JP4714618B2 - ディザースプリング及びリングレーザジャイロ - Google Patents

Description

この発明はリングレーザジャイロにおいて、低入力角速度時のロックイン現象を回避するために、リングレーザジャイロのレーザ共振器を構成するブロック（ジャイロ本体ブロック）に装着されて、ブロックに常時角振動を印加するディザースプリングに関する。

リングレーザジャイロのレーザ共振器を構成するブロックは極めて高い温度安定性が要求され、線膨張係数がほぼ零に近い（０．０５×１０^−６／℃）特殊ガラスによって一般に構成されている。これに対し、ディザースプリングを構成する材料にも温度安定性が要求されるものの、振動発生構造上、構造材として金属を用いており、金属製のディザースプリングに励振用の圧電素子を貼り付けることによりディザースプリングが角振動するものとなっている。ディザースプリングを構成する金属材料には一般にスーパーインバーが使用されている。

スーパーインバーは金属材料の中でも最も線膨張係数が小さいものであるが、その線膨張係数は０．５×１０^−６／℃程度であって、ブロックの線膨張係数と比べて一桁高い。従って、ブロックに形成された取り付け穴に嵌め込まれて装着されるディザースプリングの取り付け構造において、ブロックとディザースプリングの線膨張係数の差により温度変化時に応力（熱応力）が発生し、この応力によってブロックが歪み、リングレーザジャイロの性能が劣化するといった問題があった。
このような問題に対して、温度変化時にディザースプリングによりブロックに加わる応力を低減できる（緩和できる）ようにした構成が特許文献１に記載されている。

特許文献１ではブロックの取り付け穴に接するディザースプリングの円環状外縁部を３つの円弧状部分に分け、つまり３つの円弧状部分に分割してそれらの間に空隙を設けることにより、温度変化時に円弧状部分の周方向長さが変化することを可能にし、さらに円弧状部分の外周面に、ブロックの取り付け穴との間に空隙を構成する切り欠きを設けることにより、温度変化時にリード（円弧状部分から半径方向に伸長されている可撓性部材）の長さが変化することを可能にし、これら構成により、温度変化時にブロックに加わる応力を低減できるようにしている。
特表２００２−５００３６８号公報

しかるに、上述した特許文献１に記載されている構成では、温度変化時にブロックに加わる応力を一応低減できるものの、円弧状部分のブロックの取り付け穴に接している部分の外径は温度変化による膨張・収縮によって変化するため、このブロックとの接合部分において応力が発生することは避けられず、よって応力によるリングレーザジャイロの性能劣化を完全に防止することはできず、その点で性能劣化防止効果は不充分なものとなっていた。
この発明の目的はこの問題に鑑み、温度が変化してもリングレーザジャイロのブロックの取り付け穴と接する部分の外径が変化しないようにし、つまりブロックに加わる応力が発生しないようにして、応力によるリングレーザジャイロの性能劣化を完全に防止できるようにしたディザースプリングを提供することにある。

請求項１の発明によれば、リングレーザジャイロのレーザ共振器を構成するブロックを角振動させるために、ブロックの取り付け穴に装着されるディザースプリングは、底板と、その底板上に放射状に配置された複数の基部と、それら基部にそれぞれ接合されて支持された複数の振動部とを具備し、振動部は上記取り付け穴に内接する円弧状外周部と、その外周部の周方向中央から円弧の中心に向って伸長された振動梁とよりなり、基部は振動梁の内端と接合される接合部と、その接合部から上記外周部に向って延長されて振動梁の周方向両側に位置する一対の延長部とよりなり、それら延長部の延長端側において底板と固定されており、上記中心を中心とする上記延長部と底板の固定点の半径をＬ_１とし、振動梁と接合部の接合点の半径と上記Ｌ_１との差をＬ_２とし、上記外周部の外面の半径と上記接合点の半径との差をＬ_３とし、底板、基部及び振動部の線膨張係数をそれぞれα_１，α_２，α_３とした時、これらが
Ｌ_１α_１＋Ｌ_３α_３＝Ｌ_２α_２
を満たすように選定されているものとされる。

請求項２の発明では請求項１の発明において、底板がリングレーザジャイロの筐体の底板とされる。
請求項３の発明によれば、リングレーザジャイロは請求項１又は２記載のディザースプリングを具備するものとされる。

この発明によるディザースプリングによれば、温度が変化してもリングレーザジャイロのブロックの取り付け穴に内接する外周部の外径は変化せず、つまり温度が変化してもブロックに応力が加わることのないようにされており、よって温度変化による応力（熱応力）に起因するリングレーザジャイロの性能劣化を完全に防止でき、リングレーザジャイロの性能向上に寄与することができる。
また、この発明によるリングレーザジャイロによれば、優れた温度安定性を実現でき、その点で性能向上を図ることができる。

