JPS6138636B2

JPS6138636B2 -

Info

Publication number: JPS6138636B2
Application number: JP53098740A
Authority: JP
Inventors: Roisu Geimaatsufuerudaa Jooji; Hansu Gunnaa Ryungu Bo
Original assignee: Singer Co
Current assignee: Singer Co
Priority date: 1977-09-07
Filing date: 1978-08-15
Publication date: 1986-08-30
Also published as: GB2004113B; DE2839066A1; SE7809329L; NO149749B; IL55164A; GB2004113A; FR2402858B1; NO782989L; JPS5441693A; CA1095613A; NO149749C; US4190364A; FR2402858A1

Description

【発明の詳細な説明】本発明はリングレーザ・ジヤイロスコープに関
するものである。

従来の通常の角度レートセンサは基準方向を与
えるために自転する質量を含んでいる。しかし、
それらのセンサは摩擦と、望ましくないトルクと
のためにドリフト率が高いという固有の問題を有
する。リングレーザ・ジヤイロスコープは従来の
角度レートセンサに固有の問題の大部分を解消す
るものである。リングレーザ・ジヤイロスコープ
の動作は光学的原理と電子的原理を完全に基にし
ており、リングレーザ・ジヤイロスコープの角運
動は閉じた光路内を循環する無質量の光波によつ
て測定される。

リングレーザ・ジヤイロスコープは米国特許第
3373650，3467472号に開示されている。これの米
国特許に開示されているリングレーザ・ジヤイロ
スコープは、三角形の各頂点に設けられる３枚の
反射鏡により構成される三角形状のリングレーザ
空胴を形成する三角形のブロツクを含む。三角形
ブロツクが好適であるが、その理由は三角形のブ
ロツクが空胴構成に必要な反射鏡の数が最少だか
らである。空胴の中にはガスレーザ用のガスが充
される。そのガスはたとえばヘリウムガスおよび
ネオンガスで構成され、通常は２つの波長帯のう
ちの１つの波長帯で動作する。それら２つの波長
帯は、通常は赤外線領域の1.15ミクロンと、可視
領域の0.63ミクロンである。

混合ガス中のネオン同位体Ne²⁰とNe²²との割合
を適切に選択することにより、２種類の単色レー
ザビームが発生される。これら２種類のレーザビ
ームは閉じられている同じ光路内の三角形空胴の
周囲を時計回りと逆時計回りにそれぞれ伝わる。

リングレーザ・ジヤイロスコープの入力軸を中
心とする角運動が存在しない時は、２種類のレー
ザビームの長さは等しく、それらのビームの振動
数は等しい。従来のリングレーザ・ジヤイロスコ
ープがその入力軸を中心としていずれの向きに角
運動しても、その角運動の向きに伝わるビームの
空胴の長さが見かけ上長くなり、その向きとは逆
の向きに伝わるビームに対する空胴の見かけの長
さはそれに対応して短くなる。閉じられている光
路は持続発振を行う共振空胴であるから、各レー
ザビームの波長は空胴の長さの見かけ上の増減に
対応して増減する。したがつて、リングレーザ・
ジヤイロスコープがその入力軸を中心として角運
動すると、２本のレーザビームの周波数に違いが
生じ、その周波数差は角運動の速に比例する。

先行技術のやり方に従つて、２本のレーザビー
ムはレーザの出力鏡からとり出され、それら２本
のレーザビームはビーム混合器でヘテロダイン検
波されて干渉パターンを発生する。この干渉パタ
ーンは２本のレーザビームのヘテロダイン検波さ
れた光の周波数のうなり周波数を検出する光検出
器により検出され、そのうなり周波数は角運動の
速さを表す。

このリングレーザ・ジヤイロスコープでは角速
度が低いと２本のレーザビームの周波数差が小さ
く、２本のビームがいつしよに共振する、すなわ
ち「ロツクイン」してただ１つの周波数で振動す
る傾向があるから、低い角速度ではリングレー
ザ・ジヤイロスコープは動作が困難である。した
がつて、低角速度では角速度に比例する周波数差
が存在しないために、低い角速度を読取ることは
困難である。低い角速度におけるそのようなロツ
クイン現象を避けるための技術が米国特許
3373650，3467472号に開示されている。この技術
は、ロツクイン角速度よりも高い角速度でビーム
が循環して見えるように、検出器に機械的振動を
与えるようになつている。

