JPS61260689A - レ−ザ角速度センサの読出し装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 し利用分野〕 本発明はリングレーザ角速度センサの読出し装置に関す
るものである。

〔従来技術〕

リングレーザ角速度センサの例が、本願の出願人が所有
する米国特許第３，３７３，６５０号および第３．３９
０，６０６号の各明細書に記載されている。それらのセ
ンサは、複数の反射鏡を含む閉ループ光路に沿って互い
に逆向きに伝わる一対のレーザビームを含む。有用な情
報を得るために、互いに逆向きに伝わるレーザビームの
低い割合の部分が１枚の反射鏡を透過することを許され
る。光ビームはプリズムを通される。そのプリズムは僅
かに異なる向夏でビームを組合わせることにより、フォ
トダイオードのような光検出器を２個會んでいる表面を
横切ってじまパターンを形成する。それらの光検出器は
個々のじまよシ小さい。通常は、直角位相の読出される
出力信号を得るように、光検出器はしまの間隔の４分の
１だけ分離される。リングレーザがそれの入力軸綜を中
心として回転させられると、互いに逆向きに伝わるビー
ムの周波数が僅かに変化する、すなわち、一方のビーム
の周波数が高くなシ、他方のビームの周波数が低くなる
。ビームの周波数が異方るとうなシ周波数が異なる。そ
のうなシ周波数はしまパターンが光検出器を横切って動
く速度によ）示される。光検出器の出力は論理回路へ与
えられ、その論理回路は光検出器を横切るし葦の数をカ
ウントする。各光検出器を通るじまの数はセンサの実際
の角速度に直接関連する。２個の光検出器の出力信号が
比較されてセンサの回転する向きを確かめる。

読出し装置のプリズムの光学系が、干渉しまパターンを
直接に形成するビームの間の角度と、しまの間隔を決定
する。先行技術においては、プリズムの光学系によシビ
ームの間の角度は２５弧秒（ａｒｃ　５ｅｃｏｎｄｓ　
）　　のオーダーとなり、ただ１本のしまを生ずる。し
萱の間隔の幅より小さい感光部を有する２個の光検出器
が用いられる。それらの光検出器はしまの間隔の幅の約
４分の１だけ隔てられる。この配置を正確に達成するた
めに、しまパターンを生ずるビームの間の角度は小さな
誤差で保持せねばならない。

〔発明の概要〕

光検出器は、リングレーザ角速度センサの干渉じ１パタ
ーン出力の複数の同じしまの強度をモニタするために配
置される。各光検出器は複数の感光領域と非感光領域の
周期的なパターンを有する。

センサが回転している時に互いに位相が異なる強度出力
信号を発生するように、光検出器の感光領域の周期的な
パターンが、しまの周期的なバターンの周期の一部だけ
互いにずらされる。本発明の読出し装置を用いることに
よシ、ビームの間の角度の許容誤差を大きくでき、それ
によシ光学装置の価格を大幅に低下できる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は、リングレーザ角速度センサにおける各レーザ
ビームの一部を組合わせることによシ干渉しまパターン
を発生する光学装置を示す。第１図はリングレーザ角速
度センサの閉ループ光路を部分的に形成する反射面の１
つのみを示す。センサブロックは米国特許第３，３９０
，６０６号明細書に記載されている種類のものである。

ブロック１０には光を送る基板１１０を含む反射鏡／Ｒ
出しプリズム１２が固定される。基板１１０は第１の主
面１１１　を含む。この第１の主面は、それに入射した
ビーム１６の大部分をビーム１５とは逆の向きに反射す
るだめの幾分かの透光性をもつ反射鏡すなわち半透明鏡
１４を形成するために、適切に研磨および被覆される。

同様に、ブロック１０内で互いに逆向きに伝わるレーザ
ビームを得るように、半透明鏡１４はビーム１５の大部
を周知のようにしてビーム１６とは逆の向きに反射する
。ビーム１５と１６の間の角度は選択した閉ループ光路
、すなわち三角形（６０度）、長方形（９０度）などに
依存する。

基板１１０は第２の表面１１５　も含む。この第２の表
面も反射鏡面１８を形成するために適切に研磨および被
覆される。ビーム１６のうち半透明鏡１４を透過した部
分を反射するように反射鏡１８は位置させられる。反射
鏡１８の表面における入射ビームと反射ビームの間の角
度を選択するために、表面１１５が表面１１１に対して
選択された角度を成すように基板１１０は構成される。

