JPH0656301B2 - リングレーザジャイロのディザー撓み装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の背景］ この発明は、一般に回転センサ、特定的に、リングレー
ザジャイロ回転センサに関するものである。さらに特定
的に、この発明は、ロックイン効果を減じるためにリン
グレーザジャイロの入力軸のまわりに回転運動を許容
し、コニング(coning)誤差を減じるために他のすべての
自由度に対して非常に高い剛性を与えるためのリングレ
ーザジャイロの枠を支持するためのディザー撓み装置に
関するものである。

リングレーザジャイロは、回転を検出するためにサニャ
ック効果を用いる。閉ループの２つの逆伝搬する光ビー
ムは、ループの面に垂直な軸をまわるループの回転速度
に正比例して異なる走行時間を有するであろう。一般
に、回転を検出するためにサニャック効果を用いるため
の２つの基本的技術がある。第１の技術は、外部源、典
型的にはレーザからサニャックリングに注入された２つ
の逆伝搬するビーム間の微分位相のシフトを測定するこ
とを伴なう干渉計的アプローチである。リングは、光ビ
ームを路のまわりに向ける鏡によって、または光ファイ
バのコイルによって規定されるかもしれない。路を抜け
出すビームは、干渉し、普通、縞模様と呼ばれる明と暗
の線のパターンを作り出す。縞模様の絶対変化は、リン
グの回転を示す。このような装置に伴う主要な困難性
は、嚮導の応用における興味ある回転速度に対しては変
化が大変小さいということである。

リングレーザジャイロは、逆に伝搬するビーム相互間の
サニャック位相差を周波数差に転換するために、閉され
た空洞の共振特性を用いる。リングレーザジャイロに用
いられる光のほぼ１０^１５Ｈｚの高い光周波数により、
微小の位相変化は、たやすく測定されるうなり周波数に
なるようにされる。

リングレーザジャイロは、逆伝搬するビームに横切られ
る閉路を通るセンサ軸を有している。リングレーザジャ
イロが、そのセンサ軸のまわりに回転しないときは、２
つの逆伝搬するビームの光路は、２つのビームが同一の
周波数を有するように同一の長さを有する。そのセンサ
軸のまわりを回るリングレーザジャイロの回転により、
回転方向に進行する光の実効路長は、回転方向と反対に
進行する波の実効路長が減る一方で、増す。

リングレーザジャイロは、レーザを放出する媒質、すな
わち利得媒質が空洞の外側か、または内側かによって、
受動または能動に分類されるかもしれない。能動リング
レーザジャイロにおいては、閉光路により規定される空
洞は発振器になり、２つの方向からの出力ビームは、回
転速度の尺度であるうなり周波数を与えるために共にう
なる。発振器によるアプローチは、空洞共振器の周波数
フィルタ動作特性が、多くのオーダの大きさにより、受
動空洞以下に狭められ、非常に正確な回転感知電位を与
えることを意味する。現在まで、主要なリングレーザジ
ャイロ回転センサに対する努力は、能動リングレーザに
つぎこまれてきた。目下、市場で入手可能なすべての光
回転センサは、能動リングレーザジャイロである。

リングレーザジャイロの回転速度が、ある範囲内である
とき、ビーム相互間の周波数差は消える。この現象は、
周波数ロックイン、またはモードロック動作と呼ばれ、
低い回転速度においては、リングレーザジャイロが、装
置が回転していないという偽の指示を生じるので、これ
がリングレーザジャイロの主要な難点である。リングレ
ーザジャイロの回転速度が、ロックインが生じるぐらい
の値に始まり、それから減じられれば、ビーム相互間の
周波数差は、或る入力回転速度で消える。この入力回転
速度は、ロックインしきい値と呼ばれ、Ω_Ｌで表示され
るかもしれない。ロックインが生じる以上の回転速度の
範囲は、リングレーザジャイロのデッドバンドである。

ロックインは、ビーム相互間の光の結合により生じると
信じられている。結合は、ビームを閉路に閉込める鏡か
らの後方散乱に主に由来する。後方散乱により、各々の
方向のビームが、他の方向に伝搬するビームの周波数を
有する小さな成分を含むようにされる。リングレーザジ
ャイロのロックイン効果は、従来の電子発振器において
長い間観察され理解されてきた結合と同じである。

２つのビーム間の周波数差の符号が逆転すると、ある点
で、周波数が０になるので、ビームはロックインする傾
向がある。リングレーザジャイロの出力は、周波数差か
ら引き出されるので、誤差は出力角に溜まる。２つのビ
ームがロックインされる周期は、普通、非常に期間長さ
が短いので、誤差は大変小さい。しかしながら、誤差は
累積し、やがて、誤差は正確な航行システムにおいて明
らかになり得る。この誤差は、ランダムウォークあるい
はランダムドリフトと呼ばれる。

誤った回転速度の情報が、リングレーザジャイロより出
力されるようにすることに加えて、ロックインにより、
定在波が、鏡表面に現われるようにされる。これらの定
在波は、高低の吸収域の格子を作り出すかもしれず、そ
れは、ビームとロックイン間の結合を増す損失を局部的
に作り出す。鏡は、リングレーザジャイロがロックイン
の状態で動作するようにしておくことにより、永久に歪
まされるかもしれない。

低い回転速度を正確に測定することができないことは、
航行システムにおけるリングレーザジャイロの効率を減
じる。このようなシステムにおけるリングレーザジャイ
ロの効率的使用を高めるために、ロックイン効果を減じ
るか、あるいはなくすための実質的な量の研究開発の仕
事があった。

ロックインの問題を解くためのいくつかの公知のアプロ
ーチがある。このようなアプローチの１つは、リングレ
ーザジャイロをそのセンサ軸のまわりに機械的に発振さ
せ、そのため、装置が絶えず、デッドバンド中を掃引
し、決してそこでロックインされないことを伴なう。リ
ングレーザジャイロのこの機械的な発振は、普通、ディ
ザー動作と呼ばれる。典型的なリングレーザジャイロ
は、数アーク分の角変位を伴ない、約４００Ｈｚでディ
ザーされるかもしれない。