リングレーザ・ジヤイロスコープの対称線を横
切る温度勾配はラングミユアの流れに影響を及ぼ
すから、そのような温度勾配に対してリングレー
ザ・ジヤイロスコープは感ずる。ラングミユアの
流れはレーザの陽極と陰極の間の電気泳動ポンピ
ングによつてひき起され、グロー放電を含む毛細
管の慎重な整合により、および対称的に置かれる
２つのグロー放電を利用することにより、ラング
ミユアの流れは通常は良く釣合いがとられる。ま
た、ラングミユアの流れは、２台の能動レギユレ
ータによつて２つのグロー放電を一定電流の放電
に維持することにより、従来のジヤイロスコープ
においても通常釣合いがとれている。

以上説明したような従来のリングレーザ・ジヤ
イロスコープは周囲温度の変化と、ジヤイロスコ
ープ自体の温度の変化とに極めて敏感である。そ
のような温度変化は従来のジヤイロスコープの対
称平面を横切る温度勾配が生ずる。その理由は三
角形ブロツクが対称性を欠いているからである。
そのような温度勾配によつて、ジヤイロスコープ
がその入力軸を中心とする角運動をしない時に、
スプリアス出力パルスが現われることになる。従
来のリングレーザ・ジヤイロスコープのブロツク
は、前記したように機械的震動によりロツクイン
現象を避けることを容易にするように、意図的に
非対称的に作られている。前記したように、角速
度が低いと角度入力がある臨界値すなわちしきい
値以下になるから、ロツクイン現象は低い入力角
速度で起りがちであり、かつジヤイロスコープの
入力と出力の間に非直線関係が存在する領域で起
りがちである。ロツクイン領域より上ではジヤイ
ロスコープの入力と出力の間にほぼ直線的な関係
が存在する。

従来のリングレーザ・ジヤイロスコープは、た
とえば100〜200Hzという比較的高い範囲の振動数
で機械的に振動させられる。そのような従来のジ
ヤイロスコープでは残留しているロツクイン効果
は明白で、そのような残留ロツクイン効果により
ジヤイロスコープの入力と出力の間に不連続的な
非直線性をひき起す。そのような非直線性をなく
すために、擬似ランダム震動運動を用いることが
従来一般的に行われているやり方である。

前記米国特許出願に開示されているユニツトに
類似して、本発明も三角形の各頂点に設けられた
３枚の反射鏡（出力鏡を含む）により構成される
三角形状のリングレーザ共振空胴を有するブロツ
クを含むジヤイロスコープを提供するものであ
る。ヘリウムガスとネオンガスとの混合ガス中に
毛細管グロー放電を行い、単色光を発生する空胴
の一部をガスレーザが一体として構成する。支持
柱を有するケースが設けられる。ブロツクはその
対称線上の点Ａに中心を置く軸受（図示せず）に
よりケース上に支持される。ブロツクの中心を支
持柱の上に支持するために、空胴の対称平面上に
何個かのばねが設けられる。前記米国特許出願に
おけるユニツトと同様に、周囲温度およびジヤイ
ロスコープの温度が変化しても、ジヤイロスコー
プの対称線を横切る温度勾配が生じないように、
本発明のジヤイロスコープの構造体には非対称的
な切込み部、または位置がずらされた穴が設けら
れる。

本発明のジヤイロスコープでは、ガラス、ガラ
ス・セラミツクその他の適当な材料で作られた光
学くさびの一方の側がユニツトの出力鏡の外側に
とりつけられ、光学くさびの他の側はプリズムに
とりつけられる。光学くさびとプリズムは出力ビ
ームを角変位させ、隅に設けられている静止して
いる立方体状の後方反射器へ出力ビームを送る。
光学くさびの角度を適切に選択することにより、
得られた干渉計の感度を、リングレーザがその中
心対称点を中心として機械的に震動させられた時
のリングレーザの感度と絶対値が等しく、符号が
逆のものにすることができ、それにより希望の補
償を行うことができる。後方へ反射されたビーム
は、リングレーザ・ジヤイロスコープからの他の
出力ビームと拡げられた機械的震動角にわたつて
相互作用して、低周波で広角の機械的震動を利用
できるようにする。アセンブリの目的は、従来の
ジヤイロスコープで要求されていたように、ロツ
クインを阻止して、高周波の機械的震動によりひ
き起される残留ロツクイン効果を避けるために、
低周波の機械的震動を利用できるようにすること
である。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。

