JP5454020B2 - 角速度検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転による角速度を検出する角速度検出装置に関する。

例えば、コリオリ力を受けて変位する一対の振動子を備える音叉型角速度検出装置であって、一対の振動子に光源からの光を照射して、振動子で反射される光を光変位計において検出し、この検出結果に基づき、光源から射出された光が光変位計に到達するまでの光学的な距離（以下、光路長という）の変化を検出する検出装置がある。この検出装置が回転すると、この回転によるコリオリ力が生じて、一対の振動子がそれぞれ異なる方向に変位し、振動子の間で光路長が変化する（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−５０８６号公報

しかしながら、上述のような検出装置では、自検出装置の変位が小さい場合、各振動子から反射される光の光路長の差分も小さくなるため、各反射光に基づく検出信号の差分も小さくなる。このため、上述のような光変位計の場合、高精度に変位量を検出することが困難という問題がある。

本発明は、このような問題を考慮してなされたものであって、その目的は、より高精度に変位量を検出する角速度検出装置を提供することである。

上記問題を解決するために、本発明の実施形態は、角速度を検出する角速度検出装置であって、光源部から射出された光が入射する第１の振動子を備える振動部材と、前記第１の振動子を介した前記光を入射する入射面と前記入射面からの光を透過して射出する射出面とを備える透過部材と、前記透過部材の前記入射面に設けられ前記入射面に入射した光を第１の光と第２の光とに分岐させる分岐部材と、前記透過部材の前記射出面に設けられ前記透過部材を透過した前記第１の光と前記第２の光とを干渉させる干渉部材と、を一体に有する光学系と、前記第１の光および前記第２の光に基づく干渉光を受光する受光部と、前記第１の振動子の回転運動によって生じる前記干渉光の干渉縞の変化をもとに、前記第１の振動子の変位を検出する検出部と、を備える。

本発明によれば、より高い精度で変位量を検出することができる。

本発明の角速度検出装置に係る構成の一実施形態を説明する概略図である。 本発明の角速度検出装置に係る振動部材の構成の一実施形態について説明するための概略図である。 本発明の角速度検出装置に係る振動部材が捩れ振動モードで振動する際の動きの一実施形態について説明する概略図である。 本発明の角速度検出装置に係る振動部材がコリオリ力を受けた際の動きの一実施形態について説明する概略図である。 本発明の角速度検出装置に係る振動部材からの反射光について説明する概略図その１である。 本発明の角速度検出装置に係る振動部材からの反射光について説明する概略図その２である。

以下、図面を参照して、本発明に係る角速度検出装置の一実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る角速度検出装置１の構成を示す概略図である。なお、本実施の形態に係る角速度検出装置１の位置関係を説明するため、紙面の右に向かう方向をＸ軸の正方向、紙面の下に向かう方向をＹ軸の正方向、紙面の裏面から表面に向かう方向をＺ軸の正方向として、以下説明する。なお、本実施形態では、角速度検出装置１が、紙面においてＺ軸方向を回転中心とした回転運動における角速度を検出する場合について説明する。

図１に示す通り、本実施形態に係る角速度検出装置１は、光源部１１と、振動部材１２と、コリメータレンズ（平行光変換部材）１３と、光学部材１４と、ガラスブロック１５と、干渉用光学部材１６と、第１の受光素子１７と、第２の受光素子１８と、検出部１９と、制御部２０とを備える。以下、本実施形態においては、コリメータレンズ１３、光学部材１４、ガラスブロック１５、および干渉用光学部材１６を含めて、光学部という。

光源部１１は、例えば、レーザ素子から発光されるレーザ光のコヒーレントな光を振動部材１２に向けて放射状に射出する。また、光源部１１は、例えば光ファイバを利用してレーザ光を導き、振動部材１２の予め決められた領域に射出する。なお、光源部１１は、このようにレーザ素子から間接的に光を射出する構成に限られず、レーザ光から発光される光を振動部材１２に直接射出するものであってもよい。
振動部材１２は、光源部１１から射出された光が入射する第１の振動子１２ａと第２の振動子１２ｂとを備える。また、振動部材１２は、制御部２０と接続されており、制御部２０によって制御されることで振動される。これにより、第１の振動子１２ａおよび第２の振動子１２ｂは、周期的に振動する。つまり、振動部材１２は、入射した光の位相を変調する。
制御部２０は、振動部材１２を周期的に振動させる制御信号を振動部材１２に出力し、振動部材１２の振動を制御する。なお、制御部２０は、例えば高調波な信号を供給することによって、後で詳細に説明する捩れ振動モードで振動部材１２を振動させる。
コリメータレンズ１３は、振動部材１２で反射された光を透過して平行光に偏向する。ここで、コリメータレンズ１３は、第１の振動子１２ａで反射された光を第１の平行光に偏向し、第２の振動子１２ｂで反射された光を第２の平行光に偏向する。なお、第１の平行光と第２の平行光は、互いに光路が異なる。

