JP5321940B2 - リングレーザジャイロの形成方法 - Google Patents

Description

本発明はリングレーザジャイロの形成方法に関し、詳細には角度センサに適用され、簡易な構成のリングレーザジャイロの構成に関する。

角速度センサは、カーナビゲーション、カメラの手振れ補正、ゲーム、航空機、ロケット、ロボットなど多くの分野に応用されている。角速度センサ（ジャイロ）には光学式ジャイロ、回転型ジャイロ、振動型ジャイロなどがある。そのうち、振動型ジャイロは、特許文献１などに記載されており、近年ＭＥＭＳ技術により、安価に生産されるようになってきている。これらは圧電力、静電力により、物体を振動させ、発生するコリオリ力を検出して角速度を検出するものである。ＭＥＭＳによる振動型ジャイロは小型で低コストであり、民生用機器に広く利用されるようになってきている。しかし、振動ジャイロはゼロ点オフセットが大きいため、絶対角度の検出には向かず、慣性航法に利用することは難しい。

また、航空機や潜水艦、ロケットなどに搭載されるような高精度な検出が必要な場合には、サニャック効果を用いた光ファイバジャイロやリングレーザジャイロが利用されている。光ファイバジャイロは特許文献２、特許文献３などに記載されている。光ファイバジャイロは、多数回巻かれた光ファイバーの両端面にレーザ光をスプリットして挿入する。巻いた面と垂直な軸方向を中心に角速度が加わると、分離された光に光路差が生じる。この光路差により分離された二つの光の間に位相差が生じる。この位相差を検出することにより、角速度を得るようになっている。しかし、この光ファイバジャイロは光の光路差を検出するためにファイバーを非常に長くする、つまり多く巻く必要があるため、温度変化に敏感であることが問題となる。

一方、リングレーザジャイロは複数のミラーによってリング状の光路をもつレーザ共振器を構成し、この光路中に時計回りと反時計回りのレーザを発振させ、両レーザ光の発振波長の差を検出して、角速度を検出するものである。しかし、このリングレーザジャイロも性能は良いが、比較的大きく、高価であるため一般民生用途に使用することは難しい。

そこで、ＭＥＭＳ技術により高精度な光ジャイロを容易にバッチ処理で形成する構成が特許文献４に提案されている。この特許文献４に提案されている光ジャイロはリングレーザジャイロの周回光路をシリコンの異方性エッチングを用いて形成されている。そのためより高精度な光ジャイロをバッチ処理で容易に形成することができる。しかし、特許文献４の光ジャイロは基板と平行な面に周回光路を形成しているため、１軸方向の検出しかできない。２軸方向の検出をするためには９０ｄｅｇ向きを変えてもう一つ配置する必要があり、装置が大型化してしまう。また、リソグラフィーなどでレンズを形成する場合、基板表面に平行な光に対してレーザ光をコリメートするのが難しいという問題があった。そこで、シリコン基板（１００）を積層し、異方性エッチングによるピラミッド状傾斜面を共振面として利用して、基板表面と垂直かつ互いに直交する二つの周回光路を形成し２軸方向の角速度を検出できるリングレーザジャイロが提案されている。
特開平１０−２２７６４４号公報 特公昭６２−３９８３６号公報 特公平２−６０１２７号公報 特許３，７５１，５５３号公報

しかしながら、上記リングレーザジャイロを構成する際、両周りの発振光の干渉縞を形成し、その動きを検出する必要があり、基板に垂直で直交した２方向の周回光路で発生した両周りのレーザ光を有効に取り出すためにはそれぞれの軸に三角形状のプリズムを配置する必要があったため構成が複雑になり、製作が困難であった。

本発明はこれらの問題点を解決するためのものであり、簡易な構成、かつ二軸方向の検出が可能である、リングレーザジャイロの形成方法を提供することを目的とする。

前記問題点を解決するために、干渉縞発生装置は、基準平面を有する基体と、基準平面に直交する方向へ、基準平面に対して平行に積層される１以上の基板と、光源と、基準平面に直交する方向へ、基準平面に対して平行に積層される平板状のプリズム基板とを有している。そして、プリズム基板の外周には発振したレーザ光を反射する反射膜が形成されている。また、基体及び／又は基板及び／又はプリズム基板には、光源からの光を反射する３以上の反射面が、基準平面に直交する平面内に該反射面の法線を有するように、かつ基準平面に平行又は所定角傾斜するように形成されている。更には、光源が平面内に光を放射するように配置され、光源から放射された光が３以上の反射面により平面内を順逆方向に周回してレーザ発振する周回光路を形成している。そして、プリズム基板の第１の反射面と、該第１の反射面に隣接する第２の反射面とのなす角が９０度からズレており、周回光路内で発振した順逆方向のレーザ光のそれぞれの一部が、平板状プリズムの入射面からプリズム基板に入射し、順逆方向のレーザ光のうちいずれか一方のレーザ光がプリズム基板の第１の反射面及び第２の反射面とを反射し、他方向のレーザ光に対して微小角度交叉した状態で重ね合わされて干渉縞を発生する。このような干渉縞を発生する干渉縞発生装置を有し、基準平面に直交する方向へ、基準面と平行に干渉縞の変化を検出する検出手段を有する検出基板が積層され、検出された干渉縞の変化に基づき角速度を演算する演算手段を有するリングレーザジャイロを形成するリングレーザジャイロの形成方法において、干渉縞発生装置を構成するプリズム基板の第１及び第２の端面は、リングレーザジャイロを構成する基板を積層接合した後、全体を基準表面に対して垂直から微小角度だけ斜めにダイシングして形成される。よって、干渉縞を形成するプリズムの傾斜端面を容易に、かつ低コストに形成することができる。

