JPS586190A - リング・レ−ザ・ジヤイロスコ−プ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は全体として角速度センサ装置に関する（ ものであり、更に詳しく言えば、温度こう配と残留ロッ
クイン効果を補償するための手段を有するリング・レー
ザ・ジャイロスコープに関するものである。

リング・レーザ・ジャイロスコープは従来の角速度セン
サ装置とは大きく異なるものである。従来の角速度セン
サは基絨方向を得るために自転する質量を利用している
。自転する質量を利用しているセンサには固有の問題が
ある。それらの問題の１つとして摩擦と望ましくないト
ルクによりひき起されるドリフト率が高いことがある。

リングパレーザφジャイロスコープはそれら従来のセン
サの′−４ま′シ＜ない特性をほとんど解消するもので
ある。その動作は光学的現象と電気的現象を基にしてい
るものであって、閉じた経路中を循環している無質醍の
光波で角運動を測定するものである。

米国特許第３３Ｍ３６５０号と第３４６７４７２号の各
明細Ｊには３枚の隅反射鏡で定められた三角形のリング
レーザ共振空洞が開示されている。三角形は使用する反
射鏡の数が最も少いから三角形の共振空洞は好ましい。

ガスレーザがレーザ空洞の中に入れられる。そのガスレ
ーザは、２種類の波長。

すなわち、赤外線スペクトル帯中の１．１５ミクロンと
可視波長領域中のｏ、ｓａミクロン、めうちの１つの波
長で通常動作するヘリウムガスとネオンガスで構成され
る。混合ガス中の２種類のネオン同位体Ｎｅ　＊＠とＮ
−の混合比を適切に選択することにより、２種類の単色
光ビームを作ることができる。それら２横類の単色光ビ
ームは同じ閉じた経路に沿って三角形空洞を時計回りと
逆時計回りに伝わる。

入力軸を中心とする回転がないから、２本のビームに対
する空洞の長さは等しく、光の振動数は同じである。い
ずれかの向きに回転が起るとその回転の向きに進んでい
るビームに対する空洞の長さが見かけ上長くなり、他の
ビームに対する空洞の見かけ上の長さが短くなる。閉じ
た光路は共振空洞であって持続振動を生じさせるから、
各ビームの波長もそれに従って長くなり、あるいは短く
なる０シ食がって、いずれかの向きにリングが回転する
と振動数が異なるようになり、それら２つの振動数のＭ
は回転速度に比例する。出力反射鏡として用いられてい
る１つの反射鏡では時計回りのビームと逆時計回りのビ
ームがと５些出さ：れ１、ビーム組合器でヘテロダイン
操作されてう々り撮動数を串すふ、このうなり機動数は
デュアル光検出器により検出されるーこのデュアル光検
出器は２種類の信号振動数のヘテロダイン操作により生
じたうかり振動数（このうなり振動数は回転速ｆを表わ
す）を検出するか、その光検出器の出力は回転の向きに
応じて±９０度位相が異なる。したがって、光検出器の
出力には入力回転の大きさと向きについての情報が含ま
れる。全てのリング・レーザ・ジャイロスコープはその
対称線を横切る方向の温度こう配に敏感である。その温
度こう配によりラングミュアの流れが影響を受けるロア
ノードとカソードの間の電気泳動ボンピングによりひき
起されるう〉″グミュアの流れは、グロー放電を含む毛
管を慎重に機械加工し、対称的に置かれた２つのグロー
放電を利用し、かつ２つの能動電流安定器により２つの
グロー放′亀甲の電流を一定に保つことにより通常は良
く平衡させられる。

従来のリング・レーザ脅ジャイロスコープハ周囲温度の
変化およびウオームアツプによる温度変化に礪めて感じ
やすい。従来のリング・Ｖ−ザ・ジャイロスコープにお
けるそれらの温度変化によりそれらのリング・レーザ・
ジャイロスコープの対称平面を横切って湿質こう配が生
ずる０というのはジャイロスコープ・ブロックの対称面
が非対称だからである。その結束として、入力軸を中心
とする回転はないが出力パルスが現われる。先行技術に
おいては、震動（ａｔｔｈｅｒｌにより発生される望ま
しくないカウントを正確に補償するために、機械的な震
動によるロックインを阻止するために非対称ブロックを
必要としていた。ロックイン゛は低い入力回転速麿の時
に、すなわち、入力速度がある臨界値すなわちあるしき
い値の時に起る。ロックイン領斌においては入力と出力
の間に非直線関係が存在する。この非直線関係を超える
と入力と出力の間に１１ぼ直線関係が存在する。