光学部材１４は、例えば、Ｘ軸方向に回折パターンが形成された透過型の回折格子であって、コリメータレンズ１３によって変換された平行光を互いに光路が異なる複数の光に分離する。例えば、第１の振動子１２ａを介して入射される第１の平行光を第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２とに分離し、第２の振動子１２ｂを介して入射される第２の平行光を第３の光Ｌ３と第４の光Ｌ４とに分離する。ここでは、光学部材１４は、第１の平行光を±１次回折光である第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２とに分離し、第２の平行光を±１次回折光である第３の光Ｌ３と第４の光Ｌ４とに分離する。この第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２とは互いに光路が異なり、第３の光Ｌ３と第４の光Ｌ４とは互いに光路が異なる。
なお、光学部材１４は、入射した光を複数の光に分離する構成であればよく、回折格子（回折型の位相格子）のほか、ブレーズ型の位相格子、またはビームスプリッタ等が利用できる。また、振動部材１２によって変調された第１の平行光（あるいは第２の平行光）は、光学部材１４の異なる位置に入射して、後述の通り、第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２（あるいは、第３の光Ｌ３と第４の光Ｌ４）とが干渉用光学部材１６に重なりあって入射する。

ガラスブロック１５は、コリメータレンズ１３と第１の受光素子１７（あるいは第２の受光素子１８）との間に配置されており、コリメータレンズ１３と対向する側には光学部材１４が、第１の受光素子１７および第２の受光素子１８と対向する側には干渉用光学部材１６が設けられている。また、ガラスブロック１５は、その内部に互いに向かい合うＹ−Ｚ平面に平行な一対の偏向部１５Ａを備える。
偏向部１５Ａは、光学部材１４によって分離された第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２とをそれぞれ偏向して、干渉用光学部材１６の干渉領域で第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２とが重なるように干渉用光学部材１６に入射させる。また、偏向部１５Ａは、光学部材１４によって分離された第３の光Ｌ３と第４の光Ｌ４とをそれぞれ偏向して、干渉用光学部材１６の干渉領域で第３の光Ｌ３と第４の光Ｌ４とが重なるように干渉用光学部材１６に入射させる。

干渉用光学部材１６は、第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２とが重なるように入射する干渉領域を備え、第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２とに基づく干渉光Ｌ１２を第１の受光素子１７に向けて射出する。また、干渉用光学部材１６は、第３の光Ｌ３と第４の光Ｌ４とが重なるように入射する干渉領域を備え、第３の光Ｌ３と第４の光Ｌ４とに基づく干渉光Ｌ３４を第２の受光素子１８に向けて射出する。さらに、干渉用光学部材１６に形成される干渉領域として、干渉光Ｌ１２が射出する領域と、干渉光Ｌ３４が射出する領域とは異なる。
この干渉用光学部材１６には、光学部材１４と同様に、Ｘ軸方向に回折パターンが形成されている回折格子が利用可能であって、ブレーズ型の位相格子やビームスプリッタ等も利用可能である。さらに、干渉用光学部材１６は、例えば、光学部材１４と平行に配置されている。

なお、少なくとも、光源部１１と、振動部材１２と、コリメータレンズ１３と、光学部材１４と、ガラスブロック１５と、干渉用光学部材１６とは、相対的な位置関係が固定された状態で角速度検出装置１に搭載されており、角速度検出装置１の回転運動に伴って、一緒に回転する。
また、これらの位置関係としては、光学部材１４を射出されてから干渉用光学部材１６に入射されるまでの第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２とが通過する光路長とが同一となり、同様に、光学部材１４を射出されてから干渉用光学部材１６に入射されるまでの第３の光Ｌ３と第４の光Ｌ４との光路長が同一となるように配置されている。さらに、振動部材１２が振動していない状態において、光源部１１を射出した光が第１の振動子１２ａで反射されガラスブロック１５等を透過し干渉用光学部材１６に入射するまでの第１の光Ｌ１の光路長と、光源部１１を射出した光が第２の振動子１２ｂで反射されガラスブロック１５等を透過し干渉用光学部材１６に入射するまでの光路長とが、それぞれ同値となるように配置されている。

第１の受光素子１７は、干渉用光学部材１６から射出された干渉光Ｌ１２を受光し、この干渉光Ｌ１２を光電変換して干渉強度を示す光電変換信号（検出信号）を生成し、検出部１９に出力する。
第２の受光素子１８は、干渉用光学部材１６から射出された干渉光Ｌ３４を受光し、この干渉光Ｌ３４を光電変換して干渉強度を示す光電変換信号（検出信号）を生成し、検出部１９に出力する。

