１１となる部分の幅Ｗ１（図５（ｅ）参照）は、たとえば０．０５μｍであり、円環状経路１１となる部分の内径Ｗ２（図５（ｅ）参照）はたとえば０．５μｍである。
【００３１】
次に、図５（ｃ）および（ｄ）に示すように、リフトオフ工程のためのレジスト膜６２を形成する。
【００３２】
次に、図５（ｅ）および（ｆ）に示すように、金属膜を形成したのちレジスト膜６２を除去することによって、２つの電極端子６３を形成する。２つの電極端子６３は、入力および出力の端子として機能する。このようにして、ジャイロ１０が製造される。なお、ジャイロ３０も同様の方法で形成できる。
【００３３】
本発明のジャイロの他の一例を図６（ａ）〜（ｄ）に示す。これらは、図２および図３のジャイロと比較して円環状経路が異なる。図６（ａ）の円環状経路７１は、表１に示すような半導体ヘテロ構造によって形成できる。
【００３４】
図６（ｂ）の円環状経路７２は、２点で交差・接触する２つのカーボンナノチューブリングで形成できる。図６（ｃ）の円環状経路７３は、円環状に曲げられて交差・接触している１本のカーボンナノチューブで形成できる。これらのカーボンナノチューブリングは、たとえば、後述するザ・ジャーナル・オブ・フィジカル・ケミストリーＢに記載の方法で形成できる。
【００３５】
図６（ｄ）の円環状経路７４は、巨大分子で形成できる。そのような巨大分子としては、ＤＮＡなどが挙げられる。
【００３６】
カーボンナノチューブで形成された円環状経路は、室温における電子の平均自由工程が６５μｍと長い点で好ましい。カーボンナノチューブ中における電子の波長は１ｎｍ程度と短く、高感度のジャイロを実現できる可能性がある。カーボンナノチューブのリングは、サイエンス（Ｓｃｉｅｎｃｅ）で報告されており（Ｓｃｉｅｎｃｅ，ｖｏｌ．２９３、ｐ１２９９−１３０１、２００１年）、また、ザ・ジャーナル・オブ・フィジカル・ケミストリーＢ（Ｊ．  Ｐｈｙｓ．  Ｃｈｅｍ．  Ｂ）でも報告されている（Ｊ．  Ｐｈｙｓ．  Ｃｈｅｍ．  Ｂ、ｖｏｌ．１０３、Ｎｏ．３６、ｐ７５５１−７５５６、１９９９年）。
【００３７】
本発明の電子波ジャイロは、従来のジャイロに比べて小型化、省エネルギー化が可能である。また、電子波の波長は半導体中で数十ｎｍであり金属中で数ｎｍであるため、本発明の電子波ジャイロは、従来のジャイロよりも高感度とすることが可能である。電子の速度は、光のスピードよりもずっと遅い。そのため、本発明の電子波ジャイロでは、互いに逆方向に進行する２つの電子波の間の位相シフトや周波数シフトが、光ジャイロで生じるそれらに比べて大きくなり、高感度とすることが可能である。
【００３８】
以上、本発明の実施形態について例を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の技術的思想に基づいて他の実施形態に適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明によれば、原理的に小型化が可能な新規なジャイロが得られる。このジャイロは、様々な分野に利用でき、たとえば、ロケット、人工衛星、宇宙ステーション、各種の移動体といった分野に利用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の電子波ジャイロの構成の一例を模式的に示す図である。
【図２】本発明の電子波ジャイロが回転したときの角速度と出力との関係の一例を模式的に示すグラフである。
【図３】本発明の電子波ジャイロの構成の他の一例を模式的に示す図である。
【図４】本発明の電子波ジャイロが回転したときの時間と出力との関係の例を模式的に示すグラフである。
【図５】本発明の電子波ジャイロの製造方法の一例を模式的に示す図である。
【図６】本発明の電子波ジャイロの他の例を模式的に示す上面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０、３０  ジャイロ
１１、３１、７１、７２、７３、７４  円環状経路
１２、３２  電源（電子波発生手段）
１３、３３  抵抗
１４、３４  検出装置（位相差検出手段）
５１  基板
６０  積層膜
６１、６２  レジスト膜
６３  電極端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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