JPS61263291A - レ−ザ角速度センサの読出し装置 - 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】 °　　　〔利用分野〕 本発明はリングレーザ角速度センサの読出しに関するも
のである。

〔従来技術Ｊ リングレーザ角速度センサの例が、本願出願人が所有す
る米国特許第３．３７３，６５０号および第３　、３９
０　、６０６号の各明細書に記載されている。それらの
七ンブは、複数の反射鏡を含む閉ループ光路に沿って進
む一対の互いに逆向きに伝わるレーザビームを含む。有
用な情報を得るために、互いに逆向きに伝わるレーザビ
ームの低い割合の部分が１枚の反射鏡を透過することを
許てれる。光ビームはプリズムを通でれる。それらのプ
リズムは光ビームを僅かに異なる角度で組合わせること
により、フォトダイオードのような光検出器を２個含ん
でいる表面上に光のしまパターンを形成する。

各光検出器は個々のしまよシはるかに小さい。読出され
た出力信号の位相が直角であるように、光検出器は通常
はじまの間隔の４分の１だけ通常隔てられる。リングレ
ーザがそれの入力軸線を中心として回転させられると、
互いに逆向きに伝わるビームの周波数がわずかに変化す
る。すなわち、一方のビームの周波数が高くな）、他方
のビームの周波数が低くなる。ビーム周波数が異なるこ
とによυうなり周波数が発生される。光検出器を横切る
じまの数をかぞえるために、光検出器の出力が論理回路
へ与えられる。各光検出器を通るじまの数はセンプの各
角度回転に直接関連する。２つの光検出器の出力信号を
比較して七ンプの回転の向きを確かめる。

読出し装置のプリズム光学系は、干渉じまパターンを直
接形成するビームの間の角度と、じまの間隔を決定する
。先行技術においては、プリズムの光学系によりビーム
の間の角度は２５弧秒（ａｒｃｓｅｃｏｎｄ）台となり
、１本だけのしまを発生する。

じまの間隔の幅より狭い感光面積を有する２個の光検出
器が使用される。それら２個の光検出器はじまの間隔の
約４分の１の幅だけ隔てられる。この構成を正確に達成
するためには、しまパターンを発生するビームの間の角
度を不妊な誤差で保たなければならない。

〔発明の概要〕

リングレーザ角速度センサの干渉じまパターンのインテ
ンシテイすなわち強度をモニタするために２個の光検出
器が配置される。各光検出器は、複数の感光領域と非感
光領域の１つの周期的パターンを部分的に形成する。光
検出器の感光領域の周期的なパターンは、パターンの周
期性の方向に平行なパターン軸線を有する。そのパター
ン軸線は光のしまに対して所定の角度を成す。パターン
の軸線とじまの間の角度は、七ンブの回転が存在する時
に、位相が互いに異なる光検出器強度出力信号を発生す
るように選択される。本発明の読出し装置によシ、パタ
ーンの軸線とじまの間の角度の誤差を大きくとることが
でき、それにょシ、誤差が小堰い時の光学装置の価格よ
シ極めて安価な光学装置を使用できる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は、リングレーザ角速度センサ中の各レーザビー
ムの一部を組合わせるととＫよシ干渉じまパターンを発
生する光学装置を示す。第１図は、リングレーザ角速度
センサの閉ループ光路を部分的に定める反射面の１つの
みを示す。センプブロックは米国特許第３．３９０　、
６０６号明細書に記載されている種類のものである。

センサブロック１０には反射鏡／読出しプリズム１２が
固定される。この反射ｆＲ／読出しプリズム１２は光を
伝えるための基板１１０を含む。基板・１１０は第１の
主表面１１１を含む。この第１の主表面１１１は、それ
に入射するビームの大部分をビーム１５とは逆の向きに
反射式せるための半透明鏡１４を構成するために、適切
に研摩されて、光学的に被覆される。同様に、ブロック
１０の内部を互いに逆向きに伝わるレーザビームを得る
ように、反射鏡１４はビーム１５の大部分をビーム１６
の進む向きとは逆の向きに周知のやり方で反射する。

ビーム１５と１６の間の角度は、選択した閉ループ光路
、すなわち、三角形（６０度）、長方形（９０度）、等
に依存する。

基板１１０は、反射鏡の表面１８を得るために適切に研
磨および光学的に被覆された第２の表面１１５も含む。

ビーム１６のうち半透明鏡１４を通じて送られてきた部
分を反射するように、反射鏡１８は適切に設けられる。

反射鏡１８の表面に入射し、かつその表面から反射でれ
るビームの角度を選択するために、第２の表面１１５が
第１の表面１１１に対して選択された角度となるように
、基板１１０は構成される。入射ビームと反射ビームの
間の角度のことを「ビーム角度」と呼ぶことにする。