検出部１９は、第１の受光素子１７から出力される干渉光Ｌ１２の光電変換信号に基づき干渉光Ｌ１２の干渉縞の変化を検出し、この干渉縞の変化に基づき第１の振動子１２ａの変位を検出する。また、検出部１９は、第２の受光素子１８から出力される干渉光Ｌ３４の光電変換信号に基づき干渉光Ｌ３４の干渉縞の変化を検出し、この干渉縞の変化に基づき第２の振動子１２ｂの変位を検出する。つまり、検出部１７は、振動部材１２がＸ軸を中心に回転した場合、第１の振動子１２ａや第２の振動子１２ｂがコリオリ力を受けて変位することを、干渉光Ｌ１２、Ｌ３４の干渉縞の変化に基づき、検出する。

具体的に説明すると、検出部１９は、振動部材１２が回転していない状態で、第１の振動子１２ａで反射された光に基づく干渉光Ｌ１２の変化を基本周波数として、コリオリ力による光路差の変化を、例えばＰＬＬ（ Ｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ ）を用いた位相同期検波を行い、第１の振動子１２ａの振動中心の変位による光の光路長の変化を検出する。また、検出部１９は、干渉光Ｌ３４についても干渉光Ｌ１２と同様に、第２の振動子１２ｂの振動中心の変位による光の光路長の変化を検出する。
例えば、振動部材１２が回転していない状態における、第１の振動子１２ａの振動による干渉光Ｌ１２の干渉強度の変化に基づき、米国特許６６３９９８６号公報に示されている信号処理によって得られる出力信号を、基準として予め決めておく。そして、振動部材１２が回転することにより第１の振動子１２ａにコリオリ力が生じた際に検出される干渉光Ｌ１２の干渉強度に基づき、米国特許６６３９９８６号公報に示されている信号処理によって得られる出力信号と、上述の基準として予め決めておいた出力信号とを検出部１９が比較して、同期検波を行うことで、コリオリ力により生じた干渉光の位相差を検出する。

また、検出部１９は、この位相差に基づき角速度を得ることができる。例えば、角度検出装置１が角速度Ωで回転した場合に得られる位相差と、この位相差が得られた場合に与えられた回転運動に対応する角速度Ωとを、実験的に予め得ておく。そして、検出部１９は、この角速度と位相差とを対応付ける参照データを内蔵する記憶部に記憶し、この記憶部を参照して、上述のように検出した位相差に基づき角速度を検出するものであってもよい。
これにより、検出部１９は、記憶部を参照して、位相差に基づき、角速度検出装置１が回転運動した際の角速度Ωを得ることができる。
なお、ここでは、位相差と角速度Ωとを対応付ける例について説明したが、本発明はこれに限られず、例えば、後述する位置情報Ｘ_１や、後述する位相同期検波により得られる位相を加算平均の結果であってもよい。

次に、図２を用いて、振動部材１２の形状について詳細に説明する。図２は、振動していない状態の振動部材１２をＹ軸の正方向から見た概略斜視図である。
図２に示す通り、振動部材１２は、例えば音叉型の水晶振動子であって、一方のアームに第１の振動子１２ａを、他方のアームに第２の振動子１２ｂを、それぞれ備える弾性体である。また、振動部材１２は、第１の振動子１２ａと第２の振動子１２ｂとの中心を通る中心軸ＣＺ（Ｚ軸方向に平行な仮想線）を含むＹ−Ｚ面に対して面対称な形状である。
第１の振動子１２ａと第２の振動子１２ｂは、結合部１２ｃによってＺ軸の負方向にある一端で結合されており、Ｚ軸の正方向の他端にそれぞれ反射部を備える。この反射部は、振動部材１２が振動していない状態でＸ−Ｙ面と平行に配置されており、光源部１１から射出された光をコリメータレンズ１３に向けて反射する位置に設けられている。

以下、振動部材１２の動きについて説明しつつ、検出部１９が干渉縞の変化に基づいて第１の振動子１２ａと第２の振動子１２ｂの変位を検出することについて説明する。
はじめに、図３を用いて、振動部材１２が回転しておらず、第１の振動子１２ａおよび第２の振動子１２ｂに対してコリオリ力が発生していない場合の振動子の動きについて説明する。

図３は、Ｚ軸の正方向から振動部材１２をみた図である。
図３に示す通り、第１の振動子１２ａと第２の振動子１２ｂは、角速度検出装置１の回転軸（すなわち、Ｚ軸に平行な軸）と直交するＹ軸方向に振動している。
詳細に説明すると、高調波による捩れ振動モードで制御部２０により振動されている振動部材１２は、第１の振動子１２ａと第２の振動子１２ｂの反射部が、蝶が羽ばたくように左右対称に振動される。つまり、第１の振動子１２ａと第２の振動子１２ｂは、互いの中央にある中心軸ＣＺと直交するＹ軸と平行な仮想線ＣＹに対しても対称に振動している。また、第１の振動子１２ａと第２の振動子１２ｂの振動中心は、それぞれ、仮想線ＣＹ上に位置している。
また、第１の振動子１２ａと第２の振動子１２ｂのそれぞれの質量中心ＭＣはＹ軸方向に振動している。
なお、上述の通り、第２の振動子１２ｂは、第１の振動子１２ａと対称に振動しているため、詳細な説明は省略する。

