(57)【要約】      （修正有）【課題】ガラスセラミック障壁被覆のためのシステムおよび方法を提供する。【解決手段】センサ１００は、所望の環境を容積部１０８内に封入するセンサ本体１０２であって、ガラスセラミックから製作されるセンサ本体１０２と、センサ本体１０２の少なくとも１つの表面上に形成された障壁被覆１０６であって、容積部１０８内の所望の環境を容積部１０８外部の環境から真空密閉する障壁被覆１０６と、を備える。【選択図】図１
2016014654.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ（１００）であって、
所望の環境を容積部内に封入するセンサ本体（１０２）であって、ガラスセラミックから製作される、センサ本体（１０２）と、
前記センサ本体（１０２）の少なくとも１つの表面上に形成された障壁被覆（１０６）であって、前記容積部内の前記所望の環境を前記容積部外部の環境から真空密閉する、障壁被覆（１０６）とを備える、センサ（１００）。
【請求項２】
前記センサ本体（１０２）が、１つまたは複数の開口部（１１０）を備え、前記センサは、前記所望の環境を前記容積部内に真空密閉するように前記１つまたは複数の開口部（１１０）を覆って装着された１つまたは複数の光学構成要素（１１２）をさらに備える、請求項１に記載のセンサ（１００）。
【請求項３】
センサ（１００）を製作するための方法であって、
センサ本体（１０２）をガラスセラミックから作製するステップであって、センサ本体（１０２）が、所望の環境を容積部内に封入する、ステップと、
障壁被覆（１０６）を前記センサ本体（１０２）に施与するステップであって、前記障壁被覆（１０６）が、前記センサ本体（１０２）の少なくとも１つの表面を被覆する、ステップと、
内容物を前記容積部内に真空密閉するステップであって、前記障壁被覆（１０６）が、前記容積部内の前記所望の環境を前記容積部外部の環境から真空密閉する、ステップとを含む、センサ（１００）を製作するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、ガラスセラミック障壁被覆のためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
[0001]リングレーザージャイロスコープ、原子時計、および他の類似のセンサが、製造されるとき、センサ本体内の真空密閉された環境が望まれる。たとえば、低温の原子時計が製造されるとき、ルビジウムが、密閉された真空内に導入され得る。また、リングレーザージャイロスコープが製造されるとき、ヘリウムが、センサ本体内に密閉される。経時的に正しく作動するために、この真空密閉およびセンサ本体を製作するために使用される材料が、所望の環境をセンサ本体内に維持する。真空密閉された環境を維持するために、センサ本体の構成要素は、ガラスを用いて作製されてよく、光学装置は、フリットを用いてホウケイ酸ガラス（または他のタイプのガラス）に取り付けられてよい。しかし、センサ本体をガラスで製作することには、課題がないわけではない。特に、ガラスを機械切削することはコストがかかり、生産可能性上の問題が生じる。たとえば、ガラスは、機械切削プロセス中に損傷を受けやすく、微細損傷を取り除くために化学エッチングが必要であることが多く、ガラスは、壊れやすく、張力下に置かれたときに破損を受けやすい。さらに、専用のガラス機械切削工具が必要とされ、機械切削後の組み立て、工具接触、および取り扱いによる損傷もまた起こる場合がある。
【０００３】
[0002]特定の実施において、ガラスセラミックが、センサ本体を作製するときにガラスの代わりに使用され得る。ガラスセラミックを使用することにより、ガラスの機械切削、取り扱い、および組み立てに関するコスト問題の多くは、回避され得る。たとえば、ＭＡＣＯＲなどのガラスセラミックは、従来の金属加工術工具を用いて容易にかつ正確に緊密な公差で機械切削される。しかし、ガラスセラミックは、ガラスよりも浸透性があり、製品の作動および保管寿命中、センサ本体内の内容物を吸収する。また、ガラスセラミックは、センサの外部環境からセンサ本体内への異物材料の浸透も可能にし得る。さらに、ガラスセラミックは、センサ本体の内容物を外部環境に放出し得る。内容物の吸収、異物材料の浸透、またはセンサ本体内のまたはこれを通る内容物の放出が、センサの作動に負の影響を与える。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