従来のリング・レーザ・ジャイロスコープは１００〜５
００　Ｈｚの振動数で機械的な震動を生ずる。

そのようなジャイロスコープにおいては残留ロックイン
の影響が明らかであるＣそのような残留ロックインの影
響により入カー出カスケール定数に個別の非ｒｆ線性が
ひき起されることになる０そのような非直線性を最小に
するために擬似ランダム運動が通常用いられる０そのよ
う攻ランダム性により、補償ビーム組合器がリングレー
ザからの出力を完全に打ち消さないと、りングレーザの
出力にノイズが付けくわえられることになる。従来のリ
ングレーザに卦けるそのような調整は非対称性すなわち
オフセットｅＮに調整することにより行われる。しかし
、そのような非対称性が調整される度に全ての光学的４
１１整を再び完全に行わなければならないから、そのよ
うな非対称性の調４ＩＦｉ非常に面倒である０従来のリ
ング・レーザ・ジャイロスコープはビーム組合−１ｔ−
有する、そのビーム組合器においては、そのビーム組合
器にンける角電の厳しい製作誤差によって１時計回妙ビ
ームと逆時計回りビームの間の収束が固定される。その
ように厳しい製作誤差を維持するには経費がかさみ、出
力反射鏡がり／グ・レーザ・ジャイロスコープに組合わ
される時に反射鏡の場所を選択する自由度が制限される
。

第１図は、ロックインを避けるために従来用いられてい
る装置を示すために用いられる従来のビーム組合器を有
する先行技術のリング・レーザ・ジャイロスコープを示
す。このジャイロスコープはガラスセラミックの三角形
ブロック１０を含む。

このブロックに空洞が機械加工される。この空洞Ｆ１２
枚の高反射率反射４１２．１３と出力反射鏡１４により
定められる。この空洞の中にハＨｅとＮｅの混合ガスが
充される。ＨｅとＮｅが充されている空洞に必要な利得
を与えるためにアノード１５．１６とカソード丘の間の
プラズマ放電が用いられる。

複数の板ばねを含むばね１８によりブロック１ｏはケー
スに機械的に支持される。ばね１８ハ支持柱１９でケー
スにとりつけられる。ブロック１ｏは、たとえば外部の
圧電アクチュエータにより駆動されてＡ点を中心として
震動させられる。このＡ点は三角形ブロック１０の中心
から１ｌｌｄだけずら式れる。

この震動の目的はロックインの作用をなく丁ために十分
に高い入力速度を導入することである。これは擬似ラン
ダム震＠を用いることにより最も効果的に行われる。リ
ングレーザか受ける実際の入力速度を正確に回復するた
めには、補償ビーム組合器を用いることが必要である０
この補償ビーム組合器（ｄ隅立方体逆反射器（ｃｏｒｎ
ｅｒ　ｃｕｂｅｒｅｔｒｏｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）　２０
より成る。時計回り　（ＣＷ）と逆時計回り　（ＣＣＷ
）の単色光ビームは半透明鏡２１において組合わさｒる
０ヘテロゲイン操作を受けた。すなわち混合された０ｗ
ビームと００ｗビームは光検出４乙により検出される。

逆反射器、およびほとんどの場合、光検出器はケースに
固定される。そのようにＣＷビームと００ｗビームを導
くことにより干渉計が形成される。形成された干渉計の
感度は、ずれｄが反射鏡１４の厚さｔに等しいように選
択された点Ａを中心としてジャイロスコープが震動させ
られた時のリング・レーザ・ジャイロスコープの感度に
等しく、逆である。

それら２本のビームが光検出器に達した時にそれらのビ
ームの間に小さな収束角が形成されるように、先行技術
においては０ｗビームと００ｗビームを組合わせている
。そのようにすることにより、２つまたはそれ以上の明
るい領域と暗い領域が交互に組合わされているものから
成る干渉パターンが形成される。この棒状のパターンは
りングレーザが回転させられる向きに応じていずれかの
側へ動く。したがって、リングレーザの回転の向きは、
光検出器をその棒状パターン内の明るい領域の間の距離
の４分の１すなわち９０度だけ隔てられている２つの部
分に分けることにより検出される。