また、反射鏡１８から反射でれたビームは、ビーム１５
のうちの半透明鏡１４を透過した部分に対して小さい角
度を成して進むように、半透明鏡１４により反射式れる
。その小さい角度は前記「ビーム角度」にほぼ等しい。

ビーム１５のうちの半透明鏡１４を透過した部分と、ビ
ーム１６の二重に反射式れた部分は、透過面１１６上に
干渉しまパターンを形成するようにその透過面１１６に
到達する。

反射鏡１８の表面に入射したビームとその表面から反射
式れたビームの間の「ビーム角度」は、基板１１０の表
面１１６における干渉じまパターンをほぼ決定する。ビ
ーム角度が大きくなると、表面１１６における干渉しま
パターンのじまの間隔が狭くなる。先行技術においては
、入射ビームと反射ビームの間のビーム間隔は２５弧秒
のオーダーであシ、それによシじまの間隔が比較的広く
なる。

本発明においては、ロックインを避け、見分けることが
できる複数の干渉しまを発生させるために十分大きくす
るために、反射鏡１８から反射でれたビームをブロック
１０ヘビーム１６の向きとは逆の向きに進むことを最少
にするビーム角度を有することが望ましい。ビーム角度
が１〜６０弧分（ａｒｃ　ｍ１ｎｕｔｅ）　　のオーダ
ーでおる時にその基準は満される。２０〜４０弧分を選
択することにより、光検出器に対して比較的狭いスペー
ス内に妥当な数の干渉しまが得られる。これについては
後で説明する。

第１図には、第２の表面１１６を透過する干渉しまパタ
ーンに応答するために、その第２の表面１１６に結合さ
れる二重光検出器センｖ２５も示されている。ここで説
明している実施例においては、センサ２５は第２の表面
１１６に固着されているが、セン−７−２５は表面１１
６から空間的に引き離しておくことができ、しかも、表
面１１６を通じて送られる干渉しまパターンにいぜんと
して応答する。

本発明においては、各光検出器が標本化するしまパター
ンの空間部分を選択する手段として、１つのマスクパタ
ーンがセンサ２５の２個の光検出器の前に置かれる。じ
まの動く向きを測定するために、したがって回転の向き
を測定するために、干渉しまパターンに対してマスクは
傾斜させられる。この技術を用いることによシ、２個の
検出器信号の位相差が得られ、それから回転の向きを決
定するためにその位相差が利用でれる。

第２図には、基板２００上に、たとえば長方形感光領域
を有する第１の光検出器２０１を含む二重光検出器セン
ｆ２５が足場れている。また、第２図には、光検出器２
０１の長方形感光領域に類似する長方形感光領域を有す
る第２の光検出器２２１も示されている。それらの光検
出器２０１と２２１は互いに電気的に分ｄ−ｇれ、はぼ
等しい感光面積を有す゛ることか示されている。第２図
に示ぢれているように、感光領域は互いに対称的に隣接
する。

それら２個の光検出器は、じまの周期すなわち間隔λに
公称上等しい周期的な繰返えし周期「ｘ」を有する透明
な領域２０および非透明な領域２２よシ成る１つの周期
的なマスクパターンによシ覆われる。そのマスクパター
ンは光検出器２０１　、２２１を十分に覆うためのもの
であって、それにより各光検出器は同じ周期的なパター
ンの感光領域２０を有することになる。

周期的なマスクパターンには、パターンの周期性の方向
に平行なパターン軸線２６５が組合わされる。本発明に
おいては、周期的なマスクパターンのパターン軸線は、
干渉じまパターンに対しである選択でれた角度にする。

更に、パターンの軸線に垂直で、各光検出器の感光領域
を通る基準軸線２６６が存在するように、光検出器２０
１　、２２１が位置させられる。基準軸線は、光検出器
の向きとパターンを、干渉じまに対して幾何学的に定め
るために設定嘔れる。

第２図には、パターンの軸線に対して角度θで、干渉し
まパターンの強度対変位の輪郭も示されている。その輪
郭は基板１０の表面１１６上における強度（Ｉ）対変位
を示す。第２図には、周期的なマスクパターンに入射し
た干渉じまパターンの最高輝度部分と、最低輝度部分と
、半環高輝度部分が例示的に示されている。それらの部
分は二重実線、（単一）実線および破線でそれぞれ示さ
れている。