また、干渉縞発生装置は、基準平面を有する基体と、基準平面に直交する方向へ、基準平面に対して平行に積層される１以上の基板と、光源と、基準平面に直交する方向へ、基準平面に対して平行に積層される平板状のプリズム基板とを有している。そして、プリズム基板の外周には発振したレーザ光を反射する反射膜が形成されている。また、基体及び／又は基板及び／又はプリズム基板には、光源からの光を反射する３以上の反射面が、基準平面に直交すると共に互いに直交する２つの平面内に該反射面の法線を有するように、かつ基準平面に平行又は所定角傾斜するようにそれぞれ形成されている。更に、光源が第１の平面内及び第２の平面内に光を放射するように配置され、光源から放射された光が３以上の光源の反射面により第１の平面内を順逆方向に周回してレーザ発振する第１の周回光路を形成し、かつ光源から放射された光が３以上の前記光源の反射面により第２の平面内を順逆方向に周回してレーザ発振する第２の周回光路を形成している。そして、プリズム基板の第１の反射面と、該第１の反射面に隣接する第２の反射面とのなす角が９０度からズレており、周回光路内で発振した順逆方向のレーザ光のそれぞれの一部が、プリズム基板の入射面からプリズム基板に入射し、順逆方向のレーザ光のうちいずれか一方のレーザ光がプリズム基板の第１の反射面及び第２の反射面とを反射し、他方向のレーザ光に対して微小角度交叉した状態で重ね合わされて第１の干渉縞を発生する。更には、プリズム基板の第１の反射面及び第２の反射面に隣接する第３の反射面の法線が第２の周回光路を含む面内、かつ基準平面と平行な方向に対して微小角度傾斜し、第２の周回光路内で発振した順逆方向のレーザ光のそれぞれの一部が、プリズム基板と第１の周回光路が接する面から入射し、順逆方向のレーザ光のうちいずれか一方のレーザ光がプリズム基板の端面及び第１の周回光路と対向する面を反射し、他方向のレーザ光に対して微小角度で交叉した状態で重ね合わされて第２の干渉縞を発生する。このような干渉縞を発生する干渉縞発生装置を有し、基準平面に直交する方向へ、基準面と平行に干渉縞の変化を検出する検出手段を有する検出基板が積層され、検出された干渉縞の変化に基づき角速度を演算する演算手段を有するリングレーザジャイロを形成するリングレーザジャイロの形成方法において、干渉縞発生装置を構成するプリズム基板の第１及び第２の端面は、リングレーザジャイロを構成する基板を積層接合した後、全体を基準表面に対して垂直から微小角度だけ斜めにダイシングして形成される。よって、干渉縞を形成するプリズムの傾斜端面を容易に、かつ低コストに形成することができる。

更に、干渉縞発生装置は、基準平面を有する基体と、基準平面に直交する方向へ、基準平面に対して平行に積層される１以上の基板と、２つの光源と、基準平面に直交する方向へ、基準平面に対して平行に積層される平板状のプリズム基板とを有している。そして、プリズム基板の外周には発振したレーザ光を反射する反射膜が形成されている。また、基体及び／又は基板及び／又はプリズム基板には、各光源からの光を反射する３以上の反射面が、基準平面に直交すると共に互いに直交する２つの平面内に該反射面の法線を有するように、かつ基準平面に平行又は所定角傾斜するようにそれぞれ形成されている。更に、第１の光源が第１の平面内に光を放射するように配置され、かつ第２の光源が第２の平面内に光を放射するように配置され、第１の光源から放射された光が３以上の第１の光源用の反射面により第１の平面内を順逆方向に周回してレーザ発振する第１の周回光路を形成し、かつ第２の光源から放射された光が３以上の第２の光源用の反射面により第２の平面内を順逆方向に周回してレーザ発振する第２の周回光路を形成している。そして、プリズム基板の第１の反射面と、該第１の反射面に隣接する第２の反射面とのなす角が９０度からズレており、周回光路内で発振した順逆方向のレーザ光のそれぞれの一部が、プリズム基板の入射面からプリズム基板に入射し、順逆方向のレーザ光のうちいずれか一方のレーザ光がプリズム基板の第１の反射面及び第２の反射面とを反射し、他方向のレーザ光に対して微小角度交叉した状態で重ね合わされて第１の干渉縞を発生する。更には、プリズム基板の第１の反射面及び第２の反射面に隣接する第３の反射面の法線が第２の周回光路を含む面内、かつ基準平面と平行な方向に対して微小角度傾斜し、第２の周回光路内で発振した順逆方向のレーザ光のそれぞれの一部が、プリズム基板と第１の周回光路が接する面から入射し、順逆方向のレーザ光のうちいずれか一方のレーザ光がプリズム基板の端面及び第１の周回光路と対向する面を反射し、他方向のレーザ光に対して微小角度で交叉した状態で重ね合わされて第２の干渉縞を発生する。このような干渉縞を発生する干渉縞発生装置を有し、基準平面に直交する方向へ、基準面と平行に干渉縞の変化を検出する検出手段を有する検出基板が積層され、検出された干渉縞の変化に基づき角速度を演算する演算手段を有するリングレーザジャイロを形成するリングレーザジャイロの形成方法において、干渉縞発生装置を構成するプリズム基板の第１及び第２の端面は、リングレーザジャイロを構成する基板を積層接合した後、全体を基準表面に対して垂直から微小角度だけ斜めにダイシングして形成される。よって、干渉縞を形成するプリズムの傾斜端面を容易に、かつ低コストに形成することができる。

また、光源、第１の光源あるいは第２の光源はプリズム基板と周回光路を形成する基体又は基板の間に配置され、光源のプリズム基板側には、発振したレーザ光の大部分を反射し、一部を透過する反射透過膜が形成されている。よって、光源側に検出面を配置することで電気的な配線を一箇所に集中し、構成を簡単にすることができる。

更に、ダイシングされた端面が研磨加工されていることにより、反射率及び波面精度を向上することができる。

本発明のリングレーザジャイロの形成方法によれば、干渉縞発生装置を構成するプリズム基板の第１及び第２の端面は、リングレーザジャイロを構成する基板を積層接合した後、全体を基準表面に対して垂直から微小角度だけ斜めにダイシングして形成される。よって、干渉縞を形成するプリズムの傾斜端面を容易に、かつ低コストに形成することができる。

図１は本発明の第１の実施の形態に係るリングレーザジャイロの構成を示す図である。同図の（ａ）は本実施の形態のリングレーザジャイロの断面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）におけるＡ−Ａ’線断面図、同図の（ｃ）は同図の（ｂ）におけるＢ−Ｂ’線断面図である。なお、図１に示すリングレーザジャイロのサイズを例示すると、図１（ａ）〜（ｃ）における上下・左右方向のサイズは数ｍｍ程度である。