この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１はこの発明によるディザースプリングの一実施例の構成を示したものであり、この例ではディザースプリングは底板１０と３つの基部２０と３つの振動部３０とを具備するものとされる。
底板１０は円板状をなし、この底板１０上に３つの基部２０が等角間隔で底板１０の中心Ｃに対して放射状に配置されて固定され、これら基部２０に振動部３０がそれぞれ接合されて支持された構造となっている。

振動部３０はリングレーザジャイロのレーザ共振器を構成するブロックに形成されている取り付け穴に内接して取り付けられる円弧状外周部３１と、その外周部３１の周方向中央から外周部３１の円弧の中心に向かって伸長された振動梁３２とよりなり、３つの振動部３０の外周部３１は互いに空隙を介して離間されている。なお、外周部３１の円弧の中心は底板１０の中心Ｃと一致されている。
基部２０は振動梁３２の内端と接合される接合部２１と、その接合部２１の両端からそれぞれ振動部３０の外周部３１に向って延長されて、接合部２１に接合されている振動梁３２の周方向両側に位置する一対の延長部２２とよりなる。延長部２２は中心Ｃに対して半径方向に延長され、幅狭の扇形をなすものとされている。

両延長部２２の延長端側における底板１０と対向する面にはそれぞれ取り付け用の脚部２３が突出形成されており、これら脚部２３が底板１０上に搭載される。脚部２３が形成されている部分にはねじ用のざぐり穴２４が形成されており、基部２０はねじ４０により底板１０にねじ止め固定される。図１中、１１は底板１０に形成されているねじ穴（めねじ）を示す。ねじ止めの際、より強固に固定するためにねじ穴１１にヘリサートを挿入するようにしてもよい。なお、図１Ｂにおいてはねじ４０の図示は省略している。
底板１０、基部２０及び振動部３０はそれぞれ金属製とされ、振動部３０の振動梁３２と基部２０の接合部２１との接合にはレーザ溶接やスポット溶接、抵抗溶接等が用いられる。

上記のような構成を有するディザースプリングに対し、圧電素子５０は図１Ａに示したように各振動梁３２の両面に貼り付けられて配置され、これら圧電素子５０を駆動することにより振動梁３２が撓み、外周部３１が中心Ｃ回りに角振動するものとなる。なお、図１Ｂ中、６０はリングレーザジャイロの筐体の底板を示し、ディザースプリングはその底板１０がリングレーザジャイロ筐体の底板６０にねじ止め固定されて搭載される。底板１０には底板６０への取り付け用の取り付け穴１２がこの例では３つ形成されており、底板６０には図１Ｂに示したようにねじ穴６１が形成されている。

この例では上述した構成において、底板１０、基部２０及び振動部３０の線膨張係数をそれぞれ選定し、さらに基部２０の底板１０に対する固定位置及び基部２０、振動部３０の各寸法を選定することにより、温度が変化しても外周部３１の外径が変化しないようにする。以下、この点について図２を参照して説明する。
図２に示したように延長部２２と底板１０との固定点（ねじ穴１１の中心）を点Ｐとし、振動梁３２と接合部２１の接合点を点Ｑとし、外周部３１の外周面位置を点Ｒとする。点Ｐ，Ｑはそれぞれ一箇所のみ代表して示している。そして、中心Ｃを中心とする点Ｐの半径をＬ_１とし、点Ｑの半径とＬ_１との差をＬ_２とし、点Ｒの半径ｒと点Ｑの半径との差をＬ_３とする。図２Ｂはこれらの関係を示している。

一方、底板１０、基部２０及び振動部３０の線膨張係数をそれぞれα_１，α_２，α_３とし、今、温度がＴからＴ＋ΔＴに変化したとする。温度変化ΔＴによる点Ｒの半径（外周部３１の半径）ｒの変化Δｒは底板１０の長さＬ_１の変化ΔＬ_１、基部２０の長さＬ_２の変化ΔＬ_２、振動部３０の長さＬ_３の変化ΔＬ_３を用いて、
Δｒ＝ΔＬ_１−ΔＬ_２＋ΔＬ_３
で表わされる。ΔＬ_１，ΔＬ_２，ΔＬ_３は、
ΔＬ_１＝Ｌ_１α_１ΔＴ
ΔＬ_２＝Ｌ_２α_２ΔＴ
ΔＬ_３＝Ｌ_３α_３ΔＴ
で表わされ、従って、Δｒは
Δｒ＝ΔＴ（Ｌ_１α_１＋Ｌ_３α_３−Ｌ_２α_２） …（１）
となる。なお、図２ＢにおけるＬ_１，Ｌ_２，Ｌ_３の矢印の向きは熱膨張によって長さが延びる方向を示している。

