JP5925537B2 - リングレーザジャイロ - Google Patents

Description

この発明は角速度を検出するリングレーザジャイロに関する。

図１２はリングレーザジャイロの一般的な構造を示したものであり、ガラスブロック１１内に三角形の通路１２が形成され、その通路１２の三角形の各頂点１２ａ，１２ｂ，１２ｃにミラー１３〜１５が配されてリング状の光路２０が形成されている。通路１２内にはレーザ媒質が封入され、通路１２の各辺には陽極１６，１７及び陰極１８が設けられている。ガラスブロック１１の中央には開口１９が形成されており、この開口１９にディザ機構２１が取り付けられている。

ディザ機構２１は円筒状の可動部２２と、その可動部２２の軸心から放射状に延伸されて可動部２２に至る３本の梁２３と、軸心位置においてこれら梁２３と連結された固定部２４とを備えており、この例では図示を省略しているが、各梁２３の両側面に圧電素子が取り付けられた構造となっている。ディザ機構２１は圧電素子に交番電圧を印加し、梁２３を変形させることにより、可動部２２を角振動させ、これによりガラスブロック１１にロックイン現象の発生を防止すべく、角振動を与えることができるものとなっている。

上記のような構成を有するリングレーザジャイロ１０では陽極１６，１７と陰極１８との間に高電圧を印加し、プラズマ放電を発生させてレーザ媒質を励起し、リング状光路２０に互いに反対方向（右回り、左回り）に進行する２つのレーザ光を発振させる。この状態でリングレーザジャイロ１０に角速度が入力すると、２つのレーザ光に光路差が生じ、その光路差が２つのレーザ光に発振周波数差を生じさせる。従って、これら２つのレーザ光を重ね合わせることにより干渉縞ができ、この干渉縞から入力角速度を検出するものとなっている。

レーザ光の取り出しはミラー１３がリードアウトミラーとされて、このミラー１３を介して行われる。図１２中、２５は干渉縞を検出するフォトセンサを示し、２６は一方のレーザ光の光路を変換して干渉縞を形成するためのプリズムを示す。また、２７，２８はミラー１４，１５を変位させ、光路長を制御するためのアクチュエータを示す。なお、フォトセンサ２５及びプリズム２６は図１２ではリングレーザジャイロ１０と離して模式的に示しているが、これらはリングレーザジャイロ１０に取り付けられており、リングレーザジャイロ１０の構成要素をなす。リングレーザジャイロ１０はディザ機構２１の固定部２４が例えばシャーシ（図示せず）にネジ止め固定されることによってシャーシに搭載される。

リングレーザジャイロ１０は上述したようにディザ機構２１の固定部２４を介してシャーシに搭載支持され、つまり中央部が支持される構造のため、衝撃や振動等により大きな加速度が外部から加わると、ガラスブロック１１が撓む（変形する）といった状況が発生する。ガラスブロック１１の撓みによりアライメントが変化して光軸にずれが生じ、これによりレーザ発振が正常に行われず、計測を正常に行うことができなくなるといった問題が発生する。

図１３はこのような問題に対処すべく、特許文献１に記載されている構成を示したものであり、この例ではガラスブロック１１の撓みによる光軸のずれによりフォトセンサ２５の検出出力に生じるパワー変動を除去するものとなっている。

フォトセンサ２５の検出出力はプリアンプを介してコンパレータに入力され、コンパレータでパルス信号に変換されるが、図１３ではプリアンプの前段に、バッファ３１，３２とローパスフィルタ３３と反転バッファ３４と加算手段３５が設けられた構成となっている。

フォトセンサ２５の検出出力はバッファ３１，３２にそれぞれ入力され、バッファ３２の出力はローパスフィルタ３３に入力される。ローパスフィルタ３３はフォトセンサ２５の検出出力のパワー変動成分を取り出すもので、取り出されたパワー変動成分は反転バッファ３４により極性が反転される。加算手段３５にはバッファ３１の出力と反転バッファ３４の出力が入力され、これら出力が加算される。これにより、加算手段３５の出力はフォトセンサ２５の検出出力からパワー変動成分が除去されたものとなり、プリアンプ３６を介してコンパレータ３７に入力される。