入射ビームと反射ビームの間の角度のことをここでは「
ビーム角」と呼ぶことにする。

反射鏡１８から反射されたビームは、ビーム１５のうち
半透明鏡１４を透過した部分に対して小さな角度を成し
て進むように、半透明鏡１４から反射される。その小さ
力角度は前記「ビーム角」にほぼ等しい。ビーム１５の
うち半透明鏡１４を透過した部分と、ビーム１６のうち
二回反射された部分は、透過表面１１６に干渉じまパタ
ーンを形成するように透過表面１１６に到達する。

反射鏡１８の表面における入射ビームと反射ビームの間
の「ビーム角」は、基板１１０の表面１１６における干
渉パターンをほぼ決定する。それらのビームの間の角度
が大きくなると、表面１１６における干渉しまパターン
のじまの間隔が広くなる。従来は、入射ビームと反射ビ
ームの間のビーム角は２５弧秒のオーダーであシ、それ
によ）シマの間隔を比較的広くしている。本発明におい
ては、ロックインを避けるためにビーム１６とは逆の向
きに反射鏡１８からブロック１ｏへ反射されるビームを
最少限にし、かつ見分けることができる複数の干渉じま
を形成するのに十分に大きいビーム角とすることが望ま
しい。この基準は、ビーム角が１〜６０弧分のオーダー
である時に満される。２０〜４０弧分を選択することに
よシ、光検出器に対して比較的狭いスペース中に妥当な
数の干渉しまが得られる。

第１図には、光検出器のセンサ２５を透過する干渉しま
パターンに応答するために、表面１１６に結合される二
重光検出器センサ２５も示されている。ここで説明して
いる実施例においては、センサ２５は表面１１６に固着
されているが、センサ２５は表面１１６から空間的に引
き離しておくこともできるが、それでもセンサ２５は表
面１１６を透過した干渉しまパターンに応答する。

第２図には、基［２００上に長方形の感光部を有する第
１の光検出器２０１　を含む二重光検出器センサが示さ
れている。第２図には光検出器２０１の感光部に類似す
る長方形感光部を有する第２の光検出器２２１　も示さ
れている。光検出器２０１と２２１　　は互いに電気的
に分離され、はぼ等しい感光部を有することが示されて
いる。光検出器２０１．２２１　　は、干渉しまパター
ンの複数の同じ干渉じまに応答するように表面１１６に
位置させられる。光検出器２０１　は感光領域と非感光
領域の周期的なパターンを有するように構成される。

これは、透明な部分と不透明な部分の周期的なマスクパ
ターンで光検出器２０１　を覆うことによシ達成される
。すなわち、そのマスクパターンは、光検出器２０１　
　の感光部を横切る一定変位の周期で繰返えされる。た
とえば、第２図は、透明なバンド２０６の下側の感光部
に入射した光のみに応答するように、平行な黒いバンド
２０４　と透明なバンド２０６を示す。

第２図に示すように、周期的なパターンの同期性の方向
に平行な軸線として定義される「パターン軸線」に周期
的なパターンが組合わされる。第２図には、軸線ｄに平
行で、じまに垂直なパターン軸線が示されている。

同様にして、光検出器２０１　の周期的なマスクパター
ンにほぼ同一の周期的なマスクパターンが光検出器２２
１　に設けられる。透明な領域２２６の下側の感光部に
入射した光だけに光検出器２２１が応答するように、平
行な黒いバンド２２４　と透明なバンド２２６を有する
ように光検出器２２１がマスクされる。も光検出器の周
期的な各パターンの平行な軸線は平行に構成される。

第２図においては、二重光検出器の上と下に、感光部２
０１　と　２２１を横切る干渉しまパターンの強度（Ｉ
）と空間位置（ｄ）の関係を示すグラフが示されている
。第１図および第２図に示されているように、各光検出
器のパターン軸線の間の角度が、干渉じまパターンの干
渉しまに対する角度とほぼ同じ角度であるように、二重
光検出器センサ２５は、表面２２上に生じた干渉しまパ
ターンに対して位置させられる。第１図に示す実施例に
おいては、干渉しまけパターンの軸線に対して垂直であ
る。とくに、光検出器２０１，２２１　上の平行なマス
クされたバンドはしまに平行である。更に、光検出器は
ビームによシ作られたパターンの中Ｋ　？１ぼ含まれる
ように配置する。