支持柱１９を中心としてブロックを機械的に平衡させる
ために非対称的な切り欠き部ｘ、２４．２６がずらされ
ている孔ごとともに用いられる。この平衡は外部の直線
的な震動源に機械的に結合されることを避けるために必
要である０ 第１図に示すリング・レーザ・ジャイロスコープの欠点
に、その対称軸Ｂ−Ｂを横切る温度こう配に極めて感じ
やすいことである。それらの温度こう配は空洞内のガス
流を変化させ、その結果として、入力速度がない時にも
出力パルスが生ずることになる。このパイブスの不安定
現象は、第１図に示されている従来の装置では外部温度
が変化した時に生じていた。その理由は、非対称的なブ
ロックが温度こう配を生ずるからである。このリング・
レーザ・ジャイロスコープに含まれる熱時定数は何時間
というオーダーである。

第１図に示す１ｊング・レーザ中ジャイロスコープの別
の欠点はリング・レープの感度とビーム組合器、一般に
スピルオーバーと呼ばれている、の感度との差が、リン
グ・レーザ・ジャイロスコープをそのサスペンション上
に再配置することによってしか行えないことであるが、
それを行うことは困難であって、更に非対称性が導入さ
れるのが欠点である。

この従来のリング・レーザ・ジャイロスコープの更に別
の欠点は、デュアル出力光検出器へのビームの収束が出
力反射鏡の製作誤差と光学くさびの角度とによりセット
されることである。必要な調整は出力反射鏡の再研摩を
行うことなしに行うことは不可能である。

したがって、本発明の目的は温度変化に本質的に感じな
いリング・レーザ・ジャイロスコープを得ることである
。

本発明の別の目的は、震動軸に対してリング・レーザ・
ジャイロスコープを再配置することなしに震動を全く打
ち消すこと逅でき、デュアル出力光検出器上へのビーム
の収束を調整してそれらの光検出器の出力の位相差ｔ−
９０１ｍ［できるリング・レーザ・ジャイロスコープを
得ることである。

本発明の更に別の目的は擬似ランダム震動に・よりひき
起される残留ノイズの影響を本質的に受けないリング・
レーザ中ジャイロスコープを得ることである。

それらの目的を達成するために、３枚の隅反射鏡により
形成された三角形のリングレーザ共振空洞を含む。単色
光を発生するガスレーザは共振空洞の一体部分であって
、ヘリウムとネオンの混合ガス中で毛管グロー放電を行
う０共振空洞は、その対称線上に全て配置される複数の
ばねによりポストの中央部に支持される。本発明におい
ては、先行技術における非対称切り欠きすなわちずれた
孔は不必要である。したがって、周囲温度が変化したり
スタートのために温度が変化すると、装置の対称線量横
切る方向の温度こう配は生じない。

このリング・レーザ・ジャイロスコープの基本的な動作
は、逆向きに進む光波の振動数に入力角速度に比例する
差が生ずることである。この振動数の差はビーム組合器
または干渉計により測定される。

簡単にいえば、干渉計というのは、交互に並ぶ明るいし
まと暗いしまとより成る干渉パターンを作るように、２
本のコヒーレントな光ビームを重畳させる光学装置であ
る０それらのビームの共通な横断面内のしまの位置はそ
れら２本のビームの相対的な位相に依存する。それらの
ビームの振動数が異っているとすると、これは連続して
変化する位相差に等しいから、しまのパターンは光検出
器の表面を横切って動き、そのためにその光検出器はそ
の差振動数の出力を生ずる。この動作は時にはヘテロダ
イン動作と呼ばれる。

リング・レーザ・ジャイロスコープにおいてｆ′ｉ、振
動数の差と入力角速度の間の比例係数はジャイロ感度と
呼ばれる。ロックイン現象をなくす目的でジャイロ・ブ
ロックを震動させると、前記のジャイロ感度のためにし
ま検出器から望ましくない出力が生ずることになる。一
方のビームに機械的に導入される移相により干渉計を入
力角速＋１１感するように作ることができるものとする
と、望ましくない出力を減少させることができ、場合に
よってはなくすことができる。

反射鏡の外側にガラスまたはガラスセラミックで作られ
た光学くさびがとりつけられる。この光学くさびは一方
の出力ビームを小さな角度だけ屈折させる０この出力ビ
ームは反射鏡により半透明なビーム分割器へ向っである
角度で反射される力ｌ。

