JPS598077B2 - リングレ−ザジヤイロ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の分野 この発明はリングレーザジャイロスコープに関するもの
であり、特に、モードロッキング効果を少なくするため
、デイザ一（Ｄｉｔｈｅｒ：装置が絶えず小さな振幅運
動にあるように連続的に装置へ与えられる、制御された
振幅および周波数を有する力）を与えられるレーザジャ
イロスコープに関するものである。

先行技術の説明 レーザジャイロスコープにおいて、１対の互いに逆方向
に回転する光ビームが閉ループ経路のまわりを伝播され
る。

反対方向に進む２つのビームの周波数が比較される。ジ
ヤイロスコープが慣性空間で回転するとき、２つの互い
に逆方向に進むビームは、明らかに、等しくない経路に
出会う。周波数の差は回転方向および回転速さの表示と
して測定される。しかしながら、回転速さが小さいと、
モードまたは周波数ロツキングが生じる。

２つの逆方向に向けられた光ビームの周波数は互いにロ
ツクしビームは発振する。

これにより、ジヤイロの特性において非線形デツドゾー
ンが作られ、何ら有益な出力が得られることができない
。ロツクイン現象の効果を避けるためまたは少なくする
ために用いられる方法のうちの１つは、ジヤイロの機構
的本体とデイザ一である。ジヤイロ本体全体は比較的高
周波数で機械的に振動される。これは動的に変化してい
るバイアス回転速さをジヤイロに与える。この回転速さ
はほとんどの時間デツドゾーンのしきい値入力速さまた
は自然なロツク速さを越える。この機械的なデイザーア
プローチは成功して用いられている。しかしながら、こ
のアプローチは、これを用いている姿勢基準システムに
対して、不所望にエネルギ消費を増し、コスト、重さ、
大きさおよび機構的な複雑さを増す。機構的なデイザ一
は、また、システムに対して不所望な振動およびノイズ
源となる。この振動は、加速度計のような他の装置を用
いる際に問題となる。このような他の装置は、同じ装置
にジヤイロとともに設けられてもよいものである。機構
的なデイザ一を用いるリンクレーザジャイロの→１は、
１９７８年９月１９日の発行されたアメリカ合衆国特許
番号第４１１５００４号に示されている。たとえば、フ
アラデーセルのような光学的に活性な装置はレーザ空洞
へ挿入されてレーザの動作に対してバイアスまたは不釣
り合いを作り出し、それによつてモードロツキングを回
避していた。

このようなアプローチの一例はアメリカ合衆国特許第４
２２２６６８号に示されている。複屈折光学エレメント
を用いる他の例として、１９７４年２月１２日に発行さ
れたアメリカ合衆国特許第３７９１７３８号に示されて
いる。この特許においては、変化しているフレネル位相
速さのシフトが、光学エレメントにデイザ一を与えるこ
とによつて得られている。アメリカ合衆国特許番号第４
２１９２７５号（１９７８年６月２２日に出願されたア
メリカ合衆国特許出願連続番号第９１８３０５号）では
、レーザ空洞へ挿入された光学的に活性な装置は、反対
方向に伝播する光ビームの空間的なまたは一時的な分離
を生じる。

このアプローチはモードロツキングを全く除去するよう
に意図されている。シヤツタを用いているビームの同時
的な、一時的かつ空間的分離に対するアプローチが、１
９７１年１２月１４田こ発行されたアメリカ合衆国特許
第３６２７４２２号に開示されている。アメリカ合衆国
特許番号第４１１５００４号を除く上記他の特許によつ
て説明されたアプローチのような、レーザ空洞に光学エ
レメントを挿入するアンロッキングジャイロに対するア
プローチには、或る問題が起こり得る。

光学的エレメントは光学経路において非類似な材料間の
境界数を増大する。そのような各境界は散乱を増加する
源となり得る。散乱が増加すると、減少されるべきモー
ドロツキング効果が促進される傾向となる。さらに、光
学エレメント自体は、たとえば、それらの特性における
不釣り合いや、たとえば、温度変動によるそれらの特性
のランダムな変動などのフアクタにより、ジヤイロの動
作に対しバイアスエラーを生じる。レーザ化するための
電気的な励起、またはポンピングカが典型的には直流電
流源からレーザ気体状媒体へ印加される。