機械的なディザー動作は、リングレーザジャイロ枠を、
中心部分から延びる複数個の羽根あるいはブレードを含
む撓み装置上に装着することによりなしとげられる。各
々のブレードは、その両側に装着される１対の圧電材料
を有している。各々のブレードの１つの圧電材料の長さ
が増し、一方で、他方の圧電材料の長さが減らされるよ
うに、電圧が圧電材料に印加される。圧電材料のこれら
の長さ変化の影響は、圧電材料の装着を通して、ブレー
ドに伝達される。各々のブレードの一方の長さが増し、
他方が短くなることにより、ブレードは、各々のブレー
ドがリングレーザジャイロの軸のまわりに小さな回転を
経験するように撓むか、あるいは曲がるようにされる。
電圧は、ブレードの位相が常に振動し、ブレードに装着
されたリングレーザジャイロ枠が軸のまわりに回転する
ように発振する。

本体のディザーは、ディザー発振により、リングレーザ
ジャイロの枠が、センサ軸のまわりだけに回転するよう
にしなしとげられなければならない。他の軸のまわりの
いかなる小さな回転要素も、センサ軸が、円錐形の路
で、それが指すべき方向に歳差が生じるようにする。軸
のこの動作がコニングと呼ばれる。ディザー動作に由来
する軸の方向のいかなる変化も、誤差をリングレーザジ
ャイロの出力に導入する。航行システムは、センサ軸が
互いに直交して、器具ブロックに装着される３つのリン
グレーザジャイロを含むので、ディザー発振の機械的結
合がありそうである。

コニングを減じるために、撓みの発振面は、センサ軸と
垂直にされ、ディザーの軸は、非常に近い許容範囲で、
センサ軸に共線である。他の軸のまわりの発振をさらに
最小にするために、ディザー撓みは、他の軸のまわりで
発振するいかなる傾向にも抵抗するために、可能な限り
堅固でなければならない。すべての機械システムは、発
振の固有周波数を有しているので、一般に、他の軸のま
わりの幾分小さな量の発振があるだろう。典型的な先行
技術のディザー撓みは、１０００Ｈｚ以下の回転および
並列の共振周波数を有し、比較的高いコンプライアンス
を有しているので、比較的低いコニング周波数と組合わ
されると、大きなシステムバイアス誤差を導く。これら
のコンプライアンスの撓み（compliant flexures）は、
比較的大きな振幅枠入力軸運動を許容し、それはシステ
ムブロック運動と結合して、ソフトウェアで補い得ない
角誤差を引き起こす。

この発明の譲受人であるリットン・システムズ・インコ
ーポレーテッドに譲渡された、ハッチングス（Hutching
s）らの米国特許第４１１５００４号は、ジャイロスコ
ープの発振によるケースの発振動作を減じるために、リ
ングレーザジャイロのケースに平衡錘を装着する２重ば
ねシステムを開示する。この２重ばねシステムは、ケー
スとジャイロの間に装着される第１の組のばねと、ケー
スと平衡錘の間に装着される第２の組のばねを含む。

リットン・システムズ・インコーポレーテッドに譲渡さ
れた、マクネアー（Mc Nair ）らの米国特許第４３０９
１０７号は、ジャイロをディザーすることによって発生
する振動エネルギーを隔離するためのリングレーザジャ
イロディザー機構を開示し、そのエネルギが、ジャイロ
の装着ケースに通ることを妨げる。マクネアーらは、ジ
ャイロをハウジングあるいはケースに装着し、平衡錘を
ジャイロに装着し、平衡錘をケースに装着する３つのば
ねシステムを開示する。この配置は、ロックインを妨げ
るために機械的ディザー動作によって引き起こされるジ
ャイロ内の発振に反作用を与えるために、平衡錘を用い
ることにより、ジャイロのケースに通る角振動エネルギ
の量を減じる。

リットン・システムズ・インコーポレーテッドに譲渡さ
れたマクネアーの米国特許第４３２１５５７号は、粘性
の流動体の貯水槽を形成するために、レーザディザー懸
下機構に装着されたプレートとリングレーザジャイロの
ケースの下表面との間に、対の弾性リングが置かれてい
るリングレーザジャイロ結合システムを開示する。粘性
の流動体は、ケースとディザー懸下機構との間に熱応力
が伝達するのを減じる。

リットン・システムズ・インコーポレーテッドに譲渡さ
れたワート（Wirt ）らによる米国特許第４３４９１８
３号は、リングレーザジャイロディザー動作機構のため
のばね撓みアセンブリを開示する。このアセンブリは、
各々のばねが４つの圧電ウェハによって駆動される、ハ
ブとリムの間に半径方向に延びる複数個の撓みばねを含
む。各々のばねは、リムとハブの共通の軸に平行な軸の
まわりを回る減じられた慣性モーメントと、リムへの装
着領域における増加した周辺の曲げを有する。

ビュラード（Bullard）の米国特許第３４６４６５７号
は、振動エネルギを計器から隔離するために、フレーム
と航空機計器の装着プラットホームとの間に接続された
単一の一組のばねを開示する。

キルパトリック（Killpatrik ）の米国特許第３３７３
６５０号は、周波数の変化するバイアスが、逆伝搬する
ビームの少なくとも１つに与えられるディザー動作シス
テムを開示する。変化するバイアスにより、逆伝搬する
ビーム相互間の変化する周波数差が引き起こされる。こ
の周波数差は、一般に、ロックインしきい値において起
こる周波数差より大きい。周波数差の極性は、符号逆転
相互間の時間間隔にわたる周波数差の時間積分が実質的
に０になるように、定期的に変えられる。