[0003]ガラスセラミック障壁被覆のためのシステムおよび方法が、提供される。特定の実施形態では、センサは、所望の環境を容積部内に封入するセンサ本体であって、ガラスセラミックから製作される、センサ本体と、センサ本体の少なくとも１つの表面上に形成された障壁被覆であって、容積部内の所望の環境を容積部外部の環境から真空密閉する、障壁被覆とを備える。
【０００５】
[0004]図は、例示的な実施形態のみを示し、したがって、範囲を限定すると考えられるものではないことを理解して、例示的な実施形態が、添付の図を用いて追加の特定性および詳細を伴って説明される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】[0005]本開示に説明された１つの実施形態における障壁被覆を有するセンサの断面図である。
【図２Ａ】[0006]本開示に説明された特定の実施形態における障壁被覆で被覆された内部表面を有するセンサの断面図である。
【図２Ｂ】本開示に説明された特定の実施形態における障壁被覆で被覆された内部表面を有するセンサの断面図である。
【図２Ｃ】[0007]本開示に説明された１つの実施形態における障壁被覆で被覆された外部表面を有するセンサの断面図である。
【図３】[0008]本開示に説明された１つの実施形態における障壁被覆を有するセンサを製作するための方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
[0009]慣行に従い、さまざまな説明された特徴は、正確な縮尺率では示されず、例示的な実施形態に関連する特有の特徴を強調するように示される。
[0010]以下の詳細な説明において、その一部を形成する添付の図に参照がなされ、図内では、特有の例示的な実施形態が例示として示される。しかし、他の実施形態が利用されてよく、論理的、機械的、および電気的変更がなされ得ることが理解されるものとする。さらに、図および本明細書に提示される方法は、個々のステップが実施され得る順番を限定すると理解されるものではない。以下の詳細な説明は、したがって、限定的な意味でとらえられないものとする。
【０００８】
[0011]特定の実施形態では、原子時計およびリングレーザージャイロスコープなどのセンサの本体は、センサのタイプの中でもとりわけ、ガラスセラミックを用いて製作される。ガラスセラミックは、製作中の損傷に対する抵抗性がより高く、一般的な工具を用いて機械切削可能であるため、ガラスセラミックの使用は、センサ本体の機械切削を容易にする。さらに、ガラスセラミックは、材料がガラスセラミックセンサ本体を通り抜け、センサ本体内の所望の環境を変化させることを可能にしやすくする傾向があるため、ガラスセラミックの露出された表面は、障壁被覆で被覆される。たとえば、障壁被覆は、センサの製作中、浸漬、吹付け、原子層堆積などによってガラスセラミックの露出された表面に施与され得る。ガラスセラミックの表面上の障壁被覆の創出は、ガラスセラミックがセンサ本体の内容物を吸収することを防止し、または、センサ本体の外側の外部ガスがセンサ本体に入ることを防止することを防止する。センサ本体内部の所望の環境の維持は、センサの作動寿命を引き延ばす。
【０００９】
[0012]特定の実施形態では、用語「ガラスセラミック」は、基礎ガラスの制御された結晶化によって生成された多結晶材料を指す。名称によって留意されるように、ガラスセラミック材料は、ガラスおよびセラミック両方の同じ特性の多くを有する。ガラスセラミックは、ガラスの製作利点を有し、複数の所望の特性を有するように仕様調整され得る。たとえば、ガラスセラミックは、ガラスと比較して、より良好に機械切削可能であり、割れに対する抵抗性がより高いように設計され得る。さらに、他の構成要素が、ガラスセラミックに容易に接合され得る。さらに、電気回路が、ガラスセラミックで製作されたセンサ本体の表面上に印刷され得る。