簡単にするために、マスクの領域における全ての空間的
な輝度変化は、基板１１０の表面１１６における出力ビ
ームの間の干渉のみに基づくものであると仮定する、す
なわち、個々の各ビームがマスクの全面にわたって一様
な輝度分布を有するものと仮定する。たとえば、最高輝
度輪郭（二重実線）上の全ての点の輝度は等しく、最低
輝度輪郭（実線）上の全ての点の輝度の輪郭は等しい、
等である。また、光検出器２０１は、マスクの下半分（
検出器のスプリット２１１の下側）の透明な領域を通っ
て送られる全ての光の輝度を標本化するとも仮定する。

同様に、光検出器２２１は、マスクの上半分の透明な領
域を通って送られる全ての光輝度を標本化する。

本発明により、センプの回転によ）引き起されるパター
ンの運動が存在する時に、２個の光検出器出力信号の位
相を直角にしようとするものである。これを行うために
は角度θは でなすればならない。ここに、Ｌは２個、の光検出器の
全幅である。

第３図は、センプの回転が存在する時の光検出器の直角
位相出力信号を示すものである。光検出器２０１で積分
される全パワーはほぼ最大にてれ、検出器２２１におい
て積分される全パワーはほぼ最大の半分であることに注
意すべきである。回転が存在する時の時間の関数として
、光検出器の出力信号が第３Ａ図および第３Ｂ図に示で
れている。第３Ａ図はしまが右へ動く場合を示し、第３
Ｂ図はしまが左へ動く場合を示す。しまが右へ動く場合
には、光検出器２０１の出力は光検出器２２１の出力よ
シタ０度だけ遅れる（−９０度の位相差で示されている
）。しまが左へ動く場合には、光検出器２０１の出力は
光検出器２２１の出力よ９９０度だけ進む（＋９０度の
位相差で示でれている）。したかって、しまが動く向き
は回転の向きに関連する。

先に説明したように、簡単にするために、マスクの拡が
シ全体にわたってビームの輝度の輪郭が一様であると仮
定した。原理的には、この技術はプラスマイナス１８０
度の位相差範囲を達成するために一般化できる。９０度
の位相差（または他の希望する任意の位相差）は輝度分
布に依存する。

たとえば、多くの実際的な場合には（ガウスビーム輪郭
を含む）、マスクの寸法と光検出器の寸法はビームのス
ポットの寸法と比較して大きい。それらの場合には、し
まパターンのエネルギーが光検出器のスプリット近くに
集中されると（ビームが光検出器のスプリット上にビー
ムが中心を置くと仮定する）、位相差を９０度にするた
めには角度θは一般に よシ大きくなければならない。

光検出器２０１　、２２１の出力信号は、それの干渉じ
まパターンにてらされる感光領域に入射する光の積分さ
れた強さを表す出力信号を発生することを認めるべきで
ある。それらの出力信号と接続手段は第１図には示され
ていない。周期的なマスクパターンがない時は、光検出
器２０１　、２２１の出力信号はほぼ等しい。しかし、
マスクされた黒い線２０と２２が適切な位置にあると、
２つの感光領域は、前記したように互いに位相が異なる
出力信号を生ずる。

第４図および第５図は、前記した目的の関数を得るため
に光検出器２０１　、２２ｔに便用できる周期的なマス
クパターンの別の例を示す。第４図において、三角状に
マスクされた不透明な領域が参照番号２２２で示てれ、
菱形の感光領域が参照番号２２σで示されている。同様
に、第５図には不透明な領域２２２＃と感光領域２２０
”を含む光検出器２０１　、２２１の多少正弦波状の周
期的なマスクパターンを有する別の構″成が示されてい
る。

第２図と同様に、第４図および第５図の周期的なマスク
パターンは光検出器の感光領域と干渉しまパターンの間
に配置される。前と同様に、位相外れの光検出器出力信
号を得るために、パターンの軸線は干渉しまに対して選
択でれた角度をなでねばならない。

第５図のパターンの下側に、第２図の光検出器２０１　
、２２１を表す輝度対距離の輪郭２４０が示されている
。この輪郭は、不透明な領域と透明な領域の周期的なマ
スクパターンの代９として、陰をつけられた部分２４１
０周期的なパターンより成る周期的なマスクパターンに
よシ得ることができる。前と同様に、周期的なパターン
のパターン軸線は、希望の位相外れ光検出器出力信号を
得るために、周期的パターンのパターン軸線は選択てれ
た角度でなければならない。