カマー（Kumar）らの米国特許第４４３６４２３号は、
リングレーザジャイロ本体の中央の穿孔内に軸方向に装
着されるねじりヒンジを含むリングレーザジャイロの懸
下を開示する。ヒンジは、ヒンジに対するジャイロのね
じり運動を許容するために、半径方向に延びるスリット
を有する複数個の角度で間隔をあけられた翼部分を含
む。複数個の間隔のあけられた湾曲したセグメントは、
翼部分と穿孔の向かい合う表面との間の空隙をブリッジ
し、ヒンジに固定するためにそこにセメントで接合され
ている。

先のリングレーザジャイロディザー撓みは、熱変動が、
路長を変化させたり、共振空洞内の逆伝搬するビームを
一直線にしないといったような問題を引き起こすことを
妨げるために、熱応力を吸収するために、ポリウレタン
接着剤などのような比較的撓み性のある接着剤によって
フレームに装着される。非整列は、リングレーザジャイ
ロの電力出力を減じる。路長の変化は、共振空洞の共振
波長と、レーザ放出媒質が利得を与えるであろう波長を
変える。波長を変えることは、リングレーザジャイロの
換算計数を変え、それは、リングレーザジャイロにより
与えられる測定値の正確さが、公知で、一定の換算係数
を必要とするからその動作中において不所望である。

リングレーザジャイロの枠にディザー撓みを装着するた
めの先の方法の過度の撓み性は、コニング誤差を増し、
ディザー撓みアセンブリの共振周波数を低くする。典型
的な先行技術のディザー撓みは、約４００−７００Ｈｚ
の共振周波数を有する。リングレーザジャイロは、約３
００−５００Ｈｚで、センサ軸のまわりをディザーされ
るので、１つの軸のまわりのディザー振動は、他の軸に
伝達される。これらの先のディザー撓みの共振周波数
は、ディザー周波数に十分近く、ディザー駆動は、また
嚮導システムに典型的に含まれる他のリングレーザジャ
イロの軸のまわりの発振を引き起こす。

先のディザー撓みは、枠の一般的に円筒形の空洞に嵌ま
り、ディザー撓みの外表面は、正確に機械加工され、円
筒空洞と同心的に一直線にされなければならない。ディ
ザー撓みと円筒形空洞の壁との間には、撓み性のある接
着剤を受けるために、均等な空間が提供されていなけれ
ばならない。構成要素の非整列あるいは空隙の不均一に
より、枠内に応力点が引き起こされ、このような応力点
は、リングレーザジャイロの性能をひどく減らすかもし
れない。

［発明の要約］ この発明に従ったリングレーザジャイロのディザー撓み
装置は、以下の特徴を有する。以下の文章において、
（ ）内の符号は、図面を参照して説明される実施例の
各部材を示す符号である。

リングレーザジャイロ（１０）のディザー撓み装置は、
空洞（２２）を有する枠（１２）の中に形成される。デ
ィザー撓み装置は、ディザー撓み部（４６）を有する。
ディザー撓み部（４６）は、縦軸を有する中央部分（６
０）と、各々がその中央部分に接続された内方端部とそ
の中央部分から突出する外方端部とを有する複数個の羽
根部分（６４〜７１）とを含む。ディザー撓み装置は、
撓みリング（６２）と、撓みボス（７４）と、円筒状の
支持リング（５８Ａ，５８Ｂ）と、第１の支持ボス（１
００）と、第２の支持ボス（１０２）とを備える。撓み
リング（６２）は、ディザー撓み部（４６）の中央部分
のまわりで羽根部分の外方端部に接続されている。撓み
ボス（７４）は、撓みリングの外周中央部のまわりに形
成されている。支持リング（５８Ａ，５８Ｂ）は、撓み
リングを取囲んでいる。撓みボスに接合された支持リン
グの中央部分は、撓みリングと支持リングとの間に第１
の間隙（１１０）と第２の間隙（１１２）を形成する。
第１の支持ボス（１００）は、支持リングの第１の端部
から半径方向外方に延在するように形成されている。第
２の支持ボス（１０２）は、支持リングの第２の端部か
ら半径方向外方に延在するように形成されている。第１
と第２の支持ボスは、空洞の内側で枠に接合するために
配置されており、枠と支持リングとの間に第３の間隙
（１１３）を形成する。

この発明においては、撓みリング（６２）の外周中央部
のまわりに撓みボス（７４）が形成されている。この撓
みボス（７４）と支持リング（５８Ａ，５８Ｂ）は、撓
みリングと支持リングとの間に第１の間隙（１１０）と
第２の間隙（１１２）を形成する。

また、第１の支持ボス（１００）が支持リングの第１の
端部に形成されている。第２の支持ボス（１０２）は支
持リングの第２の端部に形成されている。第１と第２の
支持ボスが枠に接合されることにより、枠と支持リング
との間に第３の間隙（１１３）が形成される。

これにより、第３の間隙（１１３）は、撓みリングと枠
との間に、熱応力、または半径方向に向かう機械的な振
動を伝達するための直接の経路が存在しないように、撓
みボス（７４）に対向する。そのため、ディザー（回転
振動）のメカニズムによって引き起こされる半径方向の
熱膨張と熱収縮による力は、第１と第２の間隙を横切っ
て撓みリングと支持リングとの間に直接、伝達すること
はない。また、上記の熱膨張や熱収縮によって生じる力
は、第３の間隙を通って支持リングと枠との間に直接、
伝達することはない。

したがって、この発明のディザー撓み装置によれば、デ
ィザー撓み部の外側の撓みリングと枠との間に支持リン
グを介在させて第１、第２および第３の間隙を形成する
ことにより、ディザー撓み部と枠との間に熱応力と機械
的な振動が直接に伝達することは妨げられる。これによ
り、リングレーザジャイロの光路の歪みが回避される。

この発明は、振動とコニングに対する感度が改善されて
低くなってディザー撓み機構を提供する。この発明のデ
ィザー撓みは、リングレーザジャイロをディザーするた
めに、リングレーザジャイロの枠内の空洞に装着して形
成される。ディザー撓みは、中央のハブ部分と、各々が
ハブから延びる内側端部を有する複数個の湾曲した羽根
とを含む。羽根の外側端部は、中央部分から突出し、撓
みリングは、湾曲した羽根の外側端部に接続される。こ
の発明のディザー撓みの羽根は、ハブに接続される湾曲
した部分と、湾曲した部分と撓みリングとの間に含まれ
る直線部分を含むことが好ましい。