第１図は前記したような種類の従来のリングレ
ーザ・ジヤイロスコープを示す。このジヤイロス
コープは三角形のブロツク１０を有する。ブロツ
ク１０はオウエンス―イリノイスガラス会社
（Owens―Illinois Glass Company）から販売さ
れている「Cevvit101」（商品名）、またはシヨツ
ト・ガラス会社（Schott Glass Company）から
販売されている「Zevodur」（商品名）のような
低熱膨張率でヘリウムの拡散を防止するガラス・
セラミツクで作ることができる。ブロツク１０の
中に空胴が設けられる。この空胴は２枚の高反射
率反射鏡１２，１３と出力鏡１４により構成され
る。第１図に示すジヤイロスコープは２個の陽極
１５，１６と陰極１７も含む。この空胴の中には
ヘリウムガスとネオンガスとの混合ガスが充填さ
れる。２個の陽極と１個の陰極との間のプラズマ
放電により、ガスが充填されている空胴の中に必
要な利得が得られる。２本の単色光ビームが反射
鏡と出力鏡により、ブロツクの周囲を時計回りと
逆時計回りとにそれぞれ伝播させられる。

ブロツク１０はばね１８によりベースに弾力的
に連結される。このばね１８はケースにとりつけ
られている支持柱１９にとりつけられる。ブロツ
ク１０は外部の圧電作動器（図示せず）により駆
動して、Ａ点を中心として擬似ランダム的に震動
させることができる。この機械的震動の目的は、
前記したように、ロツクイン効果を避けるのに十
分高い入力角速度を導入することである。

出力鏡１４にとりつけられた半透明鏡２１と、
隅の立方体状後方反射器２０と、半透明鏡２１の
近くでケースにとりつけられた光検出器２２とで
干渉計アセンブリが構成される。時計回りと逆時
計回りとの２本の光ビームが半透明鏡２１の所で
混合され、その結果得られたうなり周波数の光が
光検出器２２によつて検出される。

前記干渉計アセンブリは異なる光路を伝わつて
きた２本の光ビームを再び組合わせる。第１図の
Ａ点は距離ｄが出力鏡１４の厚さｔに等しいよう
に選択される。そうすると、干渉計の感度は、リ
ングレーザ・ジヤイロスコープがＡ点を中心とし
て機械的に震動させられる時のリングレーザ・ジ
ヤイロスコープの感度と絶対値が等しく、符号が
反対である。この干渉計により、リングレーザが
受ける実際の入力角速度を正確に回復できる。

第１図に示す従来のジヤイロスコープでは、時
計回りと逆時計回りとの２本の単色光ビームが光
検出器２２に到達した時に、それら２本のビーム
の間に小さな収束角度が形成されるように、それ
ら２本のビームは組合わされる。このようにし
て、暗い部分が点在する２個所またはそれ以上の
明るい領域より成る干渉パターンが形成される。
その干渉パターンはリングレーザの回転の向きに
応じていずれの側へも動く。したがつて、このレ
ーザの回転の向きは、干渉パターン内の明るい領
域の間の距離の４分の１の距離をおいて配置され
る２つの領域に光検出器２２を分割することによ
つて、検出することができる。

ブロツク１０をその支持柱１９を中心として機
械的に平衡させるために、非対称的な切込み部２
３，２４，２６と、偏心穴２７とがブロツク１０
に設けられる。そのようにして平衡をとる必要が
ある理由は、従来のこの種のジヤイロスコープで
はユニツトと外部の直線震動源とが機械的に結合
されることを避けるために、ブロツクの対称線か
らＡ点が外れているからである。