特開平１１−３５１８８１号公報

ところで、上述したようなフォトセンサ２５の出力処理では、衝撃が加わった場合のような低い周波数の加速度入力に対しては対処することができるものの、高い周波数（数ｋＨｚ）の加速度入力に対しては対処することができない。即ち、高い周波数のパワー変動に対処するため、ローパスフィルタ３３のカットオフ周波数を例えば数ｋＨｚと高くすると、フォトセンサ２５の必要な周波数帯の検出出力もローパスフィルタ３３を通過してしまい、反転バッファ３４及び加算手段３５の処理により必要な検出出力から必要な検出出力を差し引く結果となってしまう。

この発明の目的は上述したような問題に鑑み、高い周波数の加速度が加わった場合でもガラスブロックの撓みを抑制することができるようにし、過酷な加速度・振動環境下でも正常に計測することができるリングレーザジャイロを提供することにある。

請求項１の発明によれば、ガラスブロック内のリング状光路に右回り及び左回りのレーザ光を発振させ、角速度入力により生じるそれら２つのレーザ光の発振周波数差から入力角速度を検出するリングレーザジャイロにおいて、リングレーザジャイロの入力軸と直交するガラスブロックの外面に、その外面に沿う板状体が配置され、板状体はその中央部分がガラスブロックに対する固定部とされ、その固定部以外は前記外面と離間され、板状体の周縁部の少なくとも一部がエラストマを介して前記外面の周縁部と固定される。

請求項２の発明では請求項１の発明において、板状体はガラスブロックに取り付けられるディザ機構と一体形成される。

請求項３の発明では請求項１の発明において、板状体の固定部はディザ機構を介してガラスブロックに固定される。

請求項４の発明では請求項２又は３の発明において、ディザ機構は前記外面に取り付けられている。

請求項５の発明では請求項１乃至４のいずれかの発明において、板状体は高透磁率金属材料によって形成される。

請求項６の発明では請求項１乃至５のいずれかの発明において、板状体の、前記外面と対向する面と反対側の面に、少なくとも１つの錘が取り付け位置可変とされて配置される。

請求項７の発明では請求項６の発明において、錘はディザ機構の回転中心軸とリング状光路の各頂点とを結ぶ線上にそれぞれ位置される。

この発明によれば、ガラスブロックの外面に沿って板状体を配置し、板状体の中央部分をガラスブロックに対する固定部とし、周縁部をエラストマを介してガラスブロックの外面の周縁部と固定することにより、いわゆる片持ち梁の連成振動系を構成するものとなっており、これにより振動等により外部から高い周波数の加速度が加わった場合でもガラスブロックの撓み、撓み振動を抑制することができるものとなっている。従って、過酷な加速度、振動環境下でも正常に計測することができるリングレーザジャイロを得ることができる。

この発明の実施例１の構成概要を示す図、Ａは平面図、ＢはＡのＤＤ線部分断面図。 片持ち梁の連成振動系によって共振ピークが大きく減衰する様子を示すグラフ。 この発明の実施例２の構成概要を示す図、Ａは平面図、ＢはＡのＤＤ線部分断面図。 この発明の実施例３の構成概要を示す図、Ａは平面図、ＢはＡのＤＤ線部分断面図。 この発明の実施例４の構成概要を示す図、Ａは平面図、ＢはＡのＤＤ線部分断面図。 この発明の実施例５の構成概要を示す図、Ａは平面図、ＢはＡのＤＤ線部分断面図。 この発明の変形例１の構成概要を示す図、Ａは平面図、ＢはＡのＤＤ線部分断面図。 この発明の変形例２の構成概要を示す図、Ａは平面図、ＢはＡのＤＤ線部分断面図。 この発明の変形例３の構成概要を示す部分断面図。 この発明の変形例４の構成概要を示す部分断面図。 この発明の変形例５の構成概要を示す部分断面図。 リングレーザジャイロの一般的な構造を説明するための図。 ガラスブロックの撓みに起因する光軸ずれの問題に対処するための従来例を示すブロック図。