他のビームは第１のビームとともに二重出力光検出器へ
向って反射される。この光学くさびのくさび角度を適切
に選択することにより、レーザカ監その中央対称点を中
心として震動させられた時に、その干渉針の感蜜がりｙ
グレーザの感度に等しく、かつ逆にされる０反射鏡とビ
ーム分割器を少し調整することにより、リング・レーザ
・ジャイロスコープの感度を正しく打ち消すように感ｔ
ｔ−調整できる。更に、製作誤差に厳しい要求を果すこ
とな【、に、かつそのくさび角度に関してリング・レー
ザ・ジャイロスコープ上に出力反射鏡を任意に置いて希
望の９０度移相を行わせるために、光検出器に入射する
２本のビームの収束を正確に調整することが可能である
。

以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する、次に、
本発明の一実施例が示されている第２図を′ｊ＃照する
。第２図に示されている構造は基本的には第１図に示さ
れている構造と同じである。したがって、以下には本発
明を構成する顕著な特徴だけ詳しく説明することにする
０第２図において、ブロックの中心＠Ｂ−Ｂ上の点Ａに
ばね１８と支持柱１９との中心が置かれる。更に、非対
称的な切り欠き部やずらされた孔も設けられない。たと
えばＵ、Ｌ、Ｅ、で作られ九光学くさび田が光学接着剤
により出力反射ｄ２９にとりつけられる。［Ｊ、Ｌ、Ｅ
。

というのは膨張率が極めて低いシリカ、チタンで安定化
されたガラスのコーニング・ガラス会社（Ｃｏｒｎｉｎ
ｇ　Ｇｌａｓｓ　Ｗｏｒｋ　）の商品名である。

［Ｊ、　Ｌ、　Ｌｔｘ水のように透明で、レーザ　ブロ
ックの熱膨張率に熱膨張率が良く一致する。レーザブロ
ックはヘリウム鉱層に耐える低熱膨張率のガラスセラミ
ック、たとえばオウエン′スイリノイ（０ｗ６Ｂ−１目
１ｎｏ１ｓ）社からのＣｅｒｖｉｔまたはショット（Ｓ
ｃｈｏｔｔ　）社からのＺｅｒｏｄｕｒ、で作られる。

熱によりひき起される複屈折を避けるためには熱膨張率
を良く一致させることが必要である。

光学くさび田の一方の側は出力反射鏡に接着される０損
失を避けるために全ての光学部品の空気接触面は反射防
止膜、たとえばＶ被膜が被覆される。

逆時計回りのビームは回転反射鏡（至）により反射され
、ビーム分割器３１を通ってデュアル出力光検出器に入
射する。時計回りのビームは光学くさび四により反射さ
れてからビーム分割器３１により一部が反射されてデュ
アル出力光検出器３２に入射する。

光学くさび四の約４度聞分という小さなくさび角度の之
めに、このようにして形成された干渉計の感度は低くさ
れる。ビーム分割器３１をＡ点に近づけたり、Ａ点から
遠去けたりして調整することに・より、震動により生じ
させられたリング・レーザ・ジャイロスコープからの出
方を完全に打ち消すようにビーム組合器の感度を定める
ことができる。

ビーム分割器３１の向きを正しく定めることにより、デ
ュアル出；加検出器羽上の棒形干渉パターンの傾きを修
正でき、光検出器の出力の間に位相差を％度にするよう
にしまの間隔を定めることができる。