このように、振動部材１２は、制御部２０によって捩れ振動モードで振動されると、回転されていない状況においては、第１の振動子１２ａで反射された光がコリメータレンズ１３に入射する角度が変わるため、それに応じて第１の平行光と第２の平行光の偏向角度が変わる。
また、捩れ振動モードによって振動部材１２が振動されることによって、第１の振動子１２ａで反射された光は位相が変調され、干渉光Ｌ１２に基づく干渉強度が変化する。また、第２の振動子１２ｂは、第１の振動子１２ａと中心軸ＣＺを含むＹ−Ｚ面に対して面対称となる動きで振動している。

ここで、受光素子１７によって得られる干渉光Ｌ１２の干渉強度は以下の式で表すことができる。

Ｉ_１＝Ａ_０＋ｃｏｓ(Ｘ_１＋Ａ_１ｓｉｎωｔ) ・・・（式１）

なお、Ａ_０は光量のオフセット分を表す定数を、Ａ_１は第１の振動子１２ａの振幅を表す定数を、ωは振動部材１２を振動させる振動角周波数を、Ｘ_１は振動部材１２の振動中心と干渉用光学部材１６との相対位置を表す。なお、振動部材１２の振動中心と干渉用光学部材１６との相対位置とは、音叉型の振動部材１２の振動中心（例えば、第１の振動子１２ａの振動の全体幅のうち中央部）でできる干渉縞の位置と干渉用光学部材１６の位置差のことをいう。言い換えると、振動中心に対応する干渉縞と、干渉用光学部材１６（例えば、回折格子）のスリット位置の相対的な位置関係をいう。以下、Ｘ_１を位置情報という。

また、第２の振動子１２ｂに反射した光から得られる干渉光Ｌ３４は、第２の振動子１２ｂが第１の振動子１２ａと中心軸ＣＺに対して軸対称に振動しているため、干渉光Ｌ１２に対して反対位相に変調されている。よって、干渉強度は、次式で表される。

Ｉ_２＝Ａ_０＋ｃｏｓ(Ｘ_２−Ａ_２ｓｉｎωｔ) ・・・（式２）

なお、この（式１）（式２）で表されるＩ_１、Ｉ_２を、例えば米国特許６６３９９８６号公報に示されている信号処理の技術を利用して位相同期検波を行い、検出した両方の位相を加算平均して（Ｘ_１＋Ｘ_２）／２を得ることができる。なお、この（Ｘ_１＋Ｘ_２）／２は、角速度検出装置１が回転していない状態で得られる値であり、干渉光Ｌ１２と干渉光Ｌ３４との光路の中心に相当する値を表わしている。これは、音叉型の振動部材１２が、Ｙ−Ｚ面に対して面対称となるように振動している限り、常に一定値となる。

次に、図４を用いて、振動部材１２がコリオリ力を受けた場合の振動部材１２の動きについて、図３を用いて説明したコリオリ力を受けていない場合と対比して説明する。
図４（ａ）は、図２と同様に、Ｙ軸の正方向から振動部材１２を見た状態を示す概略図である。
上述した通り、第１の振動子１２ａおよび第２の振動子１２ｂが捩れ振動モードによって振動されている状態において、振動部材２がＺ軸周りの角速度Ωで回転すると、第１の振動子１２ａおよび第２の振動子１２ｂは、コリオリ力を受けて、図４（ａ）に示すように、それぞれＹ軸の逆方向に変位する。詳細に説明すると、第１の振動子１２ａおよび第２の振動子１２ｂは、図３を用いて説明したようにＹ軸方向に振動しながら、Ｚ軸を中心軸として軸対称に変位している。また、Ｚ軸周りの角速度Ωで振動部材２が回転し、第１の振動子１２ａおよび第２の振動子１２ｂが速度ｖで運動しているとすると、第１の振動子１２ａおよび第２の振動子１２ｂはａｃ＝ｖ×Ωのコリオリ力を受ける。

これにより、第１の振動子１２ａと第２の振動子１２ｂは、捩れ振動モードによってＹ軸方向に振動されるとともに、Ｚ軸周りに角速度Ωと反対方向の変位を受ける。つまり、第１の振動子１２ａと第２の振動子１２ｂは、振動部材２がＺ軸に対して右回りの角速度Ωで回転すると、コリオリ力が働き、回転軸に対して軸対称な変位、すなわち、Ｚ軸に対して左回りの加速度を受ける。
なお、振動部材１２がＺ軸を軸中心とする右回りの回転により、角速度Ωが発生する例を用いて、以下説明する。