この発明の実施の形態を図面を参照して実施例により説明する。

図１はこの発明によるリングレーザジャイロの実施例１の構成概要を示したものであり、この例ではリングレーザジャイロのリング状光路が形成されているガラスブロック４１に対し、そのリングレーザジャイロの入力軸（角速度入力に対して感度を有する軸）Ｃと直交する外面４１ａに、その外面４１ａに沿って板状体４２が配置される。なお、図１ではリングレーザジャイロはガラスブロック４１の外形のみを簡略化して示している。ガラスブロック４１は例えば図１２に示したガラスブロック１１と同様の構造を有する。

板状体４２はガラスブロック４１の平面形状（外面４１ａの形状）と同じ平面形状を有するものとされ、六角形をなす。板状体４２の中央円形部分は厚さが大とされて固定部４２ａとされており、この固定部４２ａがガラスブロック４１の外面４１ａに固定されている。板状体４２はこの例ではガラスブロック４１と同じガラス製とされ、接着によりガラスブロック４１に固定されている。

板状体４２の固定部４２ａ以外の部分（固定部４２ａのまわりの部分）は図１Ｂに示したようにガラスブロック４１の外面４１ａと所定の間隙ｇを介して離間されており、板状体４２の周縁部における間隙ｇの一部にはエラストマ４３が配置され、エラストマ４３を介して板状体４２の周縁部と、その周縁部と対向するガラスブロック４１の外面４１ａの周縁部とが固定されている。エラストマ４３はこの例では図１Ａに示したように六角形をなす板状体４２の１つおきの短辺に配置され、計３箇所に配置されている。

上記のようにガラスブロック４１の外面４１ａに板状体４２を配置し、さらに外面４１ａと板状体４２との間の一部にエラストマ４３を介在させることにより、この例では片持ち梁の連成振動系を構成するものとなっている。即ち、ガラスブロック４１の中央から周縁を見れば、ガラスブロック４１と板状体４２とは中央が固定端とされた片持ち梁をなし、それらの自由端（遊端）にエラストマ４３が介在されて連成振動系が構成されている。

衝撃や振動等により大きな加速度が外部から加わると、前述したようにガラスブロック４１は中央に対して周縁部が撓む。そして、共振周波数で撓み振動が極めて大きく発生する。片持ち梁の連成振動系は自由端を拘束することにより撓み振動の共振を抑制することができ、つまりガラスブロック４１の撓み振動を特に共振周波数において大きく減衰させることができる。

図２はこのような片持ち梁の連成振動系によって共振ピークが大きく減衰される様子を示したものであり、図２における主振動系はガラスブロック４１に相当し、副振動系は板状体４２に相当する。連成振動系は主振動系（ガラスブロック４１）の連成振動結果を示す。図２より撓み振動の共振ピークを大きく減衰させることができることがわかる。

以上説明したように、この例では板状体４２をガラスブロック４１に配置して片持ち梁の連成振動系を構成するようにしたものであり、これにより振動等により外部から高い周波数の加速度が加わった場合でもガラスブロック４１の撓み・撓み振動を抑制することができるものとなっている。従って、過酷な加速度・振動環境下でも正常に計測することができるリングレーザジャイロを得ることができる。

エラストマ４３は上述した例では板状体４２の３つの短辺に配置されているが、例えばガラスブロック４１の中心から周縁までの寸法が数ｃｍ程度の場合、各短辺のエラストマ４３の配置面積は１〜３ｃｍ²とされ、厚さは１００μｍ程度とされる。また、エラストマ４３のヤング率は０．１ＧＰａ程度とされる。

エラストマ４３としては具体的には、シリコーンゴム等のゴムを用いることができる。また、ゴムに限らず、シリコーン系接着剤等の弾性接着剤を用いることもできる。なお、図１では板状体４２の３つの短辺に、即ちガラスブロック４１においてミラー１３〜１５が配置される辺にエラストマ４３を配置しており、つまりガラスブロック４１の中心からの距離が長い（遠い）箇所にエラストマ４３を配置しているが、例えば板状体４２の周縁部全周に配置するようにしてもよい。