第１図に示す従来のリングレーザ・ジヤイロス
コープに固有の欠点は、その対称線Ｂ―Ｂを横切
る温度勾配に対してこのジヤイロスコープが極め
て敏感なことである。それらの温度勾配は空胴内
におけるガスの流れを変え、その結果として入力
角速度が加えられない時にスプリアス出力パルス
が発生されることになる。この現象は、たとえ
ば、周囲温度が変化したり、装置が動作を開始し
てから一定温度に落ちつくまでの温度変化などに
起因する温度変化が存在する場合に起る。そのよ
うな温度勾配が生ずる理由は、第１図に示すブロ
ツク１０が非対称的な構造だからである。温度勾
配に含まれる時定数は時のオーダである。

第１図に示す従来のリングレーザ・ジヤイロス
コープの別の欠点は、機械的な震動の大きさが約
±0.5゜に制限されることである。その理由は、
後方反射器２０からの反射ビームが、極めて小さ
な震動角でのみ他の出力ビームと一致することで
ある。したがつて、第１図に示す従来のジヤイロ
スコープでは、±0.5゜よりも大きい機械的震動角
では出力が存在しないために、その震動角より大
きい震動角に対しては２本のビームをヘテロダイ
ン検波することが不可能である。そのために、従
来のジヤイロスコープでは比較的高い振動数の機
械的震動を用いる必要があるが、そうするとジヤ
イロスコープの入力と出力の間にロツクイン非直
線が残ることになる。また、高い振動数の震動で
は慣性誘導装置で通常用いられる加速度、ジヤイ
ロスコープのような近くに設けられている機器に
悪影響が及ぶ。

従来のリングレーザ・ジヤイロスコープのこの
ような欠点は本発明のリングレーザ・ジヤイロス
コープによつて解消される。第２，３図に本発明
のリングレーザ・ジヤイロスコープの実施例を示
す。第２，３図に示す実施例の構造はいくつかの
面で第１図に示す従来のリングレーザ・ジヤイロ
スコープの構造に類似するから、本発明のリング
レーザ・ジヤイロスコープは従来のものと異なる
部分についてのみ詳しく説明することにする。

第２，３図に示すリンクレーザ・ジヤイロスコ
ープにおいて、ばね１８およびその支持柱１９の
中心すなわちＡ点は、第１図に示すジヤイロスコ
ープの場合とは異なり、対称線Ｂ―Ｂ上に位置さ
せられる。したがつて、本発明のリングレーザ・
ジヤイロスコープのブロツクには非対称的な切込
み２３，２４，２６または偏心穴２７を設ける必
要はない。

出力鏡２９には透明な光学接着剤により光学く
さび２８がとりつけられる。光学すさび２８はコ
ーニング・ガラス会社（Corning Glass
Company）から「U.L.E」という商品名で販売
されている超低膨張ガラスであるチタニアで安定
化されたガラス・セラミツクのようなガラス―セ
ラミツク材料で作ることができる。この材料は水
のように透明で、レーザブロツクの熱膨張率に良
く一致する熱膨張率を有する。熱によりひき起さ
れる応力によつて光学的な干渉じまができること
を避けるために、光学くさび２８とブロツクとの
熱膨張率を良く一致させることが必要である。光
学くさび２８には半透明被膜３０が施される。光
学素子の全ての外面には反射防止層を付着して損
失を減少させることが好ましい。

第２，３図に示すリングレーザ・ジヤイロスコ
ープのケースには後方反射器３０が設けられる。
この後方反射器３０は通常は隅の立方体状後方反
射器である。感度円３３の上に光中心があるよう
にして後方反射器３２を設ける。感度円３３の中
心はＡ点にあり、その半径ｒはｒ＝２Ｂ／Ｌである。ここに、Ｌは空胴の光路長、Ｂはこの光
路により囲まれる面積である。

後方反射器３２の面にも適当な反射防止層を形
成する。後方反射器からの表面反射がレーザ空胴
へ戻されることを避けるために、後方反射器は少
しずれた位置に設けられる。

光学くさび２８の外面に直角プリズム３１が透
明な光学接着剤でとりつけられる。光学くさび２
８は逆時計回りのビームを角変化させるから、そ
の逆時計回りのビームは直角プリズム３１の中で
２回反射されてからビーム３４として後方反射器
３２へ向つて進む。ビーム３４は後方反射器３２
により反射されてから、ビーム３５となつて直角
プリズム３１へ向つて進む。