以上述べた実施例により、非対称的に配置されている支
持機構を有する対称的なブロックを使用できる。

本発明が先行技術より優れている点は、非対称性による
バイアスの不安定性がなくなり、切り欠きとずらされて
いる孔を平衡させる必要がなくなり、後方散乱を最小に
するために出力反射鏡をロック上の最適の位置に置くこ
とができることである。これは、従来の構造のジャイロ
スコープでは出力反射＠１４が半透明にされた１つの点
２１を有し、ビームの間で収束を起させるように出力反
射鏡１４もくさび形にされているから先行技術（たとえ
ば第１図）では可能ではない０ 以上の説明から、対称的な構造全可能にする光学装置と
、温度変化に対する感度を表〈すリングレーザのサポー
トとを有するリング・レーザ・ジャイロスコープが得ら
れたことがわかる。本発明により、後方散乱を最少にし
、したがって装置の性能を高くする出力反射鏡を最適や
位置に置くことができる、スピルオーバーに完全になく
すことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は対称＠を横切る温度こう配に感する従来のリン
グ・レーザ・ジャイロスコープ概略断面図、第２図は、
反射ＱＴｈよびビーム分割器とともに干渉計′ｆ構成す
る、とりつけられている光学くさびを示す本発明のリン
グレーザ・ジャイロスコープの概略断面図である。 １８・・・ばね、１９・・・支持柱、四・・・光学くさ
び、；■・・・反射よ、３１・・・ビーム分割器、３２
・・・デュアル出力光検出器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、対称軸を横切る温度こう配をなくすように構成され
   たリング・レーザ・ジャイロスコープであって。 ある軸の周囲の閉じられているループに沿って互いに逆
   向きに回転する２本の単色光ビームを支持することによ
   り、前記軸を中心として回転させられでいる前記ビーム
   の間に振動数の差を生じさせる要素と、 出力反射鏡と、 この出力反射鏡の所に配置されて前記差を検出する干渉
   計と、 會備え、この干渉計は、前記ビームが入射される光検出
   器と、前記支持要素にとりつけられ、リング・レーザ・
   ジャイロスコープが前記軸を中心として震動させられた
   時に、干渉計の感度がリング・レーザ・ジャイロスコー
   プの感１に正確に等しく、かつ逆であるように１前記ビ
   ームのうちの１本を角変位させるために前記支持要素に
   とりつけられていることｔ％徴とするリング・レーザ・
   ジャイロスコープ。 ２、特許請求の範囲第１項に記載のリング・レーザ・ジ
   ャイロスコープであって、 デュアル出力光検出器と、 前記出力反射鏡にとりつけられ、出力ビームの一方を屈
   折させる光学くさびと、 前記光検出器上の前記一方のビームの一部を反射させる
   ビーム分割器と、このビーム分割器を通る他方の光ビー
   ムを反射させる回転反射鏡と、 を備え、前記干渉計の感度を前記リング・レーザ・ジャ
   イロスコープの感度に正確に等しく、かつ逆にするため
   に前記干渉計の感度を変えるように、前記他方のビーム
   は別の光路に沿って反射されることを特徴とするリング
   ・レーザ・ジャイロスコープ− ３，三角形のレーザ空洞と、 逆向きに回転する２本の単色光ビームを発生するために
   前記レーザ空洞と一体のレーザ発生要素を有するリング
   ・レーザと、 前記レーザ空洞の各脚の結合部における反射面であって
   、そのうちの１っは出方反射鏡である反射面と、 ベースと、 前記レーザ空洞を擬似ランダム震動させるため罠前記ベ
   ースで前記レーザ空洞の中央部を支持するための要素と
   、 検出器と、 前記レーザ空洞から放出された前記２本の単色光ビーム
   を受け、各ビームを所定の光路に沿って進ませるために
   前記出方反射鏡に隣接する要素と、 を備え、この隣接する要素は、前記出方反射鏡の外側に
   とりつけられ前記ビームの光路な曲げるための光学要素
   を含み、この光学要素は、リング・レーザ・ジャイロス
   コープが震動させられた時にそのリン′グ・レーザ・ジ
   ャイロスコープの感度に等しく、かつ逆である感度を有
   する干渉計を形成することを特徴とするリング・レーザ
   ・ジャイロスコープ、 ４、特許請求の範囲第３項に記載のリング・レーザ・ジ
   ャイロスコープであって、前記光学要素は、 前記出力反射鏡にとりつけられて一方の出力ビームの光
   路を曲げる光学くさびと。 他方のビームの光路をさえぎり、その他方のビームを前
   記検出器へ向ける回転反射鏡と、この回転反射鏡と前記
   検出器の間に配置され、前記他方のビームの一部を透過
   させるとともに、前記一方のビームを前記検出器へ反射
   させることにより、前記検出器上に干渉パターンを形成
   させる部分透過ビーム分割器と、 を備えていることを特徴とするリング・レーザ・ジャイ
   ロスコープ。 ５、％許請求の範囲第４項に記載のリング・レーザ・ジ
   ャイロスコープであって、前記部分透過ビーム分割器は
   、リング・レーザ・ジャイロスコープからの出力の動き
   を正しく打、ち消すこと全容易にし、かつ２本のビーム
   の相互作用によりひき起される干渉パターンの調幣を容
   易にするために、前記ペースに調節できるようにしてと
   りつけられていることを特徴とするリング・レーザ・ジ
   ャイロスコープ。 ６、特許請求の範囲第５項に記載のリング・レーザ・ジ
   ャイロスコープであって、前記検出器はデュアル出力光
   検出器を含んでいることを特徴とするリング・レーザ・
   ジャイロスコープ。