板状体４２の中央の固定部４２ａは、固定部４２ａのまわりの部分に対し、上面側においても１段高く、凸部４２ｂを形成しているが、この凸部４２ｂはなくてもよい。なお、図２に示したような連成振動系によって撓み振動の共振を抑制するためには、板状体４２の固有振動数をガラスブロック４１の固有振動数に近づける必要があり、つまり板状体４２の固有振動数がガラスブロック４１の固有振動数に近づくように、板状体４２の固有振動数を高める必要がある。このために、板状体４２の外周側は薄くなっており、結果として凸部４２ｂを有する形状となっている。

ガラスブロック４１は上記においては図１２に示したリングレーザジャイロ１０のガラスブロック１１と同様の構造を有するものとしているが、これに限らず、例えば中央の開口１９（図１２参照）へのディザ機構２１の取り付けがない（ディザ機構２１を具備しない）構造のものであってもよい。

図３は実施例２の構成概要を示したものであり、この例では板状体４２′をガラスではなく、金属材によって形成したものとなっている。

板状体４２′の固定部４２ａの下面には円筒部４２ｃが突出形成されており、さらにこの円筒部４２ｃの内周側に所定の間隙を隔てて円柱部４２ｄが突出形成されている。この例ではこれら円筒部４２ｃ及び円柱部４２ｄが板状体４２′に一体形成されたものとなっている。

板状体４２′のガラスブロック４１への取り付けは、図１２におけるディザ機構２１のガラスブロック１１への取り付けと同様、ガラスブロック４１の開口４１ｂに円筒部４２ｃを嵌め込んで円筒部４２ｃをガラスブロック４１に接着固定することによって行われる。このような固定方法を採用すれば、金属製の板状体４２′とガラスブロック４１との熱膨張係数の差に起因して例えば熱応力がガラスブロック４１に加わり、ガラスブロック４１が破損するといった問題を回避することができ、板状体４２′を金属製とすることができる。

板状体４２′を構成する金属材料としては例えばディザ機構２１の構成材料と同じインバーを用いることができ、また他の金属材料を用いることもできる。なお、円柱部４２ｄはシャーシ等の外部部材との固定用に使用され、この部分の熱膨張を逃がすため、円筒部４２ｃとの間に間隙を設けている。

図４は実施例３の構成概要を示したものであり、この例では板状体４２″をディザ機構２１′に一体形成したものとなっている。

ディザ機構２１′は図１２に示したディザ機構２１と同様の構成を有し、ディザ機構２１より高さ方向（ディザ機構の回転中心軸Ｃ′方向）の寸法が大とされており、このディザ機構２１′の円筒状をなす可動部２２の外周に板状体４２″が一体形成されている。

この例ではディザ機構２１′がガラスブロック４１の開口４１ｂに取り付け固定されることにより、ガラスブロック４１の外面４１ａに板状体４２″が対向配置される。板状体４２″を備えたディザ機構２１′は例えばインバーによって形成される。

この図４に示した構成のように板状体４２″をディザ機構２１′と一体形成すれば、板状体４２″の中央部分はガラスブロック４１に対する固定部となる。

図５は実施例４の構成概要を示したものであり、この例ではディザ機構２１″はガラスブロック４１の開口４１ｂに取り付けられるのではなく、ガラスブロック４１の外面４１ａに取り付けられており、このディザ機構２１″に実施例３と同様、板状体４２″が一体形成されている。

ディザ機構２１″はディザ機構２１，２１′と同様の構成を有し、この例では円筒状の可動部２２は径方向の厚さが大とされて、その下面がガラスブロック４１の外面４１ａに接着固定されている。ディザ機構２１″はこの例のようにガラスブロック４１の外面４１ａに配置される場合もあり、この際、可動部２２の下面がガラスブロック４１の外面４１ａに接着固定されることになるが、例えば超小型のリングレーザジャイロでは接着面積が小さくて済むのでこのようなディザ機構２１″の取り付け形態も採用することができる。