ここで、コリオリ力による変位を説明するため、仮に第１の振動子１２ａが音叉型の振動部材１２に設けられていない状態であって、単体でＹ軸方向に振動している場合の変位について説明する。この場合に、第１の振動子１２ａは、図４（ｂ）に示す通り動く。なお、コリオリ力を受けていない場合の動きを点線で示し、コリオリ力を受けた場合の動きを実線で示して、以下説明する。
図４（ｂ）に示す通り、コリオリ力を受けていない場合、第１の振動子１２ａは点線で示すＰ位置とＱ位置との間を振動している。一方、コリオリ力を受けることで、第１の振動子１２ａは、実線で示すように、Ｐ位置からＸ軸の負方向に変位したＰ´位置と、Ｑ位置からＸ軸から正方向に変位したＱ´位置との間を振動する。このように、Ｙ軸方向に振動している第１の振動子１２ａは、コリオリ力を受けることでＸ軸方向に変位する。

一方、本実施形態のように、第１の振動子１２ａおよび第２の振動子１２ｂが音叉型の振動部材１２に設けられている場合における、第１の振動子１２ａおよび第２の振動子１２ｂの動きについて図４（ｃ）を用いて説明する。
図４（ｃ）に示す通り、第１の振動子１２ａおよび第２の振動子１２ｂは、コリオリ力を受けていない場合、点線で示すＰ位置とＱ位置との間を振動している。一方、コリオリ力を受けることで、第１の振動子１２ａおよび第２の振動子１２ｂは、実線で示すように、Ｐ位置からＸ軸の負方向に変位したＰ´位置と、Ｑ位置からＸ軸から正方向に変位したＱ´位置との間を振動する。
また、第１の振動子１２ａは、Ｐ位置において中心軸ＣＺから遠くなるＰ´位置に変位した場合に捩れ角度が小さくなり、Ｑ位置において中心軸ＣＺに近づくＱ´位置に変位した場合に捩れ角度が大きくなる。これとは反対に、第２の振動子１２ｂは、Ｐ位置において中心軸ＣＺに近づくＰ´位置に変位した場合に捩れ角度が大きくなり、Ｑ位置において中心軸ＣＺから遠ざかるＱ´位置に変位した場合に捩れ角度が小さくなる。
なお、捩れ角度とは、振動部材１２が捩れ制御モードによって振動されている場合、振動していない状態において第１の振動子１２ａおよび第２の振動子１２ｂが位置される仮想線ＣＸと、振動している状態において第１の振動子１２ａおよび第２の振動子１２ｂの振幅の一番外側（図示しているＰ´位置、Ｑ´位置）とがなす角度のことをいう。

このように、第１の振動子１２ａおよび第２の振動子１２ｂは、コリオリ力を受けると、Ｘ軸方向の変位にともなって、第１の振動子１２ａと第２の振動子１２ｂの反射部の角度が変化する。またここでは、Ｚ軸に対して右回りの回転による角速度Ωに応じて、それぞれ捩れ角度が異なる大きさとなるように変位する。例えば、上述の通り、第１の振動子１２ａは、Ｐ´位置での捩れ角度が小さくなり、Ｑ´位置における捩れ角度が大きくなる。
また、第１の振動子１２ａおよび第２の振動子１２ｂの振動中心が、Ｙ軸方向の回転軸と直交するＸ−Ｚ平面方向に変位する。
さらに、図４（ｃ）に示す通り、第１の振動子１２ａと第２の振動子１２ｂとは、中心軸ＣＺに対して軸対称に変位する。

また、第１の振動子１２ａおよび第２の振動子１２ｂがコリオリ力を受けて変位すると、第１の振動子１２ａおよび第２の振動子１２ｂで反射される光の反射角度が、角速度Ωの方向と逆方向に変化する。
これを、図５を用いて詳細に説明すると、第１の振動子１２ａは、コリオリ力を受けると、図４（ｃ）で説明した通り、回転による角速度Ωに応じて、Ｐ´位置とＱ´位置における捩れ角度がそれぞれ異なる大きさとなるように変位する。このため、反射する光の反射角度は、反射される光の反射角度が、角速度Ωの方向と逆方向にシフトされる。
また、第１の振動子１２ａは常に振動しているため、実際には、反射した光の振動中心が、図示の通り、左回りに回転する角速度Ωと逆方向の右回りに回転したようにみえる。
なお、第２の振動子１２ｂも角速度Ωの影響を受けて、第１の振動子１２ａと中心軸ＣＺに対して軸対称に変位する。このため、第２の振動子１２ｂを反射した光の反射角度が、角速度Ωの方向と逆方向に変化する。

また、第１の振動子１２ａのＹ軸方向の動き（振動）を無視して、コリオリ力による捩れ運動にのみ注目し、第１の振動子１２ａの加速度について説明する。
まず、コリオリ力を受けていない場合、第１の振動子１２ａで反射された光の反射角度は図６（ａ）に示す通りである。この第１の振動子１２ａの質量中心の位置の加速度をａ１＝Ａｓｉｎ（ωｔ）とする。
一方、振動部材２がＺ軸周りの角速度Ωで回転し、第１の振動子１２ａがコリオリ力を受けると、第１の振動子１２ａで反射された光の反射角度が、図６（ｂ）に示す通り角速度Ωだけ、振動部材１２の回転方向と反対方向に回転する。これにより、第１の振動子１２ａの見かけの加速度は、回転加速度Ａｓｉｎ（ωｔ）−Ωに変化する。