式（１）より
Ｌ_１α_１＋Ｌ_３α_３＝Ｌ_２α_２ …（２）
の時、Δｒ＝０となり、温度が変化しても外周部３１の外径は変わらないものとなる。従って、Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３及びα_１，α_２，α_３を式（２）を満たすように選定すれば、温度が変化しても外周部３１の外径が変化せず、よってリングレーザジャイロのブロックに対して応力が加わらないようにすることができ、温度変化によるリングレーザジャイロの性能劣化を完全に防止できるものとなる。

次に、Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３及びα_１，α_２，α_３の具体的数値例について説明する。
ここでは、まず、底板１０、基部２０及び振動部３０の構成材料を下記のように選定する。
底 板：インバー（ＭＡ−ＩＮＶ３６，三菱マテリアル（株）製）
線膨張係数α_１＝２×１０^−６／℃
基 部：コバール（ＭＡ−Ｆ１５ＫＶ，三菱マテリアル（株）製）
線膨張係数α_２＝５×１０^−６／℃
振動部：スーパーインバー（ＭＡ−Ｓ−ＩＮＶＥＲ，三菱マテリアル（株）製）
線膨張係数α_３＝１×１０^−６／℃
これら材料の線膨張係数を式（２）に代入すると、
２Ｌ_１＋Ｌ_３＝５Ｌ_２ …（３）
という関係式が得られる。Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３はこの式（３）を満たすように選定され、一例を示せば、
Ｌ_１＝１０ｍｍ，Ｌ_２＝６ｍｍ，Ｌ_３＝１０ｍｍ
となる。この場合、ディザースプリングの外周部３１の外径はφ２８ｍｍとなる。

以上、ディザースプリングが底板１０を具備する構成について説明したが、底板１０がなく、リングレーザジャイロの筐体の底板６０が底板１０を兼ねる構成とすることもできる。この場合、３つの基部２０は底板６０にねじ止め固定される。以下、底板がリングレーザジャイロの筐体の底板６０である場合の具体的数値例について説明する。
底板６０、基部２０及び振動部３０の構成材料はこの場合、例えば下記のように選定される。
底 板：コバール（ＭＡ−Ｆ１５ＫＶ，三菱マテリアル（株）製）
線膨張係数α_１＝５×１０^−６／℃
基 部：ＳＵＳ３０４
線膨張係数α_２＝１７．３×１０^−６／℃
振動部：スーパーインバー（ＭＡ−Ｓ−ＩＮＶＥＲ，三菱マテリアル（株）製）
線膨張係数α_３＝１×１０^−６／℃
これら材料の線膨張係数を式（２）に代入すると、
５Ｌ_１＋Ｌ_３＝１７．３Ｌ_２ …（４）
という関係式が得られる。Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３はこの式（４）を満たすように選定され、一例を示せば、
Ｌ_１＝１０ｍｍ，Ｌ_２＝３．３ｍｍ，Ｌ_３＝７ｍｍ
となる。この場合、ディザースプリングの外周部３１の外径はφ２７．４ｍｍとなる。

なお、リングレーザジャイロが上述したようなディザースプリングを具備する構成とすることにより、温度変化によって性能が劣化せず、優れた温度安定性を有するリングレーザジャイロを得ることができる。

この発明によるディザースプリングの一実施例の構成を説明するための図、Ａは平面図、Ｂは側面図。 図１における各部の長さ関係及び熱膨張方向を説明するための図。

Claims (3)

1. リングレーザジャイロのレーザ共振器を構成するブロックを角振動させるために、ブロックの取り付け穴に装着されるディザースプリングであって、
   底板と、
   その底板上に放射状に配置された複数の基部と、
   それら基部にそれぞれ接合されて支持された複数の振動部とを具備し、
   上記振動部は上記取り付け穴に内接する円弧状外周部と、その外周部の周方向中央から円弧の中心に向って伸長された振動梁とよりなり、
   上記基部は上記振動梁の内端と接合される接合部と、その接合部から上記外周部に向って延長されて上記振動梁の周方向両側に位置する一対の延長部とよりなり、それら延長部の延長端側において上記底板と固定されており、
   上記中心を中心とする上記延長部と底板の固定点の半径をＬ_１とし、上記振動梁と接合部の接合点の半径と上記Ｌ_１との差をＬ_２とし、上記外周部の外面の半径と上記接合点の半径との差をＬ_３とし、上記底板、基部及び振動部の線膨張係数をそれぞれα_１，α_２，α_３とした時、これらが
   Ｌ_１α_１＋Ｌ_３α_３＝Ｌ_２α_２
   を満たすように選定されていることを特徴とするディザースプリング。
2. 請求項１記載のディザースプリングにおいて、
   上記底板がリングレーザジャイロの筐体の底板であることを特徴とするディザースプリング。
3. 請求項１又は２記載のディザースプリングを具備することを特徴とするリングレーザジャイロ。

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