ディザ機構２１″の固定部２４の穴２４ａは固定部２４をシャーシ等にネジ止め固定するために使用され、ガラスブロック４１に設けられている穴４１ｃはその際、ネジが当たらないようにするための逃げとなる。

図６は実施例５の構成概要を示したものであり、この例ではガラスブロック４１の外面４１ａに加え、外面４１ａと平行なもう一方の外面４１ｄにも板状体４２″が一体形成されたディザ機構２１″が取り付けられているものであり、このような構成を採用することもできる。

以上各種実施例について説明したが、板状体を金属材料で形成する場合、あるいは板状体をディザ機構と一体形成する場合、構成材料としてパーマロイ等の高透磁率金属材料を用いてもよい。

リングレーザジャイロは磁気や電磁波に対しても感度がある。これはレーザ光の偏光面が回転することによる。従って、磁気や電磁波を遮蔽することは精度の高い計測を行う上で重要である。

従来においてはリングレーザジャイロ装置全体を高透磁率金属材で覆うといった方法を採用しているが、外部からの磁気や電磁波を完全に遮断することは難しく、またリングレーザジャイロ装置内部にもこれらのノイズ源が存在することから高精度化の妨げとなっていた。この点でガラスブロックの外面に沿って配置する板状体を高透磁率金属材料で形成すれば、磁気や電磁波の遮蔽効果を高めることができ、計測精度の向上を図ることができる。

なお、実施例３〜５では板状体をディザ機構に一体形成しているが、一体形成するのではなく、板状体をディザ機構と別体とし、その板状体をディザ機構に固定するようにしてもよい。この場合、板状体の中央固定部はディザ機構を介してガラスブロックに固定される形態となる。

［変形例１］
図７はこの発明によるリングレーザジャイロの変形例１の構成概要を示したものであり、この例では実施例１の構成に対し、板状体４２の上面（ガラスブロック４１の外面４１ａと対向する面と反対側の面）４２ｅに錘４４が３つ配置されたものとなっている。この錘４４はディザ機構の回転中心軸Ｃ′周りの板状体４２の慣性モーメントを調整するために使用される。

例えば、ディザ機構の回転中心軸Ｃ′とリングレーザジャイロの慣性主軸（ディザ機構によって角振動する部分の慣性乗積がゼロになる軸のうち、入力軸と同じ方向とみなすことができる軸）とが一致していないと、ガラスブロック４１に不測のコーニング運動（歳差運動）が生じやすくなるという問題があり、このようなコーニング運動が生じると検出精度の悪化を招く。錘４４はこのようなディザ機構の回転中心軸Ｃ′と慣性主軸との不一致を解消するために使用される。

錘４４はこの例では三角形をなすリング状光路（図１２参照）の各頂点とディザ機構の回転中心軸Ｃ′とを結ぶ線上にそれぞれ位置されており、即ち板状体４２の３つの短辺の各中心とディザ機構の回転中心軸Ｃ′とを結ぶ線上にそれぞれ位置されている。これら錘４４は円周上に配置されており、取り付け位置可変とされている。

円周上に配置された錘４４の位置を調整することによりディザ機構の回転中心軸Ｃ′周りの慣性モーメントを調整することができる。慣性モーメントＪは、
Ｊ＝∫ｒ²ｄｍ
と表される。但し、ｄｍは微小質量、ｒは回転中心軸からの距離である。

よって、微小質量の集合である錘４４を回転中心軸から遠い位置に配置すると、板状体４２の慣性モーメントは大きくなり、逆に回転中心軸に近い位置に配置すると、板状体４２の慣性モーメントは小さくなる。

例えば、リードアウトミラー（ミラー１３、図１２参照）が重く、リードアウトミラーのある側の慣性モーメントが大きくなる場合、慣性モーメントに偏りが生じてディザ機構の回転中心軸Ｃ′と慣性主軸とが一致せず、上述したようにガラスブロック４１にコーニング運動が生じやすくなる。また、この場合、回転中心軸に力が加わることにより、その力が外部に伝搬するといった状況も発生する。