したがって、図４を用いて説明した第１の振動子１２ａの変位の効果（すなわち、Ｙ軸方向に振動している状態でコリオリ力を受けてＸ軸方向に変位すること）と、図５、６を用いて説明した第１の振動子１２ａの変位の効果（すなわち、コリオリ力を受けて第１の振動子１２ａを反射した光の反射角度が角速度Ωと反対方向に回転して、見かけの角速度が−Ωだけ変位すること）とが、どちらも角速度Ωの方向に対して逆回転方向の角度変化であり、第１の振動子１２ａを反射した光の反射角度を変化させていることがわかる。
なお、これらの第１の振動子１２ａに与えられる変位の効果の大きさや比率は、振動部材１２の形状や材質剛性によって決まる。

この構成により、上述のように捩れ振動モードにおいて振動部材１２が振動されている状態で、振動部材１２が回転されていない（停止している）場合、第１の振動子１２ａおよび第２の振動子１２ｂは、図３に示した捩れ振動モードによって振動され、蝶が羽ばたくように振動する。そして、光源部１１を出射した光は、第１の振動子１２ａおよび第２の振動子１２ｂで反射されることで位相が変調されて、コリメータレンズ１３に入射する。
次いで、第１の振動子１２ａで変調された光がコリメータレンズ１３によって第１の平行光に偏向され、光学部材１４に入射し、第１の平行光が第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２に分離される。この第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２は、偏向部１５Ａを介して干渉用光学部材１６の干渉領域に重なるように入射し、干渉光Ｌ１２として第１の受光素子１７に入射する。

また、第１の振動子１２ａで変調された光がコリメータレンズ１３によって第２の平行光に偏向されると、光学部材１４に入射し、第２の平行光が第３の光Ｌ３と第４の光Ｌ４に分離される。この第３の光Ｌ３と第４の光Ｌ４は、偏向部１５Ａを介して干渉用光学部材１６の干渉領域に重なるように入射し、干渉光Ｌ３４として第２の受光素子１８に入射する。
よって、検出部１９は、この干渉光Ｌ１２、Ｌ３４に基づく干渉強度Ｉ_１、Ｉ_２を、例えば米国特許６６３９９８６号公報に示されている信号処理の技術を利用して、位相同期検波を行うことにより、位置情報Ｘ_１、Ｘ_２を高感度に算出することができる。
ここで、第１の振動子１２ａおよび第２の振動子１２ｂは、中心軸ＣＺに対して軸対称に振動しているため、光源部１１を射出してから第１の受光素子１７に入射するまでの干渉光Ｌ１２の光路長と、光源部１１を射出してから第２の受光素子１８に入射するまでの干渉光Ｌ３４の光路長とは、同一となる。
よって、検出部１９によって得られた位置情報Ｘ_１、Ｘ_２が、コリオリ力を受けていない状態で得られる値として予め決められた値であれば、角速度検出装置１は回転していないと判断することもできる。
また、検出部１９によって得られた位置情報Ｘ_１、Ｘ_２が、コリオリ力を受けていない状態で得られる値として予め決められた値でないなら、角速度検出装置１は、その位置情報Ｘ_１、Ｘ_２に基づいて、角速度を算出することができる。

一方、上述のように捩れ振動モードにおいて振動部材１２が振動されている状態で、振動部材１２がＺ軸を軸中心として例えば右回りに回転されると、Ｚ軸に右回りの角速度Ωが生じ、コリオリ力が第１の振動子１２ａおよび第２の振動子１２ｂに生じる。
つまり、図４（ａ）および図４（ｃ）に示すように、第１の振動子１２ａと第２の振動子１２ｂが、それぞれＹ軸の逆方向に変位する。これにより、光源部１１を射出して第１の振動子１２ａとコリメータレンズ１３を介して光学部材１４に入射される第１の平行光の光路長と、光源部１１を射出して第２の振動子１２ｂとコリメータレンズ１３を介して光学部材１４に入射される第２の平行光の光路長とが変化する。このため、光源部１１を射出して第１の振動子１２ａで反射された第１の光Ｌ１と第２の光Ｌ２とに基づく干渉光Ｌ１２の光路長と、光源部１１を射出して第２の振動子１２ｂで反射された第３の光Ｌ３と第４の光Ｌ４とに基づく干渉光Ｌ３４の光路長との間に光路差が生じる。

そして、検出部１９は、第１の受光素子１７によって検出される干渉光Ｌ１２と干渉光Ｌ３４の干渉強度を表わすＩ_１、Ｉ_２を、例えば米国特許６６３９９８６号公報に示されている信号処理の技術を利用して、位相同期検波を行うことにより、位置情報Ｘ_１、Ｘ_２や干渉光Ｌ１２、Ｌ３４の位相成分を表わす情報を高感度に算出することができる。そして、検出部１９は、位置情報Ｘ_１、Ｘ_２や干渉光Ｌ１２、Ｌ３４の位相成分を表わす情報基づき位相差を検出して、干渉縞の変化を検出することができる。なお、Ｉ_１は、上述の式（１）と同様に表される干渉光Ｌ１２の干渉強度であって、Ｉ_２は、上述の式（２）と同様に表される干渉光Ｌ３４の干渉強度である。