本発明に従って、光検出器の出力信号を、干渉じまの周
期的な動きの関数として周期的に変化させる任意の周期
的なマスクパターンは本発明の範囲内にある。

互いに位相が異なる一対の信号は、リングレーザ角速度
センサの読取シ装置の電子装置が角度回転速度と角度回
転の向きを周知のやυ方で決定するために十分である。

光検出器２０１　、２２１と、意図する出力を有する周
期的なマスクパターンとを有する二重光検出器セン−＋
７−２５は、各種の技術で製造できることを当業者は認
識すべきである。第２図に示てれている例は、各光検出
器の感光部が、マスつてれていないすなわち選択てれた
感光領域のみが入射光に応答するようにさせる材料でマ
スクされている例でおる。あるいは、得られる感光領域
は各光検出器のための感光部のたとえば曲夛くねりたパ
ターンとすることができる。更に、別の実施例は、半導
体中で相互に接続される複数の感光領域を含む半導体で
構成できる。

したがって、意図する機能を低コストで得ることができ
る二重光検出器センサ２５および反射鏡／読出し反射器
との多くの組合わせがおる。すなわち、二重光検出器上
ンプ２５は、意図する信号を得るために表面１１６へ接
着などにより光学的に接着できる集積回路で構成できる
。一方、表面１１６にマスクを設けるために表面１１６
を光学的に被覆でき、それからそのマスクの上に二重セ
ンサを光学的に接着できる。

以上説明した組合わせは、容易Ｋｔ列させることかでき
、かつ大きな許容誤差で、かつ大きな融通性をもって製
作できる一体の反射鏡／読出し反射器および二重光検出
器装置についてのものである。それらの要素を組合わせ
ることにょシ、リングレーザ角速度センサを低価格で軽
量のものを製作できる。

第１図に示す線図は、三角形レーザに通常関連するビー
ム角を示すものであるが、本発明の原理は４つの辺、５
つの辺などを含めて、３つの辺よシ多いリングレーザ角
速度センサにも応用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は干渉しまパターンを発生するリングレーザ読出
し装置の線図、第２図は本発明の二重光検出器読出しの
線図、第３Ａ図および第３Ｂ図は回転が存在する時の光
検出器の出力信号のグラフ、第４図は周期的マスクパタ
ーンの一例の正面図、第５図は周期的マスクパターンの
別の例の正面図でおる。 １０・・・・七ンプブロック、１２・・・・反射鏡／読
出しプリズム、１４・・・・半透明鏡、１８・・・・反
射鏡、２０・・・・透明な領域、２２・・・・不透明な
領域、２５・・・・二重光検出器センプ、１１０，２０
０・　・・基板、２０１　、２２１・・・・光検出器。 特許出願人　　ハネウェル・インコーポレーテツド復代
理人　山川政樹（＃ヒエ２名） Ｆｉｇ、　４

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）回転速度および回転の向きに依存して、周波数の
   変化を示す互いに逆向きに伝わるレーザビームを有する
   レーザ角速度センサの読出し装置において、 前記各ビームの一部を光学的に組合わせて、複数のしま
   を有する干渉じまパターンを形成する手段と、 入射した前記干渉じまの強度を表す出力信号を与えるた
   めに、感光領域の周期的なパターンを有する第１の感光
   手段と、 入射した前記干渉じまの強度を表す出力信号を与えるた
   めに、前記第１の感光手段とほぼ同一の周期的な感光領
   域パターンを有する第２の感光手段と を備え、前記しまに対してある選択された角度において
   、前記周期的なパターンの周期性の方向に平行なパター
   ン軸線が存在するように、かつ前記パターン軸線に垂直
   で、前記各感光手段の少くとも１つの感光領域を通る基
   準軸線が存在するように、前記第１の感光手段および前
   記第２の感光手段は前記干渉じまパターンに対して位置
   させられることを特徴とするレーザ角速度センサの読出
   し装置。
2. （２）回転速度および回転の向きに依存して周波数の変
   化を示す互いに逆向きに伝わるレーザビームを有するレ
   ーザ角速度センサの読出し装置において、 前記各ビームの一部を光学的に組合わせて、複数のしま
   を有する干渉じまパターンを発生する手段と、 前記しまパターンに応答して、それに入射する前記干渉
   じまパターンの任意の部分の強度を表す出力信号を与え
   る感光領域をそれぞれ有する第１の感光手段および第２
   の感光手段と、 前記第１の感光手段および前記第２の感光手段の部分を
   周期的なマスクパターンでマスキングする手段と を備え、前記周期的なマスクパターンには、周期的なパ
   ターンの周期性の方向に平行なパターン軸線が存在し、
   かつ前記周期的なマスクパターンは前記第１の感光手段
   と前記第２の感光手段および前記干渉じまパターンの間
   に配置され、 前記パターンに対して垂直で、前記第１の感光手段およ
   び前記第２の感光手段を通る基準軸線が存在するように
   、前記第１の感光手段および前記第２の感光手段は前記
   干渉じまパターンに対して位置させられ、前記パターン
   の軸線は前記しまに対して選択された角度にあることを
   特徴とするレーザ角速度センサの読出し装置。