そこで、錘４４を用いて慣性モーメントに偏りがないようにし、慣性主軸と回転中心軸Ｃ′とを一致させる調整を行うことにより、このような問題を回避する。

錘４４の位置調整は例えば６分力天秤を使用して行うことができる。なお、錘４４はこの例では板状体４２と同じガラス製であり、オプティカルコンタクトにより板状体４２に固定される。

錘４４はこの例では上述したように３つ設けているが、３つに限定されるものではなく、また配置位置も上記に限定されるものではない。但し、この例のように３つの錘４４を配置することにより、慣性モーメントの調整を良好に行うことができる。

［変形例２］
図８は変形例２の構成概要を示したものであり、この例では実施例２の構成に対し、変形例１と同様、錘４４′を配置したものとなっている。

この例では錘４４′は金属製とされ、図８Ａに示したように一対の長円穴４４ａが形成されている。錘４４′はネジ止めにより板状体４２′に固定され、ネジ４５が挿通される（取り付けられる）穴を長円穴４４ａとすることにより、取り付け位置可変とされている。

［変形例３〜５］
図９〜１１は変形例３〜５の構成概要を示したものである。

これら図９〜１１は実施例３〜５の構成に対し、錘４４′を配置した構成をそれぞれ示している。

１０ リングレーザジャイロ １１ ガラスブロック
１２ 通路 １２ａ，１２ｂ，１２ｃ 頂点
１３，１４，１５ ミラー １６，１７ 陽極
１８ 陰極 １９ 開口
２０ 光路 ２１，２１′，２１″ ディザ機構
２２ 可動部 ２３ 梁
２４ 固定部 ２４ａ 穴
２５ フォトセンサ ２６ プリズム
２７，２８ アクチュエータ ３１，３２ バッファ
３３ ローパスフィルタ ３４ 反転バッファ
３５ 加算手段 ３６ プリアンプ
３７ コンパレータ ４１ ガラスブロック
４１ａ 外面 ４１ｂ 開口
４１ｃ 穴 ４１ｄ 外面
４２，４２′，４２″ 板状体 ４２ａ 固定部
４２ｂ 凸部 ４２ｃ 円筒部
４２ｄ 円柱部 ４２ｅ 上面
４３ エラストマ ４４，４４′ 錘
４５ ネジ ４４ａ 長円穴

Claims (7)

1. ガラスブロック内のリング状光路に右回り及び左回りのレーザ光を発振させ、角速度入力により生じるそれら２つのレーザ光の発振周波数差から入力角速度を検出するリングレーザジャイロであって、
   前記リングレーザジャイロの入力軸と直交する前記ガラスブロックの外面に、その外面に沿う板状体が配置され、
   前記板状体はその中央部分が前記ガラスブロックに対する固定部とされ、その固定部以外は前記外面と離間されており、
   前記板状体の周縁部の少なくとも一部がエラストマを介して前記外面の周縁部と固定されていることを特徴とするリングレーザジャイロ。
2. 請求項１記載のリングレーザジャイロにおいて、
   前記板状体は前記ガラスブロックに取り付けられるディザ機構と一体形成されていることを特徴とするリングレーザジャイロ。
3. 請求項１記載のリングレーザジャイロにおいて、
   前記板状体の固定部はディザ機構を介して前記ガラスブロックに固定されていることを特徴とするリングレーザジャイロ。
4. 請求項２又は３記載のリングレーザジャイロにおいて、
   前記ディザ機構は前記外面に取り付けられていることを特徴とするリングレーザジャイロ。
5. 請求項１乃至４記載のいずれかのリングレーザジャイロにおいて、
   前記板状体は高透磁率金属材料によって形成されていることを特徴とするリングレーザジャイロ。
6. 請求項１乃至５記載のいずれかのリングレーザジャイロにおいて、
   前記板状体の、前記外面と対向する面と反対側の面に、少なくとも１つの錘が取り付け位置可変とされて配置されていることを特徴とするリングレーザジャイロ。
7. 請求項６記載のリングレーザジャイロにおいて、
   前記錘はディザ機構の回転中心軸と前記リング状光路の各頂点とを結ぶ線上にそれぞれ位置されていることを特徴とするリングレーザジャイロ。

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