複数個の羽根は、羽根の各々の対が、それとハブとの接
続において、接近して間隔があけられた湾曲した部分を
有して、対に並べられることが好ましい。湾曲した部分
は、各々の対の羽根の直線部分が、中心部分から半径方
向の距離が増えるように拡がるように向き合う湾曲を有
している。

この発明のディザー撓みは、湾曲した羽根の直線部分の
両側に装着された対の圧電アクチュエータ要素を含むの
が好ましい。圧電駆動要素は、駆動要素への駆動電圧の
印加が、撓みリングを、リングレーザジャイロのセンサ
軸のまわりに回転させるような極性を有する。

この発明のディザー撓みは、また撓みリングの外周の中
央部分のまわりに形成されるボスを含むかもしれない。
好ましくは対の支持リング部材を含む支持リングは、撓
みリングのまわり、ボスの上に接着され、ボスの両側、
撓みリングと支持リングとの間に対のボイドを形成す
る。支持リングは、リングレーザジャイロの枠に接着さ
れるためにその上にボスを有し、第１と第２のボスの間
にリングレーザジャイロの枠と第１および第２の支持リ
ングとによって限られた第３のボイドを形成する。リン
グレーザジャイロの枠と、第１および第２の支持リング
とは、ディザー撓みの熱応力が、リングレーザジャイロ
の枠に歪を引き起こすのを妨げるために、実質的に同一
の熱膨張係数を有する。

この発明は、また中央のボイドとその中に閉空洞を有す
る枠を含み、閉空洞は光路を規定し、さらに、中央のボ
イドの内側に位置決めされるディザー撓みを含み、ディ
ザー撓みは外側の撓みリングを含み、さらに、中央のボ
イドの内側にディザー撓みを装着するための手段とを含
み、外側の撓みリングの前記枠との間に複数個の環状の
ボイドを形成して、ディザー撓みとフレームとの間に熱
応力と機械的振動が伝達することを妨げて、光路の歪み
を避けるリングレーザジャイロを含むかもしれない。

リングレーザジャイロの枠をディザーするためのこの発
明の方法は、複数個の湾曲した羽根を、ディザー撓みの
中央のハブ部分から延ばす段階を含み、そのため各々の
湾曲した羽根は、ハブに接続された内側端部と、ハブか
ら突出する外側端部を有し、さらに湾曲した羽根の外側
端部に接続される中央部分のまわりに撓みリングを形成
する段階を含む。この発明の方法は、また羽根の各々
が、中央のディザー撓み部分に接続される湾曲した部分
を有し、湾曲した部分と撓みリングとの間に直線部分を
有するように形成する段階を含むかもしれない。この発
明の方法は、さらに複数個の羽根を対に並べる段階と、
羽根の各々の対が、中央のディザー撓み部分に接続され
る点で接近して間隔のあけられた湾曲部分を含むように
形成する段階と、各々の対の羽根の直線部分が、中央の
ディザー撓み部分から半径方向の距離が増すにつれ拡が
るように、向き合う湾曲を有するように湾曲部分を形成
する段階とを含む。

この発明の方法は、さらに羽根の連続する対相互間の中
央のハブ部分から延びる複数個のローブを形成する段階
と、ローブの各々に穿孔を形成する段階と、中央部分を
軸受台に装着するために、各々の穿孔内への配置のため
に装着ボルトを提供する段階とを含むかもしれない。

この発明の方法は、さらに湾曲した羽根の直線部分の両
側に、対の圧電アクチュエータ要素を装着する段階と、
圧電駆動要素が、それへの駆動電圧の印加が撓みリング
を、リングレーザジャイロのセンサ軸のまわりに回転さ
せるように極性を有するように形成する段階を含むこと
が好ましい。

この発明の方法は、さらに撓みリングの外周の一部のま
わりにボスを形成する段階と、ボスの第１の部分をカバ
ーし、撓みリングと第１の支持リングとの間に第１のボ
イドを形成するために、リングのまわりに第１の支持リ
ングを接着する段階を含むかもしれない。この方法は、
また第１の支持リングに第１の支持ボスを形成する段階
と、第１の支持ボスをリングレージジャイロの枠に接着
する段階を含むかもしれない。この方法は、またボスの
残余の部分を覆い、撓みリングと支持リングとの間に第
２のボイドを形成するために、撓みリングのまわりに第
２の支持リングを置く段階と、第２の支持リングの上に
第２の支持ボスを形成する段階と、第２の端部のボス
を、リングレーザジャイロの枠に接着する段階を含むか
もしれない。

この発明の方法は、さらに、ディザー撓みの熱応力が、
リングレーザジャイロの枠に歪を引き起こすのを妨げる
ために、実質的に同一の熱膨張係数を有するように、リ
ングレーザジャイロのフレームと第１および第２の支持
リングとを形成する段階を含むことが好ましい。

この発明の方法は、さらに撓みリングの外周の中央部分
のまわりに中央のボスを形成する段階と、ボスを覆い、
撓みリングと支持リングとの間に第１のボイドと第２の
ボイドを形成するために、撓みリングのまわりに支持リ
ングを接着する段階と、支持リングの上に第１の端部の
ボスを形成する段階と、支持リングの上に第２の端部の
ボスを形成する段階と、第１および第２の端部のボスを
リングレーザジャイロの枠に接着する段階と、リングレ
ーザジャイロの枠と支持リングとによって限られる第３
のボイドを形成する段階を含むかもしれない。