以上説明した光学素子は干渉計を構成し、この
干渉計の感度は、リングレーザ・ジヤイロスコー
プが震動させられる時のそのジヤイロスコープの
感度と絶対値が等しく、符号が逆である。それら
の光学素子は、後方反射器３２に入射するビーム
３４と、反射器３２から出るビーム３５とが互い
に平行で、感度円３３の半径に垂直であるように
配置される。ビーム２５が光学くさび２８に入射
すると、そのビーム２５は半透明反射膜３０によ
り反射される。出力鏡２９を透過する時計回りの
ビームは半透明反射膜３０を透過する。時計回り
のビームとビーム３５とは一致し、プリズム３１
で更に反射されてからそれら２本のビームはブロ
ツクに固定されている光検出器３６へ送られる。

それら２本のビームは光検出器３６でヘテロダ
イン検波されて希望の干渉パターンを形成する。
この干渉パターンの形成に必要な小さな収束角
は、出力鏡２９を数分の弧のくさび形とすること
により、または光学接着剤が希望のくさび角を成
すように光学くさび２８を光学くさびで出力鏡２
９に接着することにより作ることができる。

第２，３図に示すリングレーザ・ジヤイロスコ
ープでは、光学くさび２８と、プリズム３１と、
反射器３２とは干渉計を構成し、この干渉計によ
りジヤイロスコープからの出力が補償されて、か
なりの角度にわたる誘起された機械的震動の影響
を受けないようにして、ジヤイロスコープの換算
係数に悪影響を及ぼす残留ロツクイン効果が生じ
ないように、大きな角度の低振動数の震動がジヤ
イロスコープに生ずるようにする。更に、本発明
のジヤイロスコープはその構造により対称線上で
支持できるから、対称線を横切る温度勾配の悪影
響が大幅に小さくなる。

本発明の第２の実施例では、別々の出力鏡から
の時計回りと逆時計回りのビームを光学くさび２
８とプリズム３１とを介して、感度円３３上に設
けられている反射器３２のようなビーム組合わせ
器へ送る。しかし、第２，３図に示す実施例では
行われる誤差打ち消し作用がこの実施例では存在
しないから、この第２の実施例では製作誤差の慎
重な制御が求められる。第２，３図に示す実施例
における誤差打ち消しはビームがプリズム３１を
介して両方向に進むために起るものである。

したがつて、本発明はブロツクがその対称線上
に設けられ、釣合用の切込みまたは偏心穴を必要
としない改良したリングレーザ・ジヤイロスコー
プを提供するものである。ブロツクをこのように
とりつけることにより、このジヤイロスコープは
周囲温度の変化、およびジヤイロスコープのウオ
ーミングアツプ中に起る温度差に感じなくなる。
本発明のリングレーザ・ジヤイロスコープは、第
１図に示す従来のリングレーザ・ジヤイロスコー
プと比較して、許容機械的震動角を約10倍にで
き、それによりロツクイン効果をなくすために大
きな角度の低振動数の震動を用いることが実用的
に可能となる。そのような低い振動数で大きな角
度の震動により、高い振動数の震動の場合よりも
残留ロツクイン作用が少なくなり、したがつて高
い振動数の震動では必要であつた擬似ランダム運
動を小さくできる。

本発明の別の利点は、出力鏡をブロツクの上の
最適な位置に設けて後方散乱をできるだけ少なく
できることである。これは第１図に示す従来のジ
ヤイロスコープでは、出力鏡が前記した理由で半
反射部分２１を含み、その半反射部分が特定の光
路上に正しく配置されるように出力鏡をブロツク
上の固定位置に配置せねばならないから、出力鏡
をブロツク上の最適位置に配置できなかつた。

本発明のリングレーザ・ジヤイロスコープの更
に別の利点は、後方反射器ビーム組合めせ器３２
の占有スペースが、第１図に示す従来のリングレ
ーザ・ジヤイロスコープのビーム組合わせ器２１
の占有スペースよりも小さいことである。