図１の（ａ）に示す本実施の形態のリングレーザジャイロ１０は、主として、底面基板１１、反射面基板１２、スペーサ基板１３を含んで構成する周回光路装置と、更に当該周回光路装置にプリズム基板１４を含んで構成する干渉縞発生装置と、更には当該干渉縞発生装置に後述する検出部を有する検出基板１５を含んで構成する検出装置とを有している。また、底面基板１１には光源１６、レンズ１７、１８が設けられている。更に、底面基板１１は基体であり、基準平面１９を有している。反射面基板１２は薄い平行平板状であって、その中央部に厚み方向を深さ方向として正四角錐状の孔が貫通穿設され、反射面基板１２の正４角錐状の孔は４つの壁面を有している。これらの壁面のうち、図１の（ａ）に示す４つの壁面のうち２つの壁面を反射面２０、２１として使用される。また、スペーサ基板１３は、反射面基板１２とプリズム基板１４との間を所定の間隔に設定するための基板であり、図１の（ｃ）に示すように、正方形形状の穴を厚さ方向に穿設されている。この正方形形状の穴の大きさは、反射面基板１２に穿設された正４角錐上の穴の底面の大きさよりも一回り大きい。更に、スペーサ基板１３の上に設けられたプリズム基板１４の図１の（ａ）における下方の平面部分が反射面２４となっている。

そして、光源１６は本実施の形態において半導体レーザ素子であり、図１の（ａ）において、図の面内で左右方向へ、基準平面１９に平行にレーザ光を放射する。本実施の形態における光源１６の半導体レーザ素子はチップの両端面から発光し、端面における反射がないように両端面に反射防止膜が形成されている。また、レンズ１７、１８は、光源１６の両側端面近傍に実装され、光源１６から放射されるレーザ光の発散角を調整する。即ち、レンズ１７、１８は光源１６から放射される光の発散角を調整する発散角調整手段である。光源１６、レンズ１７、１８は、基準平面１９をなす底面基板１１の上面に適宜の方法で実装されている。なお、光源１６から放射されるレーザ光は発散性で、周回光路を辿るレーザ光の光束径は位置により変化するが、図面が複雑化するので、このような光束径の変化は図１に示されていない。以下の図においても同様である。

図１の（ｂ）、（ｃ）において、周回光路が形成される平面２５があり、この平面２５は図１の（ｂ）、（ｃ）に示すように基準平面１９に直交している。平面２５は図１の（ａ）において図面上に対して平行であり、反射面２０、２１、２４の何れも、その法線が１平面である平面２５に平行であるから、平面２５は反射面２１、２２、２４の法線を面内に含む。１平面である平面２５は、半導体レーザ素子である光源１６から放射されるレーザ光と、これらレーザ光の発散角を調整する発散角調整手段としてのレンズ１７、１８の光軸とを含んで、基準平面１９に直交する平面である。

従って、光源１６からレーザ光を図１の（ａ）の左右方向へ放射させると、放射されたレーザ光はレンズ１７、１８で発散角を調整され、反射面２０、２１、２４により反射される。光源１６から反射面２０側へ放射されたレーザ光（実線矢印）は、レンズ１７で発散角を調整され、反射面２０、２４、２１で順次反射され、レンズ１８を介して光源１６へ戻る。光源１６から反射面２１側へ放射されたレーザ光（点線矢印）は、レンズ１８で発散角を調整され、反射面２１、２４、２０で順次反射され、レンズ１７を介して光源１６へ戻る。

このようにして、光源１６から上記２つの向きに放射されたレーザ光は順逆方向に周回してレーザ発振する周回光路を１平面である平面２５内に形成する。この周回光路は、図１の（ａ）に示すように三角形形状であり、準逆方向の光路は同一である。レンズ１７、１８による発散角の調整は、周回光路を順逆方向に周回して光源１６に戻るレーザ光の波面形状をレーザ発振の効率を良好にする面形状となるように行われる。

ここで角速度を検出するためには、前述した周回光路で発生した順逆方向のレーザ光を干渉させ、干渉縞の動きを検出することにより、ビート周波数を求める。周回光路を形成するプリズム基板１４の反射面２４は、一部の光を反射し、残りを透過する反射透過面となっており、プリズム入射面２６を兼ねている。周回光路においては順逆方向両方向にレーザが発振しているため、このプリズム入射面２６を透過してプリズム基板１４内を２方向に進む。すなわち、光源１６から反射面２０側へ放射され、レンズ１７を透過したレーザ光の一部は、プリズム入射面２６を透過してプリズム基板１４の第２のプリズム反射面２８へ入射する。一方、光源１６から反射面２１側へ放射され、レンズ１８を透過したレーザ光の一部は、プリズム入射面２６を透過してプリズム基板１４のコーナー部２９へ入射しコーナー部２９への入射光路から僅かにずれてプリズム入射面２６に戻り、ここで反射されたのち第２のプリズム反射面２８へ入射する。実際には９０度に対してわずかにずれたコーナー部２６（例えば９１度）の両側の面、すなわち第１のプリズム反射面２７と第２のプリズム反射面２８の両方で反射することで、入射光路から僅かにずれて戻ることになるため、２つの光線は進行方向に互いに微小角をなして重なり合う。