リングレーザジャイロを形成するためのこの発明の方法
は、ボイドとその中に閉空洞を有するフレームを形成す
る段階を含み、閉空洞は中央のボイドに支持リングを装
着する光路を規定し、さらに、支持リングの両端に対の
支持ボスを形成する段階と、ボスをフレームに中央のボ
イドの内側に接着する段階とを含み、ボス支持リングの
中央部分および枠が、フレームと支持リングの中央部分
との間に環状のボイドを形成するために協働する。この
方法は、またディザー撓みを支持リングの内側に装着す
る段階を含み、ディザー撓みは中央のハブ部分、外側の
撓みリング、中央のハブ部分と外側の撓みリングとの間
に延びる複数個の羽根を含み、さらに、外側の撓みリン
グの外周のまわりに撓みボスを形成する段階と、ボスを
支持リングに接着する段階を含み、撓みボスと支持リン
グと支持ボスが、光路の歪みを避けるために、前記ディ
ザー撓みと枠との間の熱応力と機械的振動の伝達を妨げ
るために協働する。

リングレーザジャイロを形成するためのこの発明の方法
は、さらに中央のボイドとその中に閉空洞を有するフレ
ームを形成する段階を含み、閉空洞が光路を規定し、さ
らに、外側の撓みリングを含むディザー撓みを中央のボ
イドの内側に置く段階と、ディザー撓みを中央のボイド
の内側に装着する段階を含み、外側の撓みリングと枠と
の間に複数個の環状のボイドを形成して、ディザー撓み
と前記枠との間に熱応力と機械的振動の伝達を防いで、
光路の歪みを避ける。

この発明のディザー撓みと方法は、逆伝搬する光ビーム
に対して長方形の路を有するリングレーザジャイロを参
照して説明されるが、この発明はこの特定の路の形状に
限られない。特に、この発明は、三角形の路を有するリ
ングレーザジャイロにも適用できる。

［好ましい実施例の説明］ 第１図を参照すると、リングレーザジャイロ１０は、４
つの装着面１４−１７を形成するために角が切り取られ
たおおむね長方形を有している枠１２を含む。複数個の
鏡１８−２１は、装着面１４−１７にそれぞれ装着され
ている。空洞２２は、鏡１８−２１相互間に、枠１２を
まわって路を形成するために、枠１２内に形成される。

レーザ放出媒質２４は、その中に逆伝搬する光ビーム２
６，２８を生じるために空洞２２内に位置決めされる。
レーザ放出媒質は、典型的に、空洞２２の領域３０に閉
込められたヘリウムとネオンの混合物である。エネルギ
は、電圧を対のアノード３２，３４とカソード３６とに
印加する電力源（図示せず）によって、レーザ放出媒質
２４に伝えられる。他の構成が、リングレーザジャイロ
１０に用いられるかもしれない。リングレーザジャイロ
１０の基本的な説明は、例示によって表わされるが、そ
れはこの発明を特定のリングレーザジャイロの構造に限
定するものではない。

鏡の１つ、たとえば鏡１８は、各々のビームの一部が、
鏡１８の背面に装着されたプリズム３８に入るように一
部透過性である。プリズム３８は、逆伝搬するビーム
が、光検出器４０に衝突する前に互いに干渉するように
それらを組合わせるために形成されている。

２つの逆伝搬するビームは、空洞２２がその縦軸４２の
まわりに回転するときに、鏡１８−２１からの連続的な
反射によって、空洞２２のまわりを循環する位相シフト
を受ける。２つの逆伝搬するビームの位相の差は、縦軸
４２を回る空洞２２の回転速度を表示する。空洞２２
は、２つのビームに対して共振空洞として働くので、各
々のビームの周波数は、位相シフトが検出可能であるよ
うにきっちりと規定される。

２つの周波数はヘテロダインし、その周波数がリングレ
ーザジャイロの縦軸４２のまわりを回る回転速度に正比
例するうなり信号を形成する。第７図を参照すると、単
純でバイアスされていないリングレーザジャイロの回転
速度が、ロックインしきい値速度Ω_Ｌに減じられると
き、逆伝搬するビームは同じ周波数でロックする。逆伝
搬するビームの周波数は、回転速度±Ω_Ｌの範囲で同じ
であり、それは第７図に示されるロックインデッドバン
ドである。第７図を参照すると、リングレーザジャイロ
１０からの信号出力は、デッドバンド付近で非線形にな
り、それは理想のリングレーザジャイロの出力から退去
する。

第８図を参照すると、ロックインは鏡１８−２１から後
方散乱される放射によって主に引き起こされると信じら
れる。逆伝搬するビームは、鏡１８−２１の各々に、４
５゜の入射角でぶつかるので、理想的な完全に平坦な鏡
からは後方散乱する放射は起こらないであろう。各々の
ビームの主要部は、たとえば、反射の法則に従って、鏡
１８から前方に反射される。しかしながら、鏡１８−２
１が非常に高品質であっても、表面の不完全さにより、
各々のビームのあらゆる方向への正反射が引き起こされ
る。反対方向を向くビームに対して受入立体角で後方散
乱される１つのビームからの光の部分はそこで結合す
る。受入立体角は、光の波長と空洞２２の直径に依存す
る。４５゜の入射角を有する典型的な四角いリングレー
ザジャイロ１０に対しては、鏡１８−２１のどれか１つ
からの全正反射の約１０^６分の１が、逆伝搬するビーム
の受入角に散乱される。

第９Ａ図を参照すると、回転速度がロックインしきい値
から遠いときに、検出器４０の出力は時間を関数に正弦
状である。第９Ｂ図を参照すると、回転速度がロックイ
ンしきい値に近いとき、検出器４０の出力は所望の正弦
波形から歪められる。４９cmの空洞長さを有する典型的
なリングレーザジャイロにとっては、ロックインしきい
値は約１００゜／hrである。それゆえ、リングレーザジ
ャイロ１０から満足すべき結果を得ることは、ロックイ
ンを避けるだけでなく、デッドバンド近くの回転速度を
避けることも要求する。

リングレーザジャイロ１０は、枠１２内の中央通路４８
に装着されるディザー撓み４６を含む。ディザー撓み４
６が満さなければならない厳重な要件がある。ディザー
撓み４６は、空洞２２の非整列を避け、逆伝搬するビー
ムに対する空洞２２の光路長さの歪みを避けるために、
いかなる熱応力も枠１２に本質的に伝達してはならな
い。