【図面の簡単な説明】

第１図は対称平面を横切る温度勾配に敏感な従
来のリングレーザ・ジヤイロスコープの略図、第
２図は隅の立方体状後方反射器とともに干渉計を
構成する光学くさびとプリズムとがとりつけられ
る本発明のリングレーザ・ジヤイロスコープの略
図、第３図は本発明のリングレーザ・ジヤイロス
コープの動作の説明に有用な第２図のジヤイロス
コープの一部を切り欠いて示す拡大斜視図であ
る。１０……ブロツク、１２，１３……反射鏡、１
５，１６……陽極、１７……陰極、１８……ば
ね、１９……支持柱、２２，２６……光検出器、
２８……光学くさび、２９……出力鏡、３０，３
２……後方反射器。

Claims

【特許請求の範囲】１２本のレーザビームを発生するリングレーザ
共振空胴を有する対称ブロツクと、ジヤイロスコ
ープの入力軸を中心として２本のレーザビームを
時計回りと逆時計回りとの向きに閉ループを伝播
させるために前記ブロツクに装置される反射器
と、ジヤイロスコープの入力軸に沿つて延びる軸
線を有し、ブロツクの対称線上に位置させられる
ブロツクの支持器と、ブロツクが入力軸を中心と
して角運動できるようにブロツクを支持器に機械
的に連結するための弾力要素と、ブロツクの十分
な角運動変位にわたつて入力軸を中心としてブロ
ツクにひき起される機械的な震動の影響をジヤイ
ロスコープの出力が受けないようにするためにブ
ロツクに結合される補償干渉計要素とを備えるこ
とを特徴とするリングレーザ・ジヤイロスコー
プ。２特許請求の範囲第１項に記載のジヤイロスコ
ープにおいて、光検出器を含み、前記反射器は出
力鏡を含み、前記干渉計要素は静止後方反射器
と、１本のレーザビームを後方反射器へ導き、他
方のレーザビームと後方反射器からの反射ビーム
とを光検出器へ導くために出力鏡の外側に装置さ
れる要素とを備えることを特徴とするジヤイロス
コープ。３特許請求の範囲第２項に記載のジヤイロスコ
ープにおいて、後方反射器へ導かれるレーザビー
ムと、後方反射器から反射されたレーザビームと
は互いに離れている２本の平行光路に沿つて進む
ことを特徴とするジヤイロスコープ。４特許請求の範囲第３項に記載のジヤイロスコ
ープにおいて、出力鏡の外側に装置される前記要
素は、出力鏡の外面にとりつけられる光学くさび
と、この光学くさびの外面にとりつけられるプリ
ズムとを含むことを特徴とするジヤイロスコー
プ。５特許請求の範囲４項に記載のジヤイロスコー
プにおいて、前記光学くさびの表面のうち前記出
力鏡に隣接する部分には、前記プリズムから反射
されてきた後方反射器からの反射ビームをプリズ
ムへ反射させてプリズムから光検出器へ入射させ
るため、および他のレーザビームをプリズムへ向
けてプリズムの反射により光検出器へ入射させる
ための半透明反射膜を含むことを特徴とするジヤ
イロスコープ。６特許請求の範囲第４項に記載のジヤイロスコ
ープにおいて、前記プリズムと光学くさびとは光
学接着剤により互いにとりつけられるとともに、
出力鏡にとりつけられ、前記光学くさびは熱によ
りひき起される応力のために複屈折が生ずること
を避けるように熱膨張を一致させるように選択さ
れることを特徴とするジヤイロスコープ。７特許請求の範囲第４項に記載のジヤイロスコ
ープにおいて、光学くさびを出力鏡にとりつける
接着剤層を含み、前記光学検出器に入射した光に
所定の干渉パターンを形成させるように、光学く
さびと出力鏡との間に選択されたくさび角度を形
成させるためのくさび形を前記接着剤層が有する
ことを特徴とするジヤイロスコープ。８特許請求の範囲第４項に記載のジヤイロスコ
ープにおいて、前記プリズムは直角プリズムであ
つて、Ｌを前記閉じられたループの長さ、Ｂを前
記閉じられたループで囲まれた面積、ｒ＝2B／
Ｌとして、後方反射器の中心がジヤイロスコープ
の入力軸から半径ｒのにあるように位置させられ
ることを特徴とするジヤイロスコープ。