このようにして、図１に示す第１の実施の形態のリングレーザジャイロ１０における干渉縞発生装置を構成するプリズム基板１４の上面において２光束が重なり合うが、これらはレーザ光でコヒーレントであるから互いに干渉して干渉縞を生じる。すなわち、図１に示す第１の実施の形態のリングレーザジャイロ１０における干渉縞発生装置は、基準平面１９を有する底面基体１１と、基準平面１９に直交する方向へ基準平面１９に対して平行に積層される反射面基板１２、スペーサ基板１３、プリズム基板１４、検出基板１５と、光源１６とを有し、１以上の反射面基板１２、プリズム基板１４に、３以上の反射面２０、２１、２４が、基準平面１９に直交する平面２５内に法線を有し、基準平面１９に平行または所定角傾斜して形成され、光源１６が平面２５内に光を放射するように配置されている。そして、光源１６から放射された光が３以上の反射面２０、２１、２４により１平面である平面２５内を順逆方向に周回してレーザ発振する周回光路を形成し、周回光路から出射した順逆方向のレーザ光は基準平面１９に積層された平板状プリズムであるプリズム基板１４に入射する。更に、順逆方向のレーザ光のうち一方のレーザ光は互いのなす角が９０度からずれているプリズム基板１４の第１のプリズム反射面２７と第２のプリズム反射面２８を反射することで、もう一方のレーザ光と微小角度交叉した状態で重ね合わされて、干渉縞を発生するものである。

ここで、図２に第１の実施の形態のリングレーザジャイロ１０における干渉縞発生装置によって発生した干渉縞の様子を示す。同図の（ａ）の干渉縞は角速度が０の状態における干渉縞の状態（基準状態）であり、同図の（ｂ）、（ｃ）は周回光路が図１の（ａ）の図面に直交する軸の回りに時計方向もしくは反時計方向の回転を生じたときの干渉縞の様子を示している。回転方向が時計方向であるか反時計方向であるかに従い、干渉縞は基準状態から右もしくは左へずれ、そのずれ量は前述のビート周波数に対応し、回転の角側に比例する。ここで、干渉縞が発生する場所に、干渉縞の明暗を検出する検出部３０が形成された検出基板１５がプリズム基板１４に積層されている。

従って、このような構成を有する第１の実施の形態に係るリングレーザジャイロ１０によれば、周回光路を周回するレーザ光は、図１の（ａ）に示すような時計回りと反時計回り、つまり順逆方向に周回しており、光路長を共振長としてレーザ発振している。この状態で、周回光路全体が、図面に直交する軸の回りに回転すると、サニャック効果により時計回りのレーザ発振波長と反時計回りの発振波長にずれが生じる。このずれをビート周波数として第１の実施の形態におけるリングレーザジャイロ１０における検出装置を構成する検出基板１５に設けられた検出部３０によって検出し、検出結果に基づき所定の演算を行うことにより角速度を算出することができる。

因みに、演算される角速度Ωは、上記ビート周波数をｆ、周回光路が１平面内で形成する三角形の面積をＳ、周回光路の光路長をＬ、レーザ光の波長をλとして、周知の如く次式で与えられる。
Ω＝Ｌ・λ・ｆ／（４・Ｓ） ・・・（１）
ビート周波数ｆは干渉縞の変位量により求まるので、検出部３０の出力をコンピュータ等の演算手段（図示せず）に入力して上記式（１）を演算することにより角速度を算出できるのである。

なお、上記（１）式によれば、角速度Ωは、周回光路の面積Ｓに反比例的である。従って、周回光路の形状は、その面積が大きくなるような形状であることが好ましい。また、１つの周回光路を形成するための反射面の数を４あるいは６とすることにより、面積の大きい四角形形状あるいは六角形形状の周回光路を形成できる。周回光路が四角形形状あるいは六角形形状の場合の詳細な構成は後述する。

このように、図１に示す第１の実施の形態に係るリングレーザジャイロ１０は、周回光路を順逆方向に周回するレーザ光の一部を取り出して干渉させ、光源１６、反射基板１２及びスペーサ基板１３を含んで構成する周回光路装置と、該周回光路装置とプリズム基板１４を含んで構成し干渉縞を生成させる干渉縞発生装置と、干渉縞の変化を検出する検出部３０が設けられた検出基板１５を有する検出装置と、検出された干渉縞の変化に基づき角速度を演算する演算手段（図示していないコンピュータ等）を有している。

なお、発散角調整手段としてのレンズ１７、１８は上記の如く周回光路を順逆方向に周回して光源に戻るレーザ光の波面形状がレーザ発振の効率を良好にするように発散角の調整を行うものであり、これらを用いることにより、光源１６におけるレーザ発振の効率を高めることができるが、発散角調整手段を用いなくてもレーザ発振が可能で、周回光路を形成できることが知られている。従って、発散角調整手段はこの発明の周回光路装置にとって必須のものではない。

また、スペーサ基板１３は周回光路用の空間を形成するためのものであるから、反射面基板１２に形成する正四角錐形状の孔の深さを十分の深く取ることにより、スペーサ基板を介することなく、反射面基板１２の上に直接、プリズム基板１４を接合することもできる。

更に、図１に示す第１の実施の形態において、基体を構成する底面基板１１における基準平面１９と逆側の面の形状は周回光路の形成に何ら影響しないので、基準平面１９と逆側の部分は平面である必要はなく適宜の形状であることができる。同様に、検出基板１５の検出部３０が形成されていない側の形状は、周回光路の形成に影響しないので、この部分は平面である必要はなく、適宜の形状であることができる。底面基板１１の基準平面と逆の側の面は、これを平面に設定し基準平面１９に平行な面内において光が周回する他の周回光路を形成するための光源と、３以上の反射面とを形成することができる。また、反射面２０、２１には金メッキなどを施してレーザ光を反射しやすくしておくのが良い。

図１に示す周回光路装置において、反射面基板１２に、上記のように、正四角錐状の斜面をもつ孔を形成するには、次のようにすれば良い。即ち、反射面基板１２としてシリコン基板を用い、その表面（図１の（ａ）において、スペーサ基板１３を設けられる側の面をシリコン結晶における（１００）面とし、この（１００）面に対して異方性ウェットエッチングによるエッチングを行うと、（１１１）面が露呈して正四角錐形状の孔を容易かつ確実に形成することができる。このように形成された（１１１）面は反射面として使用されるが、この反射面が基準平面１９に対してなす傾斜角は正確に±５４．７度になる。

図１の第１の実施の形態においては、反射面基板１２は上記のようにシリコン基板をエッチングしたものであり、大きな開口が形成される方の面に周回光路の空間を形成するための穴を貫通させたスペーサ基板１３を積層して接合し、さらにその上に、下面に反射面２４が形成されたプリズム基板１４が積層され接合されている。