ロックインに由来する誤差を最小にするために、リング
レーザジャイロ１０の枠１２は第６図に示される軸受台
４７に関連して発振される。第２図および第６図を参照
すると、枠１２は、ディザー撓み４６に装着される。デ
ィザー撓み４６は、フレーム１２を軸受台４７に接続す
るために、穿孔５０，５１内の、第６図に示される撓み
装着ボルト５４，５６のような締具を受けるために、そ
の中に複数置の穿孔５０−５３を含む。撓み装着ボルト
（図示せず）は、またディザー撓み４６が軸受台４７に
装着されるときに、穿孔５２，５３に位置決めされる。

第２図、第５図および第６図を参照すると、対の円筒
（支持リング）５８Ａ，５８Ｂが、ディザー撓み４６と
枠１２の間に位置決めされ、それらは枠１２と同じ熱膨
張係数を有するガラスセラミック材料で形成されること
が好ましい。ガラスセラミック円筒５８Ａ，５８Ｂは、
実質的に同一で、それゆえ、円筒５８Ａのみが第５図に
示されている。ガラスセラミック円筒５８Ａ，５８Ｂの
長さと厚みは、ディザー撓み４６と枠１２の間の熱的な
不釣合いが本体を歪ませるのを防ぐために、応力吸収を
提供するように設計されている。ディザー撓み４６は、
典型的にスーパーアンバーとして知られる合金で形成さ
れ、枠１２はガラスセラミック材料で形成されている。

ガラスセラミック円筒５８Ａ，５８Ｂと枠１２との間の
インターフェイスにおける歪を避けることは、レーザの
空洞整列にとって臨界的である。計算とテストは、ガラ
スセラミックの円筒５８Ａ，５８Ｂが、枠１２上の応力
を以前の設計以下の大きさのオーダに減じていることを
示した。ディザー撓み４６は温度が増すと延びるが、ガ
ラスセラミック円筒５８Ａ，５８Ｂが、ディザー撓み４
６の熱的膨張と収縮に関連する熱応力の９９％以上を吸
収する。

第２図を参照すると、ディザー撓み４６は、中央部分６
０と、複数個のブレードあるいは羽根に接続する外リン
グ（撓みリング）６２を含む。図示された例示的な好ま
しい実施例は、８つのブレード（羽根部分）６４−７１
を含むが、この発明は図示されたブレードの数に限定さ
れない。逆伝搬するビームに対して２８cmの路長を提供
するために形成される空洞２２を有するリングレーザジ
ャイロ１０とともに用いるために設計されたこの発明の
好ましい実施例においては、外リング６２は、約１．５
９５in．の内径と、約０．３５in．の厚みを有してい
る。ボス（撓みボス）７４は、外リング６２の中央外側
部分の上に形成されている。ボス７４における外リング
６２の外径は、約１．７in．である。円筒５８の長さは
約１．２in．であることが好ましく、ボス７４の長さは
約０．４in．以下である。

穿孔５０−５３は、中央部分から半径方向に外側へ突出
するローブ７８−８１内に形成されていることが好まし
い。穿孔５０−５３は、それらの縦軸が中央部分のまわ
りに４５゜の間隔をおかれるように配置されているのが
好ましい。ローブは実質的に同一で、それゆえ、ローブ
７８のみがここでは詳細に説明されている。第２図を参
照すると、ローブ７８は幅約０．３in．を有するネック
８４を有する。ネックは、約０．４in．の最大幅を有す
るように、ローブの本体を形成するために滑かな対の弧
に沿って広くなる。ローブ７８は、約０．２in．の半径
を有するおおむね半筒状部分８６で終わる。穿孔５１
は、半筒状部分８６の湾曲の弧と同心であるように形成
され、約０．０７６in．の半径を有する。

ブレード６４−７１は、対のブレードが隣接するローブ
相互間にあるように、ディザー撓み４６の中央部分から
延びる。たとえば、ブレード６４，７１は、外リング６
２へ、ローブ７８，７９間に延びる。ブレード６４−６
７は、相互に実質的に同一であり、かつブレード６８−
７１は相互に実質的に同一である。それゆえ、ブレード
６４，７１のみがここでは詳細に説明される。この発明
の構造を明らかにする必要があるときには、他のブレー
ドについて参照がなされる。

第２図を参照すると、ブレード６４は、ディザー撓み４
６の中央部分から突出する時計まわりに湾曲した部分９
０を有する。湾曲部分９０は、約０．０４１in．の厚さ
と、約０．１８７in．の湾曲の半径を有することが好ま
しい。直線部分９２は、湾曲部分９０から外リング６２
へ延び、直線部分の長さは約０．２５in．である。直線
部分９２とブレード６４，７１相互間の角度を二分する
ディザー撓み４６の半径との接合点との角度は、約３８
゜である。

ブレード７１は、ディザー撓み４６の中央部分から突出
する反時計回りに湾曲する部分９４を有する。湾曲部分
９４の湾曲半径と弧の長さは、実質的にブレード６４の
湾曲部分９０のそれらと同一である。直線ブレード部分
９６は、湾曲部分９４から外リング６２へ延びる。直線
部分９２，９６の接合点相互間の外リング６２の弧の長
さは、外リング６２の内径に沿って、約１．０in．であ
る。

第３図および第６図を参照すると、ローブ７９の長さ
は、ネックにおけるより半筒状部分における方が短いこ
とが好ましく、そのため穿孔内に置かれたボルトのヘッ
ドは、ネックと外リング６２に境を接する領域を越えて
突出しない。ボルトは、ディザー撓み４６をそれにしっ
かりと装着するために、十分な距離で軸受台内に突出す
る。