その媒体の放電を持続するのに十分な電圧が、間隔の隔
てられた電極へ印加される。放電、またはプラズマ励起
電流は光学空洞において逆極性にされた電極間に、イオ
ン化された気体の流れを作り出す。このプラズマ流はリ
ンクレーザジャイロにバイアスを誘起しようとするとい
うどとは古くから知られていることである。それゆえに
、直流電流励起を用いるレーザジャイロには、典型的に
は、均衡の保たれた電極構造が設けられており、その電
極構造においては、一方極性の２個の電極が逆極性の１
個の電極のまわりに対称的に配置される。この構造によ
つて、２個の等しくて逆のプラズマ励起電流が流れるよ
うにされ、それらのバイアスがそれによつて打ち消され
るようにされている。プラズマ励起電流を持続するため
の電気的な励起は、そのような励起電流を動的に不均衡
にするような方法で、電圧を変化させる電源から得られ
ることができるということが知られている。

ジヤイロ出力における動的に変化するバイアス、すなわ
ち、デイザーはそれによつて誘起される。しかしながら
、プラズマ励起電流の動的に変化する不平衡を用いるこ
とによつて得られることができるデイザーの最大量は、
このアプローチについてはあまりにも小さいため、現実
的に興味あるものではない。プラズマをより活発にポン
ピングすることを含むリングレーザジヤイロをバイアス
するための方法が、１９７３年７月１０田こ発行された
アメリ力合衆国特許第３７４４９０８号に開示されてい
る。

レーザ利得部分に隣接して位置決めされる線形誘起モー
タは単方向にイオン化された気体をポンピングする。２
個の互いに逆方向に進むビームのための見かけの屈折率
は、それによつてロツクインを回避するのに十分な量だ
け異なるようにされている。

この方法は多量のエネルギを用いるようである。電磁石
構造であるため、全体的な重さが増大する。さらに、単
方向バイアスが誘起されるような方法においては、シス
テマチツクなエラーの打ち消しはできない。発明の概要 この発明によつて、上述した先行技術の欠点が克服され
、かつ、リングレーザジヤイロの利得部分においてイオ
ン化された気体の釣り合いのとれた流れに重畳して、比
較的大きな振動の流れを誘起するためのより効率的な機
構的手段が設けられる。

ジヤイロの出力はそれによつてモードロツキングの効果
を少なくするようにデイザーを与えられる。この発明の
好ましい実施例においては、１対の閉端の、互いに間隔
を隔てたべローがレーザ利得部分にレーザジヤイロの容
器の上に設けられる。

各べローはレーザ光学空洞の体積を局部的に拡大したり
収縮するように延びたり引込められたりすることができ
る。往復運動するようにされたドライバアームが前記１
対のべローへ結合されて、光学空洞の利得部分の内径に
沿つて、動的に変化する圧力差を作るようにプツシユプ
ル態様にそれらを作動する。ジヤイロをアンロツクする
周波数に対するこの発明のアプローチは、構造的にも簡
単であり、軽量であり、小型化でき、かつ比較的低価格
でできるという利点を有する。

また、電力消費も比較的少なくて済む。可聴ノイズレベ
ルおよび振動レべルが低い。反射および散乱を生じるか
もしれない材料の境界が、光学経路へ加えられるために
何ら必要とされない。気体は光学空洞を前後に流れるの
で、熱傾斜を少なくしようとする。これによつて、本体
デイザーで達成されることができるよりも低い温度バイ
アス感受性を提供することができる。したがつて、この
発明の主たる目的は、リングレーザにおいて周波数ロツ
キングする効果を少なくするための新規で改良された手
段を提供することである。

この発明の一局面によれば、リングレーザジヤイロのプ
ラズマをポンピングするための機構的な手段が提供され
、ジヤイロ出力の動的に変化するバイアスを発生し、か
つその結果生じる振動的な気体の流れによるモードロツ
キングの効果を減少させることができる。