なお、上述したように、底面基板１１と反射面基板１２とを単一の基板とし、その一方の面に截頭４角錐形状の穴を形成して基体としてもよいが、この場合基体をシリコン基板として異方性ウェットエッチングにより反射面となるべき斜面を形成する際、光源１６やレンズ１７、１８を実装するために孔の底面部を基準平面に平行な平滑な面とする必要があるが、このような底面部の形成は必ずしも容易でない。従って、図１に示すように、反射面部材に截頭正４角錐形状の孔を、反射面基板１２を貫通するように穿設し、この部分を、平坦な平面を基準平面１９として持つ底面基板１１により塞いで、基準平面１９を孔の底面として、この底面に半導体レーザ素子の光源１６やレンズ１７、１８を実装するのがよい。なお、光源１６としての半導体レーザ素子は固定台を設けてその上に実装しても良い。また、プリズム基板１４の反射面２４の位置がずれると正確な周回光路装置を形成できないので、静電アクチュエータなどを設けて反射面２４を図１の（ａ）の上下方向へ微動調整するようにしてもよい。

図３は本発明の第２の実施の形態に係るリングレーザジャイロの構成を示す断面図である。同図において、図１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す第２の実施の形態のリングレーザジャイロ４０は、反射面基板１２とスペーサ基板１３との間にガラス基板４１が積層され、このガラス基板４１の基準平面１９に平行な片面に、発散角調整手段であるマイクロレンズ４２、４３が形成されている。このような構成を有する本実施の形態のリングレーザジャイロ４０によれば、半導体レーザ素子である光源１６から図の左右方向へ放射されたレーザ光束は、それぞれ反射面２０、２１により反射され、マイクロレンズ４２、４３により発散角を調整され、ガラス基板４１を透過し、プリズム基板１４の反射面２４により反射され、マイクロレンズ４２、４３を介して反射面２０、２１に反射され、光源１６へ戻り、レーザ発振する周回光路を形成する。スペーサ基板１３の厚さ等は、ガラス基板４１の厚み等を考慮して、上記周回光路装置が形成されるように調整される。

図１に示す第１の実施の形態では、レンズ１７、１８の光軸が基準平面に平行であるので、一般にはこれらを底面基板１１の表面に作りこむことは難しく、別体として形成したレンズ１７、１８を底面基板１１の基準平面１９に後付で設けることになり、精密な取り付け工程が必要となるが、図３に示す第２の実施の形態では、マイクロレンズ４２、４３の光軸がガラス基板４１の面に直交するので、マイクロレンズ４２、４３をガラス基板４１の表面に形成することはフォトリソグラフィ技術とエッチング等を組合せることにより簡単に実現でき、周回光路装置の製造が容易である。周回光路は基準平面に直交する１平面（図３の図面に平行な平面である。）内に形成される。

図４は本発明の第３の実施の形態に係るリングレーザジャイロの構成を示す断面図である。同図において、図１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態のリングレーザジャイロ５０は面発光型の光源５１を使用したものである。ここで言う面発光型の光源とは第１、第２の実施の形態で使用した端面発光の半導体レーザ素子ではなく、基板の表面から光を発するもので、例えばＶＣＳＥＬのようなものである。ただし、一般的な面発光レーザとは異なり、光源自体に共振長を規定するための反射ミラーを片面側のみしか有していないものとすることで、周回光路長に依存した共振波長が得られるように構成されているものとする。また、本実施の形態では三角形状の周回光路の、２辺の方向に出射するように構成するため発散角が広くなるように構成されたものである。図４における三角形状の周回光路はシリコン基板の反射面基板１２の異方性エッチング面である（１１１）面を２面と、光源基板５２の反射透過面５３の１面とにより形成されている。第１、第２の実施の形態では光源を実装している面、つまり底面基板１１の反射面基板１２との接合面を基準平面１９としていたが、第３の実施の形態では反射面基板１２のエッチングした開口の大きいほうの面を基準平面１９としている。光源基板５２の反射透過面５３は一部を反射、一部を透過するため、周回光路内で反射により発振した順逆両方向のレーザ光の一部は、反射透過面５３から周回光路の外部に取り出される。光源基板５２自体はレーザ光を透過する材質で形成されている。光源基板５２にはプリズム基板１４が積層されている。

このような構成を有する本実施の形態によれば、図４における周回光路において図中の右回りのレーザ光（実線矢印）は光源基板５２を透過し、プリズム基板１４の第２のプリズム反射面２８で反射した後、検出部３０に入射する。また、図４における周回光路において図中の左回りのレーザ光（点線矢印）は光源基板５２を透過し、プリズム基板１４のコーナー部２９で反射する。厳密には第１のプリズム反射面２７と第２のプリズム反射面２８を反射する。そして、入射方向とは微小角度方向を変えて戻り、光源基板５２の反射透過面５３で反射した後、右回りのレーザ光と重なって検出部３０に入射する。右回りと左回りのレーザ光は微小角度で交叉しているため、検出部３０では所定間隔の干渉縞が形成されており、装置全体が回転した際の右回りと左回りのレーザ光のビート周波数が干渉縞の動きによって観察される。更に図示していない演算手段（コンピュータ等）により演算することにより角速度を算出する。

このように、第３の実施の形態では検出部３０が光源基板５２の表面上に形成されており、光源５１に供給する配線と検出用の配線を同一の基板上にまとめることができる。また、プリズム基板１４の第１のプリズム反射面２７と第２のプリズム反射面２８は反射膜が形成されており、効率よく光が伝播するようになっている。更に、レーザ結晶（ＹＡＧやＹＶＯ４などの固体レーザ）をＬＤやＶＣＳＥＬなどの別光源で励起し、レーザ結晶表面から光を発するようにしてもよい。

図５は本発明の第４の実施の形態に係るリングレーザジャイロの構成を示す断面図である。同図において、図４と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態のリングレーザジャイロ６０は斜めにダイシングを行った例である。ここでは第３の実施の形態のリングレーザジャイロを用いた例を示す。端面が傾斜したプリズム基板１４を用意して当該プリズム基板１４を、周回光路を形成する基板に貼り付ける必要があるが、図５のように全てを張り合わせた後に全体を斜めにダイシングすることでプリズム基板１４に傾斜した第１のプリズム反射面２７を形成するようにしてもよい。このようにすることで、バッチ生産が可能で生産性を向上し、低コスト名デバイスを提供することが可能となる。ダイシング面６１を光学面として利用するには十分な面精度が得られない場合には、ダイシング後に、第１のプリズム反射面２７を研磨してもよい。