第２図および第４図ないし第６図を参照すると、ガラス
セラミック円筒５８Ａは、約１．６９in．の内径と、約
１．７６in．の外径を有することが好ましい。ガラスセ
ラミック円筒５８Ａの端部のまわりに延びるボス（第１
の支持ボス）１００は、約１．７９６ｉｎ．の外径を有
している。ボス１００に実質的に同一であるボス（第２
の支持ボス）１０２は、ガラスセラミック円筒５８Ｂの
端部のまわりに延びる。ガラスセラミック円筒５８Ａ，
５８Ｂは、外リング６２上に装着され、ボス１００，１
０２は、ディザー撓み４６の両端に隣接している。

第６図に示されるように、ガラスセラミック円筒５８
Ａ，５８Ｂは、外リング６２上のボス７４が、ガラスセ
ラミック円筒５８Ａ，５８Ｂの対の端部１０６，１０８
の内径にそれぞれ接触するところのみで、ディザー撓み
４６の外リング６２に触れる。接着剤が、金属のディザ
ー撓み４６をガラスセラミック円筒５８Ａ，５８Ｂに固
定する。ガラスセラミック円筒５８Ａ，５８Ｂは、枠１
２内の円筒の空洞４８内に嵌まり、ガラスセラミック円
筒５８Ａ，５８Ｂのボス１００，１０２のみが、それぞ
れ枠１２のガラス材料に接触する。それゆえ、リングレ
ーザジャイロ１０において、金属のディザー撓み４６と
枠１２のガラス材料とは接触せず、それが、ディザー撓
み４６の熱による寸法変化が、枠１２に明らかな影響を
与えることを妨げる。

ディザー撓み４６をガラスセラミック円筒５８に接着
し、ガラスセラミック円筒５８を枠１２に接着するのに
用いられる接着剤は、堅くなるために、キュアするタイ
プのものであるかもしれない。ディザー撓みをリングレ
ーザジャイロの枠に接着するために用いられるポリウレ
タンのような先の接着剤（図示せず）は、熱変動が、路
長を変えたり、または空洞２２内の逆伝搬するビームが
一直線にならないような問題を引き起こさないようにす
るために、熱応力を吸収するために比較的撓み性がなけ
ればならなかった。非整列は、リングレーザジャイロ１
０のパワー出力を減じる。路長変化は、空洞２２の共振
波長を変え、レーザ放出媒質が利得を与えるであろう波
長を変える。波長を変えることは、リングレーザジャイ
ロの換算係数を変え、それはリングレーザジャイロによ
って与えられる測定の正確さが、公知の一定の換算係数
を要求するのでその動作中不所望である。

リングレーザジャイロの枠にディザー撓みを装着するた
めの先行技術の方法は、あまりに撓み性を許容するとい
う欠点があり、それはコニング誤差を増し、センサ軸以
外の軸をまわる発振に対するディザー撓みアセンブリの
共振周波数を低くした。典型的な先行技術のディザー撓
みは、約６００Ｈｚの軸はずれの共振周波数を有してい
る。ディザー撓み４６は、実質的に先の構造より堅固で
あり、約１５００Ｈｚの軸はずれの共振周波数を有す
る。初期のディザー撓みは、１アーク秒／g より大きい
入力軸弛みを有していた。この発明のディザー撓み４６
は、０．２アーク秒／g 以下の入力軸弛みを提供する。

ディザー撓み４６は、製造と性能について、先行技術の
ディザー撓みを越える重要な利点を提供する。第６図を
参照すると、ディザー撓み４６とガラスセラミック円筒
５８Ａ，５８Ｂ間の唯一の接触は、ボス７４と、ガラス
セラミック円筒５８Ａ，５８Ｂの端部１０６，１０８と
のそれぞれの接続点においてである。外リング６２とガ
ラスセラミック円筒５８Ａ，５８Ｂ間の領域は、１対の
環状ボイド（第１の間隙と第２の間隙）１１０，１１２
を規定する。ガラスセラミック円筒５８Ａ，５８Ｂと枠
１２は、ボス１００，１０２の間に延びるボイド（第３
の間隙）１１３を囲む。ボイド１１３は、ディザー撓み
４６とフレーム１２との間に、熱応力、または半径方向
に向けられた機械的振動の伝達のための直接の路がない
ようにボス７４に向かい合う。本質的にいかなるエネル
ギも、ボイド１１０，１１２を横切って、外リング６２
とガラスセラミック円筒５８Ａ，５８Ｂ間に、またはボ
イド１１３を通って、ガラスセラミック円筒５８Ａ，５
８Ｂと枠１２との間に伝達しない。熱応力はガラスセラ
ミック円筒５８Ａ，５８Ｂによって吸収され、それは温
度が増して、ディザー撓み４６が膨張するときに、ボイ
ド１１３内に膨張する。ディザー撓みの熱膨張の結果
は、ガラスセラミック円筒５８Ａ，５８Ｂの枠１２への
わずかな曲げとなる。ディザー撓み４６の温度が、ディ
ザー撓み４６が収縮するように減れば、ガラスセラミッ
ク円筒５８Ａ，５８Ｂは、枠１２から離れて内側に曲が
る。

先行技術のディザー撓みアセンブリは、ガラスセラミッ
ク円筒５８Ａ，５８Ｂを含まず、外リング６２の周囲上
にボス４を有しない。先行技術のディザー撓みが嵌まる
枠の空洞と、ディザー撓みの外表面とは、正確に機械加
工され、撓み性のあるポリウレタンの接着剤を受けるた
めにそれらの間に均等な空間を有するように同心的に整
列されなければならなかった。構成要素のいかなる非整
列、または空隙の不均等は、枠に応力点を引き起こすだ
ろうし、そのような応力点は、リングレーザジャイロの
性能を厳しく衰えさせるかもしれない。

ディザー撓み４６とガラスセラミック円筒５８Ａ，５８
Ｂを含むリングレーザジャイロ１０は、先行技術のリン
グレーザジャイロの困難には遭遇しない。なぜなら、ガ
ラスセラミック円筒５８Ａ，５８Ｂと枠１２との間は制
御された小さな接触区域しかないからである。このよう
な接触が起こる材料は、枠１２と同じ熱膨張係数を有
し、他の応力を吸収して、熱および機械応力がディザー
撓み４６から枠１２に伝達されるのを妨げる。