また、コリオリ力が発生した場合、第１の振動子１２ａと第２の振動子１２ｂは、お互いが離れる方向にともに変位するため、第１の振動子１２ａあるいは第２の振動子１２ｂのいずれか一方の光路長の変化を検出することによって、干渉縞の変化を検出するものであってもよい。

このように、振動部材１２が回転してＺ軸周りの角速度が加わると、第１の振動子１２ａと第２の振動子１２ｂには、互いが反対方向に動くようなコリオリ力が発生し、干渉光Ｌ１２、Ｌ３４の干渉縞に位相差が生じる。
よって、検出部１９が、コリオリ力が発生した場合に干渉光Ｌ１２と干渉光Ｌ３４とに生じる位相差を検出することによって、干渉縞の変化を高感度に検出することができる。

また、コリオリ力を受けて第１の振動子１２ａと第２の振動子１２ｂの反射角度が変化すると、反射される光の振動中心が変化するため、干渉用光学部材１６に入射する光の中心が、Ｘ軸方向に移動する。例えば、振動部材１２がＺ軸の右回りに回転した場合、干渉用光学部材１６に入射する光の中心はＸ軸の正方向に移動する。
例えば、Ｚ軸周りの回転運動によって角速度Ωが振動部材１２に加えられた場合、第１の振動子１２ａと第２の振動子１２ｂの反射部で反射された光の振動中心は、角速度Ωの方向と反対方向に回転する。例えば、振動部材１２が回転していない状態の位置情報をＸ_１、Ｘ_２とすると、次式が得られる。

Ｉ_１＝Ａ_０＋ｃｏｓ(Ｘ_１＋ΔＸ＋Ａ_１ｓｉｎωｔ) ・・・（式３）

Ｉ_２＝Ａ_０＋ｃｏｓ(Ｘ_２＋ΔＸ−Ａ_２ｓｉｎωｔ) ・・・（式４）

ここで、（式３）、（式４）の通り、検出部１９は、干渉光Ｌ１２、Ｌ３４に基づき、例えば米国特許６６３９９８６号公報に示されている信号処理の技術を利用して位相同期検波を行い位置情報を算出し、これを加算平均して（Ｘ_１＋Ｘ_２）／２＋ΔＸを得ることができる。また、位置情報Ｘ_１、Ｘ_２は、既知の値であるので、ΔＸを算出できる。なお、ΔＸは、弾性部材１２の弾性変形の線形範囲内で加えられた角速度に概略比例するので、角速度検出装置１は、このΔＸに基づき角速度を検出することができる。
また、本実施形態における角速度検出装置１は、振動部材１２の左右のアーム（第１の振動子１２ａと第２の振動子１２ｂ）に等しく加わる外乱振動や、環境温度の変化、光源波長の変化等の要素を低減する又はキャンセルすることができる。従って、安定して高精度な角速度を測定することができる角速度検出装置１を実現することができる。

また、上述の通り、振動部材１２が回転した場合、上述の（式３）（式４）に示す通り、第１の振動子１２ａや第２の振動子１２ｂの反射角度が変化することによって、加算平均して得られる値「（Ｘ_１＋Ｘ_２）／２＋Δｘ」となる。一方、特許文献１に記載されている通り、板状の音叉型の振動部材を、自振動部材の面方向に振動させる場合、本実施形態のように、反射角度が変化することはなく、得られる位置情報を加算平均したとしても、通常通り（Ｘ_１＋Ｘ_２）／２である。
このように、本実施の形態は、捩れ振動モードによって振動部材１２を振動させることにより、コリオリ力が働いた場合に得られる位置情報の加算平均の値を通常の値に比べて、Δｘだけ、大きくすることができる。よって、角速度検出装置１の回転が微小であった場合でも、検出部１９によって得られる加算平均の値を、通常よりも大きくすることができるため、高精度に角速度を検出することができる。

なお、光学部材１４によって回折される回折光として、±１次回折光を例に説明したが、本発明はこれに限られず、例えば、光学部材１４は、−１次回折光である第１の光Ｌ１と、＋２次回折光である第２の光Ｌ２とに分離する構成であってもよい。つまり、次数の異なる光同士を干渉させる構成であってもよい。
また、本実施形態における式は、一例であって、上述の式に限定されるものではない。

１１ 光源部
１２ 振動部材
１２ａ 第１の振動子
１２ｂ 第２の振動子
１３ コリメータレンズ
１４ 光学部材
１５ カラスブロック
１６ 干渉用光学部材
１７ 第１の受光素子
１８ 第２の受光素子
１９ 検出部
２０ 制御部

Claims (23)