任意の空間位置「ｄ−１において、光検出器２０１．２
２１　の感光部に入射する干渉しまパターンの強度が一
様に等しいことが、本発明の理解において重要である。

その理由は、レーザビームのスポットによシ作られたパ
ターンが、しまに整列し、またはしまに平行な全ての点
に対して一様な強度を有するからである。干渉しまけ、
周期的なパターンのパターン軸線に平行に、光検出器を
横切ってセンサの回転の関数として光検出器を横切るこ
とも理解すべきである。

ある好適な実施例においては、光検出器２０１の周期的
なマスクパターンは、パターンの対称軸に平行な方向に
、しｌの間隔の４分の１だけ光検出器２２１　の周期的
なマスクパターンに対してずらされる。第２図に示す実
施例においては、マスクされた黒いバンドの部分２０４
，２２４　はじまの１つの間隔分だけ隔てられ、感光領
域の幅と黒いバンドの幅はじまの間隔の半分にはぼ等し
い。更に、マスクされた黒いバンド２０４は、しまの間
隔の約４分の１だけ黒いバンド２２４に対してずらされ
る。

光検出器２０１．２２１　　は、入射した光の干渉しま
パターンにさらされている感光部に入射した光の積分さ
れた強度を表す出力信号を生ずる。それらの出力信号と
接続手段は第１図には示されていない。黒いバンド２０
４，２２４がないと、光検出器２０１．２２１　　は干
渉しまパターンの同じしまに応答するから、それらの光
検出器の出力信号はほぼ等しい。しかし、マスクされた
黒いバンド２０４．２２４が存在すると、互いに位相が
異なる出力信号を２つの光検出器の感光部２０４．２２
４　は生ずるＯ 光検出器２０１は、強度パターン２４０　によシ示され
ている干渉しまのいくつかのじまの部分に応答する。強
度パターン２４０　のうちハツチングを施した部分は、
じまのうち感光領域２０６に入射した部分を表す。強度
パターン２５０のハツチングを施した部分は、同じしま
のうち光検出器２２１　のうち感光領域２２６に入射し
た部分を示す。黒いバンド２０４．２２４　はしまの間
隔の４分の１だけずらされているから、感光部２０１，
２２１の出力強度信号は互いに位相が異なシ、その位相
の差はほぼ直角である。

第３図および第４図は、先に述べた意図する機能を与え
るために光検出器２０１．２２１　　に使用できる周期
的なマスクパターンの別の例を示す。第３図においては
、三角形のマスクされた不透明カ領域が参照符号２０４
′と２２４′によシ示され、菱形の感光領域が参照符号
２０６′　と２２６′　によシ示されている。同様に、
第４図においては、不透明な領域２０４’　、２２４″
と、感光領域２０６”。

２２６“を含み、光検出器２０１．２２１　　のための
多少正弦波形の周期的々マスクパターンを有する別の構
成が示されている。

第２図と同様に、第３図および第４図に示す周期的なマ
スクパターンが光検出器の感光部と干渉しまパターンの
間に配置される。光検出器２０１゜２２１　のマスクパ
ターンは、周期的なパターンの移動周期の一部だけ相対
的にずらされる。それらのパターンは周期的々パターン
の周期の４分の１だけずらすことが望でしく、その同期
はしまの間隔に等しいことが望ましい。

第４図のパターンの下側に、第４図の光検出器２０１、
２２１　　の出力を表す強度対距離の輪郭２４０が示さ
れている。この輪郭は、不透明な領域と透明な領域の周
期的なマスクパターンの代シとして、陰線を施された部
分２４１０周期的なパターンより成る周期的なマスクパ
ターンによシ発生させることができる。前と同様に、２
個の光検出器の陰線を施した領域の周期的なパターンは
、希望の位相外れ出力信号を得るために相対的にずらさ
なければ々らない。

本発明に従って、干渉じまパターンの周期的な動きの関
数として光検出器の出力信号を周期的に変化させる任意
の周期的なマスクパターンが、本発明の範囲内に含萱れ
る。

リングレーザ角速度センサにおいて回転速度と回転の向
きを周知のやシ方で決定するためには、リングレーザ角
速度センサの読出し装置の電子回路装置で用いる一対の
互いに位相が異なる信号で十分であることが当業者はわ
かるはずである。