第２図および第１０図を参照すると、ディザー撓み４６
は、枠１２を縦軸４２のまわりに発振するための手段を
含む。図示された好ましい実施例では、複数個の圧電駆
動要素１２０−１３５がブレード６４−７１に装着され
ている。圧電駆動要素はブレード６４−７１に対で装着
され、そのため各々のブレードは、第２図に示されるよ
うに、その上に装着された２つの圧電駆動要素を有す
る。圧電駆動要素１２０−１３５は、本質的に同じ態様
ですべて装着されているので、ブレード６４，６９に装
着される圧電駆動要素１２０，１３０のみがここで詳細
に説明される。

第２図および第１０図に見られるように、圧電駆動要素
１２０−１３５は、ブレード６４−７１より薄く、一般
に長方形を有している。たとえば、圧電駆動要素１２０
は、ブレード６４の直線部分９２上、その平坦な表面９
５上に装着されている。圧電駆動要素１２０は、屈曲点
の全く片方にあり、それは湾曲部分と直線部分の接続点
である。隣接するブレードは、直線部分相互間で、比較
的離れているので、圧電駆動要素１２０−１３５を据付
けるための適当な空間がある。圧電駆動要素１３５は、
ブレード６４上に、圧電駆動要素１２０の反対側に装着
されている。圧電駆動要素１２０は、圧電駆動要素１３
５と逆極性にされ、そのためそこへの駆動電圧の印加に
より、ブレードの第１の面が半径方向に収縮し、一方他
の面が半径方向に膨張するようにされる。圧電駆動要素
は、交互の極性を有する。

第２図を参照すると、すべての圧電駆動要素１２８−１
３５が膨張を引き起こす一方で、すべての圧電駆動要素
１２０−１２７は収縮を引き起こすなら、結果として、
外リング６２は縦軸４２のまわりに反時計回りに回転す
るだろう。逆の駆動電圧は、外リング６２の縦軸４２を
回る時計方向の回転を引き起こす。外リング６２の回転
は、圧電駆動要素が、４００Ｈｚの周波数および±５０
ボルトの電圧で、電力源（図示せず）により駆動される
ときに、典型的に約±１５０アーク秒である。

【図面の簡単な説明】

第１図は湾曲したブレードのディザー撓み上に装着され
る枠構造を示すこの発明に係るリングレーザジャイロの
平面図である。 第２図は、第１図のディザー撓みとこの発明のディザー
撓み上のリングレーザジャイロ枠を支持するために用い
られる支持リングの平面図である。 第３図はディザー撓みの中央部分のローブ内の穿孔と、
第２図のディザー撓みの外リング部分上に形成されるボ
スを示す第２図の３−３線に沿う断面図である。 第４図は、第２図の支持リングを拡大された寸法で示す
平面図である。 第５図は第２図および第４図の支持リングの断面図であ
る。 第６図は軸受台に装着されたこの発明のディザー撓みを
示す断面図である。 第７図はリングレーザジャイロの出力うなり周波数を回
転速度に対してグラフ的に示す。 第８図は第１図のリングレーザジャイロに含まれるかも
しれない型の鏡から前方反射され、かつ後方散乱された
光を表わす。 第９Ａ図と第９Ｂ図は、第１図のリングレーザジャイロ
の、ロックインしきい値から遠い速度と、ロックインし
きい値に近い速度とのそれぞれ出力波形を表わす。 第１０図はこの発明のディザー撓みのブレードに装着さ
れた圧電駆動体を表わす第２図の１０−１０線に沿う断
面図である。 図において、１０はリングレーザジャイロ、４２は縦
軸、４６はディザー撓み、６０は中央部分、６２はリン
グ、６４−７１はブレードである。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】空洞（２２）を有する枠（１２）の中に形
   成されるリングレーザジャイロ（１０）のディザー撓み
   装置であって、縦軸を有する中央部分（６０）と、各々
   が前記中央部分に接続された内方端部と前記中央部分か
   ら突出する外方端部とを有する複数個の羽根部分（６４
   〜７１）とを含むディザー撓み部（４６）を有し、 前記中央部分のまわりで前記羽根部分の外方端部に接続
   された撓みリング（６２）と、 前記撓みリングの外周中央部のまわりに形成された撓み
   ボス（７４）と、 前記撓みリングを取囲む円筒状の支持リング（５８Ａ，
   ５８Ｂ）とを備え、 前記撓みボスに接合された前記支持リングの中央部分
   は、前記撓みリングと前記支持リングとの間に第１の間
   隙（１１０）と第２の間隙（１１２）を形成しており、 前記支持リングの第１の端部から半径方向外方に延在す
   るように形成された第１の支持ボス（１００）と、 前記支持リングの第２の端部から半径方向外方に延在す
   るように形成された第２の支持ボス（１０２）とを備
   え、 前記第１と第２の支持ボスは、前記空洞の内側で前記枠
   に接合するために配置されており、前記枠と前記支持リ
   ングとの間に第３の間隙（１１３）を形成することを特
   徴とする、リングレーザジャイロのディザー撓み装置。
2. 【請求項２】前記羽根部分の各々は、前記中央部分に接
   続された湾曲羽根部分と、前記湾曲羽根部分と前記撓み
   リングとの間に形成された直線羽根部分とを有する、特
   許請求の範囲第１項に記載のディザー撓み装置。
3. 【請求項３】前記複数個の羽根部分は、隣り合う２つの
   対となる前記湾曲羽根部分が互いに対向するように配置
   されている、特許請求の範囲第２項に記載のディザー撓
   み装置。
4. 【請求項４】前記中央部分から、前記対の羽根部分の間
   で半径方向に延びるローブ（７８〜８１）と、 前記中央部分を軸受け台に取付けるためのボルト（５
   ４，５６）とをさらに備える、特許請求の範囲第３項に
   記載のディザー撓み装置。