好ましい実施例の説明 第１図はこの発明によるリングレーザジヤイロの平面図
である。

第１図を参照して、本体１２を有するリングレーザジヤ
イロスコープ１０が示されている。この本体１２は、好
ましくは、低熱膨張率を有する光学ガラスからなる。本
体１２の通路または内径１４，１６および１８はコヒー
レン卜光ビームを逆伝播するための閉多角形空洞１９を
形成する。内径１４，１６および１８の各々の端のコー
ナミラ−２０，２２および２４は光ビームを光学経路の
各継続している脚上へ反射する。コーナミラ−２４は、
循環する光エネルギの一部に対し出口を与えるため、部
分的に透過的に作られている。時計方向に循環する光ビ
ームのエネルギのいくらかはミラ−２４を介して光学空
洞１９を出て、光検出器２６へ直接突き当たる。反時計
方向に循環する光ビームのエネルギのいくらかはミラー
２４を介して光学空洞１９を出て、最初にコーナキユー
ブ反射器２８に当たる。その後、ミラー２４へ反射され
、次いで光検出器２６上へ反射され、そこで、時計方向
に循環している光ビームからのエネルギと混合される。
２つの互いに逆方向に伝播する光ビームからのエネルギ
の混合は次いで光検出器２６において検出されて、ジヤ
イロ１０の回転速さの測定である出力信号を与える。

ベース１２は光学空洞１９において低圧下の気体を含む
密封された容器を形成する。

レーザ１０のための適当な気体はヘリウムおよびネオン
の周知の混合物である。プラズマ励起およびレーザ化の
ための電気的な放電が気体において維持されるようにす
るため、電極は光学空洞１９と連通するように配置され
る。適当な金属からなる１個の中央に配置された陰極３
０が通路３２を介して内径１８と連通する。同様に、陽
極３６が内径１４と連通し、もう１つの陽極３８が内径
１６と連通する。陽極３６および３８は光学経路１９上
の場所にある陰極３０のまわりで対称的に配置される。
前記光学経路１９上の場所は、全体の光学空洞の長さに
対してレーザの利得部分のための所望の長さを与えるよ
うに選択される。レーザ利得部分は光学空洞１９の一部
であり、その光学空洞１９の一部において、電極３０，
３６および３８は、付勢されるときに、イオン化された
気体、またはプラズマの放電を維持する。平衡された電
圧が陽極３６および３８ならびに陰極３０間に印加され
て、実質的に等しや、それゆえに、平衡された、レーザ
利得部分に流れるプラズマ励起電流を与える。陽極３６
および３８は電極として働く構造であつてもよい。しか
しながら、好ましい実施例においては、陽極３６および
３８は適当な金属からなるフレキシブルなベロ一として
形成される。ベロ一３６および３８はレーザ利得部分に
おいてガスの流れを与えるように動的に曲がるようにさ
れている。それらはベロードライバアーム４０を介して
互いに機構的にリンクされている。振動的な運動または
往復運動がピエゾバイモルフドライバ４２によつてドラ
イバアーム４０へ与えられる。もちろん、ベカ一３６お
よび３８が電極として機能しない構造として構成される
ときは、電極として働く他の特定の構造に対して任意の
運動を与える必要はない。ドライバ４２はまたコーナキ
ユーブドライバリンク４４を介してポスト４６へ接続さ
れる。このポスト４６の上にはコーナキユーブ反射器２
８が設けられる。これらの相互関係を示す部分の機能を
第２図により明瞭に示す。第２図は矢印方向に見た第１
図の線２−２で切り取られたジヤイロスコープの断面図
である。

第２図を参照して、レーザジャイロ１０の本体１２には
、光学空洞１９と連通する井戸４８および５０が設けら
れる。井戸４８は内径１４と直接連通する通路４９を含
み、他方、井戸５０は内径１６と直接連通する通路５１
を含む。ベロ一３６は井戸４８に配置される。ベロ一３
６は端部プレートまたはダイアフラム５２を有し、この
ダイアフラム５２はその下方端を横切つて密封されその
下方端を閉じている。ベロ一３６およびダイアフラム５
２は、外部の環境から密封された光学空洞１９を維持す
るような方法で、互いにかつレーザ本体１２へ取付けら
れる。同様に、井戸５０において、その下方端を閉じる
ベロ一３８およびダイアフラム５４は、外部環境から光
学空洞１９を密封する容器の一部を形成するような方法
で、相互にかつレーザ本体１２へ取付けられる。閉じら
れた端部ベロ一３６および３８が各々配置されて、レー
ザ１０の光学経路からかつその光学経路の外側に変位さ
れるように配置される。ダイアフラム５２および５４の
各々は、ベロードライバアーム４０の対向している延長
部５３および５５とそれぞれ係合され、そのため、曲が
つた両端矢印５８によつて示されるように、ドライバア
ーム湾曲部５６のまわりのドライバアーム４０の往復運
動回動は２個の閉端ベカ一３６および３８のプツシユー
プル運動を生じる。