また、光検出器２０１　と　２２１およびそれに組合わ
されるマスクを有し７、意図する出力を有する二重光検
出器センサ２５は、各種の技術で製作できることも当業
者はわかるはずである。第２図に示す例は、マスクされ
てい々い領域すなわち選択された感光領域のみを入射光
に応答させる物質によシ、各光検出器の感光部がマスク
される例である。あるいは、感光領域をたとえば曲シく
ねった感光部パターンとすることができる。更に、別の
例は、半導体中で相互に接続さｎる複数の感光領域を含
む半導体で構成することもできる。

したがって、意図する機能を低コストで発揮する二重光
検出器センサ２５および反射鏡／読出し反射器１２の多
くの組合わせがある。すなわち、意図する信号を得るた
めに、表面１１６に光学的に接着などができる集積回路
で二重光検出器センサ２５を構成できる。一方、表面１
１６　にマスクを設けるために表面１１６　を光学的に
被覆でき、二重センサをそのマスクに光学的に接着でき
る。

以上説明した本発明の装置は、容易に整列され、高い融
通性と大きい許容誤差で製作できる一体の反射鏡／読出
し反射器および二重光検出器装置である。それらの要素
の組合わせによジ、低価格および軽量のリングレーザ角
速度センサを構成できる。

第１図には三角形レーザに通常関連するビーム角度を示
すものであるが、本発明の原理は、四辺、五辺などを含
めて３つの辺より多い辺を有するリングレーザ角速度レ
ーザに応用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は干渉じまパターンを発生するリングレーザ読出
し装置を示す略図、第２図は本発明の二重光検出器読出
しの線図、第３図は周期的なマスクパターンの例を示す
平面図、第４図は周期的なマスクパターンの別の例を示
す平面図である。 １０・−拳・センサフ゛ロック、１２・・・・反射鏡／
読出しプリズム、１４．１８・・・・反射鏡、２５・＠
拳・二重光検出器センサ、１１０゜２００　・・・・基
板、２０１．２２１　・・・・光検出器、２０４，２０
６，２２４，２２６　・・・・感光領域。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）回転速度および回転の向きに依存して周波数の変
   化を示す互いに逆向きに伝わるレーザビームを有するレ
   ーザ角速度センサの読出し装置において、 前記各ビームの一部を光学的に組合わせて、複数のしま
   を有する干渉じまパターンを形成する手段と、 入射した前記干渉じまパターンの強度を表す出力信号を
   与えるために感光領域の周期的なパターンを有する第１
   の感光手段と、 入射した前記干渉じまパターンの強度を表す出力信号を
   与えるために前記第１の感光手段の感光領域の周期的な
   パターンとほぼ同一の感光領域を有する感光領域の周期
   的なパターンを有する第２の感光手段と を備え、前記第１の感光手段および前記第２の感光手段
   は、前記干渉じまパターンの少くとも２つの同じしまの
   部分に応答するように位置させられ、前記第１の感光手
   段および前記第２の感光手段の前記感光領域の各前記周
   期的なパターンはそのパターンの周期性の方向に平行な
   パターン軸線を有し、そのパターン軸線は前記干渉じま
   に対してある選択された角度にあり、前記パターンは、
   前記パターン軸線に平行な方向に、前記周期的なパター
   ンの周期のある予め選択された部分だけずらされること
   を特徴とするレーザ角速度センサの読出し装置。
2. （２）回転速度および回転の向きに依存して周波数の変
   化を示す互いに逆向きに伝わるレーザビームを有するレ
   ーザ角速度センサの読出し装置において、 前記各ビームの一部を光学的に組合わせて複数のしまを
   有する干渉じまを発生する手段と、前記干渉じまパター
   ンの少くとも２つの同じしまの部分に応答するように位
   置させられ、入射した前記干渉じまパターンに応答して
   、その干渉じまパターンの強度を表す出力信号を発生す
   る感光部をそれぞれ有する第１および第２の感光手段と
   、それら第１および第２の感光手段の前記感光部の部分
   をほぼ同一の第１および第２の周期的なマスクパターン
   でそれぞれ覆う手段と を備え、前記第１および第２の周期的なマスクパターン
   は前記第１および第２の感光手段と前記干渉じまパター
   ンの間に配置されることを特徴とするレーザ角速度セン
   サの読出し装置。