図６は本発明の第５の実施の形態に係るリングレーザジャイロの構成を示す図である。同図の（ａ）は本実施の形態のリングレーザジャイロの断面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）におけるＣ−Ｃ’線断面図、同図の（ｃ）は同図の（ｂ）におけるＤ−Ｄ’線断面図である。同図において、図４と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態のリングレーザジャイロ７０は、同図の（ｂ）に示す平面２５内に形成される三角形形状の第１の周回光路７１−１と、同図の（ｂ）に示す平面７２内に形成される三角形形状の第２の周回光路７１−２とを含んで構成されている。本実施の形態では、第１の周回光路７０−１を形成するための光源と、第２の周回光路７０−２を形成するための光源を共通化して光源５１としている。光源５１は反射面基板１２に穿設された正四角錐形状の軸上に位置している。光源５１から放射されるレーザ光は、基準平面１９に直交する１平面である平面２５内に三角形形状の第１の周回光路７１−１を形成し、また基準平面１９に直交する平面７１内に三角形形状の第２の周回光路７１−２を形成する。平面２５と平面７２は何れも基準平面１９に直交し、かつ相互に直交する。

また、平面２５内の第１の周回光路７１−１のレーザ光に対しては、反射面２０、２１、および反射透過面５３がレーザ光を反射して周回させる３面の反射面を構成し、平面７２内の第２の周回光路７１−２のレーザ光に対しては、反射面２２、２３、および反射透過面５３がレーザ光を反射して周回させる３面の反射面を構成している。即ち、光源基板５２の反射透過面５３は、２つの周回光路を形成する２組の３面の反射面において共通に用いられている。このようにして、基準平面１９に直交すると共に、互いに直交する第１及び第２の平面である平面２５、７１内にそれぞれ第１、第２の周回光路７１−１、７１−２を形成することができ、これら第１、第２の周回光路７１−１、７１−２内でレーザ光が順逆方向に周回する。

このような本実施の形態のように２つの周回光路を用いることにより、各周回光路を周回する順逆方向のレーザ光の一部を取り出して干渉させ、干渉縞を検出することで直交２軸方向の角速度を検出できるリングレーザジャイロを構成することができる。すなわち、図６の（ａ）に示すように、プリズム基板１４の２つの隣接する第１のプリズム反射面２７及び第３のプリズム反射面７２を基準平面１９に対して微小角度傾斜して形成してあるので、２つの直交する第１、第２の周回光路７１−１、７１−２で発生する干渉縞が第２のプリズム反射面２８上に形成される。これを検出基板１５上の検出部３０−１及び検出部３０−２を用いて取り出すことができる。図示していない演算手段（コンピュータ等）を用いて、検出された干渉縞の動きに基づいて角速度を演算することができる。

図７は本発明の第６の実施の形態に係るリングレーザジャイロの構成を示す図である。同図の（ａ）は断面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＥ−Ｅ’線断面図である。同図において、図６と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態のリングレーザジャイロ８０は、同図の（ｂ）に示す平面２５内に形成される六角形形状の第１の周回光路８１−１と、同図の（ｂ）に示す平面８２内に形成される六角形形状の第２の周回光路８１−２とを含んで構成されている。詳細には、本実施の形態のリングレーザジャイロ８０は、検出基板１５の上に、基準平面１９（検出基板１５の上方の面）に直交する方向へ、基準平面１９に平行にプリズム基板１４、第１の反射面基板８３、ガラス基板８４、光源基板５２、ガラス基板８５、第２の反射面基板８６、上面基板８７が積層された構成となっている。そして、第１の反射面基板８３と第２の反射面基板８６とは同一構成のもので、例えば図１に用いた反射面基板１２と同じく、表面を（１００）面とするシリコン基板に異方性ウェットエッチングで、基準平面に対する傾斜角が±５４．７度の傾斜面（（１１１）面）を持つ正四角錐状の孔を貫通させて穿設されている。また、第１の反射面基板８３と第２の反射面基板８６とに穿設された正四角錐状の孔の小径部には、検出基板１５の上面である基準平面１９、上面基板８７の下面８８が露呈している。本実施の形態においては、検出基板１５の上面である基準平面１９、上面基板８７の下面８８も反射面として使用される。また、光源基板５２には、基板内に面発光型のレーザ光源素子の第１の光源５１−１が配置され、光源基板５２における基準平面に平行な２面からレーザ光を放射するようになっている。レーザ光源素子の第１の光源５１−１は、一般的な面発光レーザとは異なり、光源自体に共振長を規定するための反射ミラー（反射膜）を有していないものとすることで、周回光路長に依存した共振波長が得られるように構成されている。更に、ガラス基板８４、８５には、マイクロレンズ８９、９０が、光軸を共通にし、かつレーザ光源素子の第１の光源５１−１が光軸上に位置するように形成されている。

レーザ光源素子の第１の光源５１−１から図７の（ａ）の下方へ放射されるレーザ光（実線矢印）は、ガラス基板８４を透過し、マイクロレンズ８９により発散角を調整されて、第１の反射面基板８３の反射面２０で反射された後、プリズム基板１４のプリズム入射面９１（反射透過面としても形成されている）で反射されて反射面２１に入射し、反射されると図７の（ａ）で上方へ向かう光束となり、ガラス基板８４、光源基板５２、ガラス基板８５を順次透過して、第２の反射面基板８６の反射面２１−１、上面基板８７の下面８８（反射面として形成されている）で順次反射され、更に第２の反射面基板８６の反射面２０−１で反射されて図７の（ａ）で下方へ向かう光束となり、マイクロレンズ９０、ガラス基板８５、光源基板５２を透過してレーザ光源素子の第１の光源５１−１に戻る。このようにして六角形形状の第１の周回光路８１−１が形成される。すなわち、レーザ光源素子の第１の光源５１−１から図７の（ａ）で下方へ放射されたレーザ光（実線矢印）は第１の周回光路８１−１を反時計周りに周回し、レーザ光源素子の第１の光源５１−１から図７の（ａ）の上方へ向かって放射されるレーザ光（点線矢印）は第１の周回光路８１−１を上記とは逆に時計回りに周回する。なお、本実施の形態においても、レーザ光を反射させる各反射面には金メッキなどを施してレーザ光を反射し易くしておくのがよい。