ベロードライバ４０が反時計方向に回転されるとき、ベ
ロ一３８が引伸ばされダイアフラム５４が気体を光学空
洞１９へ押しやる。同時に、ベロ一３６が引込められる
ので、ダイアフラム５２は光学空洞．１９から気体を引
く。逆に、ベロードライバアーム４０が時計方向に回転
されると、ベロ一３６が引伸ばされ、ダイアフラム５２
は気体を光学空洞１９へ押しやる。同時にベロ一３８が
引込められるので、ダイアフラム５４は光学空洞１９か
ら気体を引く。このように、ベロードライバアーム４０
が動的に前後に振動されるとき、ベロ一３６および３８
と組合わさつてダイアフラム５２および５４がそれぞれ
、プツシユープルに作動する機構的なポンプとして機能
し、レーザ１０の光学空洞に沿つて圧力差を動的に変化
させ、かつ、その中の気体の振動的なかつ動的に往復運
動する流れを発生する。レーザ利得部分のプラズマの振
動的な流れはリンクレーザジャイロ１０の出力において
振動的付勢またはデイザ一を発生する。利得部分におけ
るイオン化された気体は十分な振幅の振動流を与えられ
てビームの周波数変調の所望レベルを発生する。

１００Ｈｚの周波数で８０ｄｙｎｅ／Ｃｒｌの、各ベロ
一で容易に達成可能な圧力変動振幅は、少なくとも３０
０の変調率を生じる。

この変調率では、有効なロツク速さが０．１ｄｅｇ／ｈ
以下に減少される。この性能は正弦曲線デイザ一にラン
ダムなデイザ一を重ね合わせることによつてさらに改良
される。多種多様な方法がベロードライバアーム４０に
おいて必要な回転振動または往復運動を発生するために
知られている。

上述したように、好ましい技術はドライバアーム４０に
係合されるピエゾバイモルフドライバ４２を用いている
。ピエゾバイモルフドライバは当該技術分野において周
知である。それらは薄板を形成することによつて製作さ
れ、その薄板は圧電器材料からなる２層と、その２層の
圧電器層間に介挿される電極材料の中間層とを含む。電
極材料の層はまたその薄板の外側表面上に設けらる。電
圧が中間電極と２個の外側電極との間に印加されると、
薄板は圧電器材料の１層が縮むので湾曲し、他方が延び
る。電圧が逆転すれば、バイモルフが反対方向に曲がる
。好ましい実施例において、ドライバ４２の各外側電極
は２個の別々の電極として形成され、そのためドライバ
の各側は他の側へ印加された電圧とともに１８０゜逆相
の電圧で付勢されることができる。このように付勢され
ると、ドライバ４２の湾曲は第２図の点線６０によつて
示すようなＳ曲線に追従することになる。バイモルフド
ライバ４２およびドライバアーム４０は６６で示される
それらの中心で互いに圧し合つている。