【００１０】
[0013]図１は、センサ本体１０２がガラスセラミックを用いて製作されるセンサ１００の図である。本明細書では、用語「センサ」は、所望の環境を真空密閉されたパッケージ内に含むセンサを指す。たとえば、一部の実施においては、センサ１００は原子時計である。特定の例では、センサ１００が低温の原子時計であるとき、センサ１００は、ルビジウム（Ｒｂ）などのアルカリ金属の蒸気を含有する真空密閉されたパッケージを含む。原子時計が作動するとき、光が、原子時計の内側の原子の共鳴周波数の測定値を得るために使用される。共鳴周波数のこれらの測定値は、その後、たとえば、全地球測位システム衛星のような一貫した時計信号に依存するシステムに周波数標準を与えるために使用され得る。
【００１１】
[0014]他の実施においては、センサ１００は、リングレーザージャイロスコープである。リングレーザージャイロスコープは、回転軸周りの回転速度を測定するための運行指示計器として使用され得る。リングレーザージャイロスコープは、通常、閉じられた空洞と、光をループ内に反射させるように設計された少なくとも３つの鏡とを含む。光は、時計周り方向および反時計周り方向の両方に閉鎖された空洞を通って進行する。リングレーザージャイロスコープが静止しているとき、時計周り方向に空洞を通って進行する光線は、反時計周り方向に空洞を通って進行する光線と同じ周波数を有する。リングレーザージャイロスコープが回転しているとき、時計周りの光線の周波数は、反時計周りの光線のものとは異なる。サグナック効果を利用して、時計周り方向に進行する第１の光線と、反時計周り方向に進行する第２の光線との間の周波数の差が、算出される。この周波数の差は、次いで、リングレーザージャイロスコープを含む本体の回転速度を決定するために使用され得る。
【００１２】
[0015]上記で説明されたような電子時計およびリングレーザージャイロスコープの両方および他のセンサタイプでは、センサ本体１０２内の内容物１０８または環境は、センサの作動に影響を与える。センサ本体１０２内の内容物１０８の組成または所望の環境が変化した場合、センサ１００の性能は、所望の性能から遠のく。センサ本体１０２がガラスから製作されるとき、センサ本体１０２は、通常、ガラスセラミックより、内部内の内容物１０８またはセンサ本体１０２の外側からのガス状粒子による浸透性が小さく、それにより、センサ本体１０２内の環境は、センサ本体１０２がガラスから作製されたとき、ほぼ同じままである。しかし、上記で述べられたように、ガラスは、特にセンサのサイズが低減するにつれて、製作が困難である。たとえば、センサのサイズが低減するにつれて、ガラスセンサ本体は、製作プロセス中または作動中、より大きい破壊のリスクにさらされる。
【００１３】
[0016]特定の実施においては、ガラスの短所に打ち勝つために、センサ本体１０２は、ガラスセラミックから製作され得る。たとえば、センサ本体１０２は、ＭＡＣＯＲのようなガラスセラミックまたは別の適切なガラスセラミック材料から作製され得る。センサ本体１０２は、ガラスセラミックから作製されるため、ガラスセラミックを製造するために使用される材料は、容易に入手可能な工具を用いて機械切削可能である。さらに、ガラスセラミックセンサ本体１０２は、センサ本体１０２が製作および作動中に外部力にさらされるとき、チップおよび割れに対する抵抗性がガラスより高い。しかし、ガラスセラミックは、センサ本体１０２内に含まれた内容物１０８を吸収し、またはセンサ本体１０２の外側の粒子のセンサ本体内への浸透を可能にし得る。したがって、センサ本体１０２内の環境が、ガラスセラミックに露出されるとき、センサ本体１０２内の環境は、ガラスセラミックを通る粒子の吸収または浸透によって経時的に変化する。組成の変化はまた、センサ１００の作動上の望ましくない変化を有し得る。
【００１４】