図７の（ｂ）は第１の反射面基板８３と検出基板１５の基準平面１９と、マイクロレンズ８９の位置関係を図７の（ａ）の上方から見た状態を示している。この関係は、第２の反射面基板８６と上面基板８７と、マイクロレンズ９０の位置関係と同様である。レーザ光源素子の第１の光源５１−１はマイクロレンズ８９、９０の光軸上にあるから、第１の周回光路８１−１は、基準平面１９に直交する１平面の平面２５内に形成される。レーザ光が周回する正確な周回光路を形成できるように、上面基板８７の下面８８及びプリズム入射面９１は、基準平面１９と直交する方向に微動できるような構成にしても良い。

このような周回光路を用いてリングレーザジャイロを構成するために、プリズム基板１４の反射透過面のプリズム入射面９１で発振した順逆方向のレーザ光の一部をプリズム基板１４に入射し、一方のレーザ光をコーナー部２９で反射させた後、もう一方と重ね合わせることで、干渉縞を発生させることができる。検出基板１５上の検出部３０−１によって干渉縞の動きを検出し、図示していない演算手段（コンピュータ等）を用いて、検出された干渉縞の動きに基づいて角速度を演算することができる。

更に、本実施の形態のリングレーザジャイロ８０の第２の周回光路８１−２について説明すると、光源基板５２には図７の（ｂ）に示すように第２の光源５１−２を備えており、反射面２２、プリズム入射面９１、反射面２３、反射面２３−１、上面基板８７の下面８８、反射面２２−１によって第２の周回光路８１−２を形成してレーザ発振させ、検出基板１５上の検出部３０−２によって干渉縞の動きを検出し、図示していない演算手段（コンピュータ等）を用いて、検出された干渉縞の動きに基づいて角速度を演算することができる。よって、本実施の形態によれば、２軸方向の角速度を検出することが可能となる。

以上説明したような本発明のリングレーザジャイロを、簡易な構成であって二軸方向の検出が可能な角速度センサに適用することが可能となる。

なお、本発明は上記各実施の形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載であれば多種の変形や置換可能であることは言うまでもない。

本発明の第１の実施の形態に係るリングレーザジャイロの構成を示す図である。 第１の実施の形態のリングレーザジャイロにおける干渉縞発生装置によって発生した干渉縞の様子を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係るリングレーザジャイロの構成を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態に係るリングレーザジャイロの構成を示す断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係るリングレーザジャイロの構成を示す断面図である。 本発明の第５の実施の形態に係るリングレーザジャイロの構成を示す図である。 本発明の第６の実施の形態に係るリングレーザジャイロの構成を示す図である。

符号の説明

１０，４０，５０，６０，７０，８０；リングレーザジャイロ、
１１；底面基板、１２；反射面基板、１３；スペーサ基板、
１４；プリズム基板、１５；検出基板、１６，５１；光源、
１７，１８；レンズ、１９；基準平面、２０〜２４；反射面、
２５，７２，８２；平面、２６，９１；プリズム入射面、
２７；第１のプリズム反射面、２８；第２のプリズム反射面、
２９；コーナー部、３０，３０−１，３０−２；検出部、
４１；ガラス基板、４２，４３，８９，９０；マイクロレンズ、
５２；光源基板、５３；反射透過面、６１；ダイシング面、
７１−１，８１−１；第１の周回光路、
７１−２，８１−２；第２の周回光路、８３；第１の反射面基板、
８４；ガラス基板、８５；ガラス基板、８６；第２の反射面基板、
８７；上面基板、８８；下面。

Claims (6)