バイモルフドライバ４２は、２個の横方向に移動し得る
取付ポスト６２および６４によつてベース１２へ取付け
られる。両方向に設けられた矢印５８によつて示される
ように、その横方向に動き得る中央に配置された湾曲部
５６のまわりのベロードライバアーム５０の振動方向は
、上述した態様で交流電圧がドライバ電極（図示せず）
へ印加されると″きに発生される。バイモルフドライバ
４２の構造的な詳細は第２図には図示されていない。同
様な、しかしより丁寧な装置は、本願発明の発明者Ｓ．
Ｇ．Ｓｈｕｔｔに対して１９７８年９日１２田こ発行さ
れたアメリカ合衆国特許第４１１３３８７号に開示され
ている。バイモルフドライバ４２はコーナキユーブドラ
イバリンク４４を介してポスト４６へ結合されて示され
ている。ドライバアーム４０が振動するので、コーナキ
ユーブドライバリンク４４はポスト４６をベース１２方
向へ弓く。ポスト４６は両端矢印６８によつて示される
ようにその底部近くの点のまわりを回動するようにされ
ている。第１図に示されるように、コーナキユーブ２８
はポスト４６に取付けられている。コーナキユーブ４８
は第２図には示されていない。このように、レーザ利得
部分において気体へ与えられたデイザ一に対して同期さ
れる往復運動で、ベース１２方向へコーナキユーブ２８
を引くための手段が設けられる。補償するドプラ周波数
ドリフトがそれによつてレーザ出力ビームにおいて誘起
され、そのビームはコーナ反射器２８に突き当たる。こ
のドブラシフトの振幅は、影響を受けたビームが他のビ
ームと混合されるとき、気体の流れの振動によつて誘起
されるデイザーバイアス信号がジヤイロ出力に現われな
いように調節される。このアプローチは機構的な本体を
デイザ一するリンクレーザジャイロに用いられるアプロ
ーチに類似しており、そこにおいて、デイザーバイアス
信号は、典型的には、動的に変化する経路上に出てくる
光ビームと反応する定置コーナキユーブを用いることに
よつて除去される。この発明を詳細に開示し図解したが
、これは単に図解および例示のみであり、限定するもの
ととられるべきでないということを明らかに・理解され
たい。この発明の精神および範囲は前掲の特許請求の範
囲の用語によつてのみ限定されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明によるリンクレーザジャイロの平面図
である。 第２図は矢印方向に見た第１図の線２−２で切取られた
ジヤイロスコープの断面図である。図において、１０は
リンクレーザジャイロスコープ、１２は本体、１４，１
６および１８は通路、１９は空洞、２０，２２および２
４はコーナミラー、２６は光検出器、２８はコーナキユ
ーブ反射器、３０は陰極、３６および３８は陽極、４０
はベロードライバアーム、４２はピエゾバイモルフドラ
イバ、４８および５０は井戸、５２および５４はダイア
フラムを示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ リングレーザジャイロであつて活性気体を含む、光
   学共振空洞のための容器と、前記活性気体媒体において
   放電を達成し、それによつて前気光学共振空洞において
   逆伝播する１対の光ビームを励起するための電気的に付
   勢可能な電極手段とを備え、前記光ビームはモードロッ
   クを示そうとするものであり、前記光学共振空洞におい
   て前記活性気体媒体の振動する流れを誘起し、それによ
   つてモードロッキング効果を少なくするようにするため
   の機構的な手段と、前記光ビームの周波数の差を測定す
   ることによつて前記ジャイロのための出力信号を発生す
   るための手段とを備えた、リングレーザジャイロ。 ２ 振動する流れを誘起するための前記機構的な手段は
   、前記光学空洞の体積を局部的に大きくしかつ収縮させ
   るため前記容器に設けられるフレキシブルな手段と、前
   記フレキシブルな手段を引伸ばしたり引込めたりするた
   めの手段とを含む、特許請求の範囲第１項記載のリング
   レーザジャイロ。 ３ 前記フレキシブルな手段は互いに間隔の隔てられた
   １対の閉端ベローを含む、特許請求の範囲第２項記載の
   リングレーザジャイロ。 ４ 前記引伸ばしたり引込めたりするための手段は前記
   １対のベローに結合されたドライバアームを備え、かつ
   前記ドライバアームはプッシュ−プル態様で前記１対の
   ベローを引伸ばしたり引込めたりするように構成される
   、特許請求の範囲第３項記載のリングレーザジャイロ。 ５ 往復運動を前記ドライバアームへ与えるためのピエ
   ゾバイモルフ手段をさらに備えた、特許請求の範囲第４
   項記載のリングレーザジャイロ。 ６ 前記光学空洞と前記出力信号発生手段との間に介挿
   される出力ビーム反射器をさらに備え、前記出力ビーム
   反射器は、前記光ビームのうちの１つからの光が前記光
   学空洞を出た後それを遮蔽し、かつそれを、出力信号を
   発生するための前記手段へ再び方向づけるために取付け
   られており、かつ前記ピエゾバイモルフ手段へ結合され
   て、前記出力信号におけるディザーによる変動を少なく
   するため前記出力ビーム反射器へ往復運動を与えるため
   の手段をさらに備え、前記出力ビーム反射器へ与えられ
   た前記運動は前記ドライバアームへ与えられた運動と同
   期している、特許請求の範囲第５項記載のリングレーザ
   ジャイロ。