[0017]少なくとも１つの実施形態では、センサ本体１０２内のガラスセラミックがセンサ本体１０２内の内容物１０２を吸収することを防止するために、センサ本体１０２の内容物１０８と接触するセンサ本体１０２の表面が、障壁被覆１０６で被覆される。障壁被覆１０６は、センサ本体１０２による内容物１０８の吸収／浸透／放出を阻害するために、製作中にセンサ本体１０２の表面に施与される材料の被覆である。たとえば、障壁被覆１０６は、窒化、ＣＥＲＡＢＬＡＫの施与、薄膜酸化物などによって形成された酸素障壁の被覆でよい。センサ１００を製作するとき、障壁被覆１０６は、浸漬、吹付け、原子層堆積（ＡＬＤ）、または中間障壁被覆１０６を除いて内容物１０８に露出されるセンサ本体１０２の表面を効果的に被覆する他の匹敵するプロセスを用いて形成されてよい。
【００１５】
[0018]少なくとも１つの実施形態では、障壁被覆１０６が、浸漬を用いて形成されるとき、センサ本体１０２は、センサ本体１０２の露出された表面を被覆する溶液内に浸漬される。センサ本体１０２が、溶液内に浸漬され、そこから取り外された後、センサ本体１０２上に残る残留溶液が、固められる。このプロセスは、センサ本体１０２上に形成する障壁被覆１０６が所望の厚さに到達するまで反復される。あるいは、障壁被覆１０６が、吹付けを用いて形成されるとき、溶液が、センサ本体１０２の露出された表面上に噴霧される。噴霧された溶液は、次いで、障壁被覆１０６になるように固められる。さらに、障壁被覆１０６が、ＡＬＤによって形成されるとき、障壁被覆１０６は、当業者によって理解されるようなＡＬＤプロセスによってセンサ本体１０２の表面上に形成することが可能にされる。障壁被覆１０６の厚さは、障壁被覆１０６を施与するために使用されるプロセスに応じて決まり得る。たとえば、障壁被覆１０６を浸漬および吹付けによって施与した結果、障壁被覆１０６がＡＬＤによって施与された場合より厚い障壁被覆１０６を生じさせることができ、その結果、数十ナノメートルの厚さを生じさせることができる。
【００１６】
[0019]特定の実施においては、また図１に例示されるように、センサ本体１０２の外部および内部の表面は、障壁被覆１０６で被覆される。あるいは、図２Ａおよび２Ｂに関連して以下に論じられるように、内容物１０８に露出され得るセンサ本体１０２の表面が、被覆され、または図２Ｃに例示されるように、センサ本体１０２の外部表面が障壁被覆１０６で被覆される。センサ本体１０２の所望の表面が、障壁被覆１０６で被覆されるとき、構成要素１１２および他の特徴が、センサ本体１０２上に装着され得る。たとえば、センサ１００が原子時計であるとき、構成要素１１２は、センサ本体１０２内の開口部１１０を覆って装着され得る、レンズ、鏡、回折格子などの光学構成要素を含むことができる。センサ本体１０２の外部および内部両方の表面が障壁被覆１０６で被覆されるとき、構成要素１１２は、フリットまたは他のタイプの結合製作方法を用いて障壁被覆１０６に結合され得る。あるいは、内容物に露出されたセンサ本体１０２の表面のみが被覆されるとき、構成要素１１２は、センサ本体１０２のガラスセラミック材料に結合され得る。
【００１７】
[0020]特定の実施において、構成要素１１２は、障壁被覆１０６の施与前にセンサ本体１０２上に装着される。構成要素１１２が、障壁被覆１０６の施与前にセンサ本体１０２に装着されるとき。構成要素１１２は、障壁被覆１０６が構成要素１１２を被覆することを防止するためにマスキングされ得る。しかし、障壁被覆１０６が光学的に透明である場合、障壁被覆１０６は、構成要素１１２を隠すことなく構成要素１１２に施与され得る。
【００１８】
[0021]少なくとも１つの実施においては、センサ１００の作動を支持する回路が、センサ本体１０２を備えるガラスセラミック上またはガラスセラミック内のセンサ本体１０２の外部表面上に形成され得る。センサ本体１０２上またはその中に回路を含むことにより、センサ１００は、より小さい有効空間内で製作され得る。回路が、センサ本体１０２のガラスセラミック上またはその中に置かれ、障壁被覆１０６がセンサ本体１０２の外部表面を覆って施与されるとき、回路は、障壁被覆１０６の施与前に置かれる。あるいは、回路は、障壁被覆が施与された後に事後プロセスとして障壁被覆上に印刷されてよい。別の代替の実施形態では、障壁被覆１０６が、センサ本体１０２の内部表面に施与されるとき、回路は、障壁被覆１０６の施与の前またはその後に置かれ得る。