1. 角速度を検出する角速度検出装置であって、
   光源部から射出された光が入射する第１の振動子を備える振動部材と、
   前記第１の振動子を介した前記光を入射する入射面と前記入射面からの光を透過して射出する射出面とを備える透過部材と、前記透過部材の前記入射面に設けられ前記入射面に入射した光を第１の光と第２の光とに分岐させる分岐部材と、前記透過部材の前記射出面に設けられ前記透過部材を透過した前記第１の光と前記第２の光とを干渉させる干渉部材と、を一体に有する光学系と、
   前記第１の光および前記第２の光に基づく干渉光を受光する受光部と、
   前記第１の振動子の回転運動によって生じる前記干渉光の干渉縞の変化をもとに、前記第１の振動子の変位を検出する検出部と、を備えることを特徴とする角速度検出装置。
2. 前記第１の振動子は、捩れ振動モードで振動することを特徴とする請求項１に記載の角速度検出装置。
3. 前記検出部は、前記回転運動によって生じる前記第１の光と前記第２の光とにおける光路長の相対的な変化をもとに、前記第１の振動子の変位を検出することを特徴とする請求項１あるいは２に記載の角速度検出装置。
4. 前記検出部は、前記第１の振動子の回転運動のコリオリ力で生じる前記第１の振動子の変位を検出することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の角速度検出装置。
5. 前記第１の振動子は、
   前記コリオリ力によって振動中心が変位することを特徴とする請求項４に記載の角速度検出装置。
6. 前記第１の振動子は、
   自角速度検出装置によって検出される回転の回転軸と直交する方向に前記振動中心が変位することを特徴とする請求項５に記載の角速度検出装置。
7. 前記第１の振動子は、
   自角速度検出装置によって検出される回転の回転軸と直交する方向に振動することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の角速度検出装置。
8. 前記第１の光の光路長と前記第２の光の光路長とが同一であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の角速度検出装置。
9. 前記検出部は、
   前記第１の振動子が回転していない状態で前記第１の振動子を介した光に基づき得られる前記干渉光の干渉強度の変化を基本周波数として同期検波を行い、前記第１の振動子の振動中心の変位による前記光の光路長の変化を検出することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の角速度検出装置。
10. 前記分岐部材は、位相格子又はビームスプリッタを含むことを特徴とする請求項９に記載の角速度検出装置。
11. 前記干渉部材は、位相格子又はビームスプリッタを含むことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の角速度検出装置。
12. 前記振動部材は、
    前記第１の振動子と一対に構成された第２振動子を備え、
    前記干渉部材は、
    前記第２振動子を介した前記光のうち分岐された第３の光と第４の光とを干渉させる
    ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の角速度検出装置。
13. 前記第３の光と前記第４の光とに基づく第２干渉光を受光する第２受光部を備えることを特徴とする請求項１２に記載の角速度検出装置。
14. 前記検出部は、前記第１の振動子と前記第２振動子との回転運動によってそれぞれ生じる前記干渉光の干渉縞の変化及び前記第２干渉光の干渉縞の変化をもとに、前記第１の振動子の変位及び前記第２の振動子の変位を検出することを特徴とする請求項１３に記載の角速度検出装置。
15. 前記第２の振動子は、捩れ振動モードで振動することを特徴とする請求項１２から１４のいずれか一項に記載の角速度検出装置。
16. 前記検出部は、前記第２の振動子の回転運動によって生じる前記第３の光と前記第４の光とにおける光路長の相対的な変化をもとに、前記第２の振動子の変位を検出することを特徴とする請求項１２から１５のいずれか一項に記載の角速度検出装置。
17. 前記検出部は、前記第２の振動子の回転運動のコリオリ力で生じる前記第２の振動子の変位を検出することを特徴とする請求項１２から１６のいずれか一項に記載の角速度検出装置。
18. 前記干渉部材は、前記第１の光と前記第２の光とを干渉させる領域とは異なる領域において前記第３の光と前記第４の光とを干渉させることを特徴とする請求項１２から１７のいずれか一項に記載の角速度検出装置。
19. 前記第２の振動子は、自角速度検出装置によって検出される回転の回転軸と直交する方向に振動することを特徴とする請求項１２から１８のいずれか一項に記載の角速度検出装置。
20. 前記振動子および前記第２の振動子は、
    自角速度検出装置によって検出される回転の回転軸と直交する方向にそれぞれ反対側に向かって各々の振動中心が変位することを特徴とする請求項１２から１９のいずれか一項に記載の角速度検出装置。
21. 前記第３の光と前記第４の光の光路長が同一であることを特徴とする請求項１２から２０のいずれか一項に記載の角速度検出装置。
22. 前記振動部材は、音叉型であることを特徴とする請求項１から２１のいずれか一項に記載の角速度検出装置。
23. 前記光源部、前記振動部材、前記光学系および前記受光部は、互いに位置関係が固定されていることを特徴とする請求項１から２２のいずれか一項に記載の角速度検出装置。

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