1. 基準平面を有する基体と、前記基準平面に直交する方向へ、前記基準平面に対して平行に積層される１以上の基板と、光源と、前記基準平面に直交する方向へ、前記基準平面に対して平行に積層される平板状のプリズム基板とを有し、前記プリズム基板の外周には発振したレーザ光を反射する反射膜が形成され、前記基体及び／又は前記基板及び／又は前記プリズム基板には、前記光源からの光を反射する３以上の反射面が、前記基準平面に直交する平面内に該反射面の法線を有するように、かつ前記基準平面に平行又は所定角傾斜するように形成され、前記光源が前記平面内に光を放射するように配置され、前記光源から放射された光が３以上の前記反射面により前記平面内を順逆方向に周回してレーザ発振する周回光路を形成し、前記プリズム基板の第１の反射面と、該第１の反射面に隣接する第２の反射面とのなす角が９０度からズレており、前記周回光路内で発振した順逆方向のレーザ光のそれぞれの一部が、前記プリズム基板の入射面から前記プリズム基板に入射し、順逆方向のレーザ光のうちいずれか一方のレーザ光が前記プリズム基板の前記第１の反射面及び前記第２の反射面とを反射し、他方向のレーザ光に対して微小角度交叉した状態で重ね合わされて干渉縞を発生する干渉縞発生装置を有し、基準平面に直交する方向へ、基準面と平行に干渉縞の変化を検出する検出手段を有する検出基板が積層され、検出された干渉縞の変化に基づき角速度を演算する演算手段を有するリングレーザジャイロを形成するリングレーザジャイロの形成方法において、
   前記干渉縞発生装置を構成する前記プリズム基板の第１及び第２の端面は、前記リングレーザジャイロを構成する基板を積層接合した後、全体を基準表面に対して垂直から微小角度だけ斜めにダイシングして形成されることを特徴とするリングレーザジャイロの形成方法。
2. 基準平面を有する基体と、前記基準平面に直交する方向へ、前記基準平面に対して平行に積層される１以上の基板と、光源と、前記基準平面に直交する方向へ、前記基準平面に対して平行に積層される平板状のプリズム基板とを有し、前記プリズム基板の外周には発振したレーザ光を反射する反射膜が形成され、前記基体及び／又は前記基板及び／又は前記プリズム基板には、前記光源からの光を反射する３以上の反射面が、前記基準平面に直交すると共に互いに直交する２つの平面内に該反射面の法線を有するように、かつ前記基準平面に平行又は所定角傾斜するようにそれぞれ形成され、前記光源が第１の平面内及び第２の平面内に光を放射するように配置され、前記光源から放射された光が３以上の前記光源の反射面により前記第１の平面内を順逆方向に周回してレーザ発振する第１の周回光路を形成し、かつ前記光源から放射された光が３以上の前記光源の反射面により前記第２の平面内を順逆方向に周回してレーザ発振する第２の周回光路を形成し、前記プリズム基板の第１の反射面と、該第１の反射面に隣接する第２の反射面とのなす角が９０度からズレており、前記周回光路内で発振した順逆方向のレーザ光のそれぞれの一部が、前記プリズム基板の入射面から前記プリズム基板に入射し、順逆方向のレーザ光のうちいずれか一方のレーザ光が前記プリズム基板の前記第１の反射面及び前記第２の反射面とを反射し、他方向のレーザ光に対して微小角度交叉した状態で重ね合わされて第１の干渉縞を発生し、前記プリズム基板の第１の反射面及び第２の反射面に隣接する第３の反射面の法線が前記第２の周回光路を含む面内、かつ前記基準平面と平行な方向に対して微小角度傾斜し、前記第２の周回光路内で発振した順逆方向のレーザ光のそれぞれの一部が、前記プリズム基板と前記第１の周回光路が接する面から入射し、順逆方向のレーザ光のうちいずれか一方のレーザ光が前記プリズム基板の端面及び前記第１の周回光路と対向する面を反射し、他方向のレーザ光に対して微小角度で交叉した状態で重ね合わされて第２の干渉縞を発生する干渉縞発生装置を有し、基準平面に直交する方向へ、基準面と平行に干渉縞の変化を検出する検出手段を有する検出基板が積層され、検出された干渉縞の変化に基づき角速度を演算する演算手段を有するリングレーザジャイロを形成するリングレーザジャイロの形成方法において、
   前記干渉縞発生装置を構成する前記プリズム基板の第１及び第２の端面は、前記リングレーザジャイロを構成する基板を積層接合した後、全体を基準表面に対して垂直から微小角度だけ斜めにダイシングして形成されることを特徴とするリングレーザジャイロの形成方法。
3. 前記光源は前記プリズム基板と前記周回光路を形成する前記基体又は基板の間に配置され、前記光源の前記プリズム基板側には、発振したレーザ光の大部分を反射し、一部を透過する反射透過膜が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のリングレーザジャイロの形成方法。
4. 基準平面を有する基体と、前記基準平面に直交する方向へ、前記基準平面に対して平行に積層される１以上の基板と、２つの光源と、前記基準平面に直交する方向へ、前記基準平面に対して平行に積層される平板状のプリズム基板とを有し、前記プリズム基板の外周には発振したレーザ光を反射する反射膜が形成され、前記基体及び／又は前記基板及び／又は前記プリズム基板には、前記各光源からの光を反射する３以上の反射面が、前記基準平面に直交すると共に互いに直交する２つの平面内に該反射面の法線を有するように、かつ前記基準平面に平行又は所定角傾斜するようにそれぞれ形成され、第１の光源が第１の平面内に光を放射するように配置され、かつ第２の光源が第２の平面内に光を放射するように配置され、前記第１の光源から放射された光が３以上の第１の光源用の反射面により前記第１の平面内を順逆方向に周回してレーザ発振する第１の周回光路を形成し、かつ第２の光源から放射された光が３以上の第２の光源用の反射面により前記第２の平面内を順逆方向に周回してレーザ発振する第２の周回光路を形成し、前記プリズム基板の第１の反射面と、該第１の反射面に隣接する第２の反射面とのなす角が９０度からズレており、前記周回光路内で発振した順逆方向のレーザ光のそれぞれの一部が、前記プリズム基板の入射面から前記プリズム基板に入射し、順逆方向のレーザ光のうちいずれか一方のレーザ光が前記プリズム基板の前記第１の反射面及び前記第２の反射面とを反射し、他方向のレーザ光に対して微小角度交叉した状態で重ね合わされて第１の干渉縞を発生し、前記プリズム基板の第１の反射面及び第２の反射面に隣接する第３の反射面の法線が前記第２の周回光路を含む面内、かつ前記基準平面と平行な方向に対して微小角度傾斜し、前記第２の周回光路内で発振した順逆方向のレーザ光のそれぞれの一部が、前記プリズム基板と前記第１の周回光路が接する面から入射し、順逆方向のレーザ光のうちいずれか一方のレーザ光が前記プリズム基板の端面及び前記第１の周回光路と対向する面を反射し、他方向のレーザ光に対して微小角度で交叉した状態で重ね合わされて第２の干渉縞を発生する干渉縞発生装置を有し、基準平面に直交する方向へ、基準面と平行に干渉縞の変化を検出する検出手段を有する検出基板が積層され、検出された干渉縞の変化に基づき角速度を演算する演算手段を有するリングレーザジャイロを形成するリングレーザジャイロの形成方法において、
   前記干渉縞発生装置を構成する前記プリズム基板の第１及び第２の端面は、前記リングレーザジャイロを構成する基板を積層接合した後、全体を基準表面に対して垂直から微小角度だけ斜めにダイシングして形成されることを特徴とするリングレーザジャイロの形成方法。
5. 前記第１光源及び前記第２の光源は前記プリズム基板と前記周回光路を形成する前記基体又は基板の間に配置され、前記第１の光源及び前記第２の光源の前記プリズム基板側には、発振したレーザ光の大部分を反射し、一部を透過する反射透過膜が形成されていることを特徴とする請求項４記載のリングレーザジャイロの形成方法。
6. 前記ダイシングされた端面が研磨加工されていることを特徴とする請求項１、２、４のいずれかに記載のリングレーザジャイロの形成方法。

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