【００１９】
[0022]上記で述べられたように、図２Ａおよび２Ｂは、センサ本体２０２の内部表面が、それぞれの障壁被覆２０６ａおよび２０６ｂで被覆される、それぞれのセンサ２００ａおよび２００ｂの例示を提供する。図２Ａに例示されるように、障壁被覆２０６ａは、センサ本体２０２の被覆された表面上に共形厚さを有する。浸漬および原子層堆積などの施与方法は、センサ本体２０２の表面を共形でより良好に被覆することができる。しかし、図２Ｂに例示されるように、障壁被覆２０６ｂは、センサ本体２０２の被覆された表面上に可変の厚さを有することができる。吹付けなどの施与の方法は、センサ本体２０２の表面を非共形に被覆しやすく、センサ本体２０２の表面が、障壁被覆２０６ｂで完全に覆われることの確実性を増大させることができる。図２Ａおよび２Ｂとは対照的に、図２Ｃは、センサの外部表面が障壁被覆２０６ｃで被覆されるセンサ２００ｃの例示を提供する。障壁被覆２０６ｃは、吹付け、浸漬、原子層堆積または被覆を施与する他の方法によって施与され得る。さらに、電子回路が、センサ本体２０２のガラスセラミック上または障壁被覆２０６ｃ上に製作され得る。
【００２０】
[0023]図３は、図１、２Ａ、および２Ｂに関して上記で説明されたようなセンサを製作するための方法３００を例示する流れ図である。特定の実施形態では、方法３００は、センサ本体がガラスセラミックから製作され、センサ本体が容積部を封入する３０２に進む。たとえば、特定の実施において、センサは、リングレーザージャイロスコープ、原子時計、または封入された容積部内に所望の環境を隔離する他の類似のセンサでよい。センサ本体の製作の容易さを改良するために、ＭＡＣＯＲなどのガラスセラミックが使用され得る。しかし、ガラスセラミックは、封入された容積部内の内容物を経時的に吸収する。内容物の吸収は、センサの作動の性能低下を引き起こし得る。ガラスセラミックによる内容物の吸収を阻害するために、方法３００は、障壁被覆がセンサ本体に施与される３０４に進み、この場合、障壁被覆は、容積部に露出されたセンサ本体の表面を被覆する。たとえば、障壁被覆は、吹付け、浸漬、原子層堆積または障壁被覆を施与するための他の方法によってセンサ本体の表面に施与され得る。方法３００は、３０６に進み、この場合、所望の環境が容積部内に真空密閉され、障壁被覆は、内容物をガラスセラミックから隔離する。容積部を真空密閉し、所望の環境をガラスセラミックから隔離することにより、所望の環境が、容積部内により効果的に維持され得る。所望の環境を容積部内に維持することは、センサの所望の作動を維持する上で助けとなる。
【実施例】
【００２１】
[0024]実施例１は、センサであって、所望の環境を容積部内に封入するセンサ本体であって、ガラスセラミックから製作される、センサ本体と、センサ本体の少なくとも１つの表面上に形成された障壁被覆であって、容積部内の所望の環境を容積部外部の環境から真空密閉する、障壁被覆とを備える、センサを含む。
【００２２】
[0025]実施例２は、センサが原子時計またはリングレーザージャイロスコープの１つである、実施例１のセンサを含む。
[0026]実施例３は、障壁被覆が、センサ本体の表面を覆う共形厚さを有する、実施例１から２のいずれかのセンサを含む。
【００２３】
[0027]実施例４は、電子回路が、センサ本体および障壁被覆の少なくとも１つ上に形成される、実施例１から３のいずれかのセンサを含む。
[0028]実施例５は、センサ本体の外部表面およびセンサ本体の内部表面の少なくとも１つが、障壁被覆で被覆される、実施例１から４のいずれかのセンサを含む。
【００２４】
[0029]実施例６は、センサ本体が１つまたは複数の開口部を備え、センサは、所望の環境を容積部内に真空密閉するように１つまたは複数の開口部を覆って装着された１つまたは複数の光学構成要素をさらに備える、実施例１から５のいずれかのセンサを含む。
【００２５】
[0030]実施例７は、障壁被覆が、光学的に透明であり、障壁被覆は、１つまたは複数の光学構成要素を被覆する、実施例６のセンサを含む。
[0031]実施例８は、センサを製作するための方法であって、センサ本体をガラスセラミックから製作するステップであって、センサ本体が、所望の環境を容積部内に封入する、ステップと、障壁被覆をセンサ本体に施与するステップであって、障壁被覆が、センサ本体の少なくとも１つの表面を被覆する、ステップと、所望の環境を容積部内に真空密閉するステップであって、障壁被覆が、容積部内の所望の環境を容積部外部の環境から真空密閉する、ステップとを含む、方法を含む。
【００２６】
[0032]実施例９は、障壁被覆が、センサ本体を被覆溶液内に浸漬する、被覆溶液をセンサ本体の少なくとも１つの表面上に吹付ける、および原子層堆積するうちの１つによって施与される、実施例８の方法を含む。
【００２７】
[0033]実施例１０は、センサ本体を製作するステップが、１つまたは複数の開口部をセンサ本体内に形成することを含む、実施例８から９のいずれかの方法を含む。
[0034]実施例１１は、１つまたは複数の光学構成要素を１つまたは複数の開口部を覆ってセンサ本体に装着するステップであって、それにより、１つまたは複数の光学構成要素およびセンサ本体が、所望の環境を容積部内に真空密閉する、ステップをさらに含む、実施例１０の方法を含む。
【００２８】
[0035]実施例１２は、障壁被覆を施与するステップが、障壁被覆を、容積部に露出されたセンサ本体の少なくとも１つの表面に施与するステップと、１つまたは複数の光学構成要素をセンサ本体に装着するステップと、１つまたは複数の光学構成要素を隠すステップと、障壁被覆をセンサ本体の外部表面および１つまたは複数の光学構成要素に施与するステップと、１つまたは複数の光学構成要素を暴露するステップとを含む、実施例１１の方法を含む。
【００２９】
[0036]実施例１３は、センサ本体を作製するステップが、電子回路をガラスセラミックの表面および障壁被覆の表面の少なくとも１つ上に形成するステップを含む、実施例８から１２のいずれかの方法を含む。
【００３０】
[0037]実施例１４は、障壁被覆が、センサ本体の少なくとも１つの表面に共形で施与される、実施例８から１３のいずれかの方法を含む。
[0038]実施例１５は、感知装置であって、所望の環境を容積部内に封入するセンサ本体であって、ガラスセラミックから製作され、１つまたは複数の開口部を備える、センサ本体と、センサ本体の少なくとも１つの表面上に形成された障壁被覆であって、容積部内の所望の環境を容積部外部の環境から真空密閉する、障壁被覆と、所望の環境を容積部内に真空密閉するように１つまたは複数の開口部を覆って装着された１つまたは複数の光学構成要素であって、少なくとも１つの光線が容積部に入ることを可能にする、１つまたは複数の光学構成要素とを備える感知装置を含む。
【００３１】
[0039]実施例１６は、感知装置が、原子時計、またはリングレーザージャイロスコープの１つである、実施例１から１５のいずれかの感知装置を含む。
[0040]実施例１７は、障壁被覆が、センサ本体の表面を覆う共形厚さを有する、実施例１から１６のいずれかの感知装置を含む。
【００３２】
[0041]実施例１８は、電子回路が、センサ本体および障壁被覆の少なくとも１つ上に形成される、実施例１から１７のいずれかの感知装置を含む。
[0042]実施例１９は、センサの外部表面およびセンサ本体の内部表面の少なくとも１つが、障壁被覆で被覆される、実施例１から１８のいずれかの感知装置を含む。
【００３３】
[0043]実施例２０は、ガラスセラミックがＭＡＣＯＲである、実施例１から１９のいずれかの感知装置を含む。
[0044]特有の実施形態が例示され、本明細書に説明されてきたが、同じ目的を達成するように算出されたいかなる配置も、図示される特有の実施形態に代用され得ることが当業者によって理解されるであろう。したがって、本発明は、特許請求の範囲およびその等価物によってのみ限定されることが明白に意図される。
【図１】
2016014654.tif 000003
【図２Ａ】
2016014654.tif 000004
【図２Ｂ】
2016014654.tif 000005
【図２Ｃ】
2016014654.tif 000006
【図３】
2016014654.tif 000007
【外国語明細書】
2016014654000001.pdf