JPS624876B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、角度率センサ装置に係り更に詳細に
は、前記装置の温度勾配を補償する装置を持つた
リングレーザジヤイロに関する。

リングレーザジヤイロは、先行技術の角度率セ
ンサ装置とは非常に異なつている。通常の角度率
センサは、基準方向をあたえるために回転物体を
使用する。回転物体を持つたこれらのセンサは、
固有の問題点を持つていて、その中でも摩擦およ
び希望しないトルクによつて生じる高いドリフト
率がある。リングレーザジヤイロは、主として先
行技術のセンサの好ましくない特性を除去してい
る。その動作は、全く光学的と電子的の現象に基
いていて、角度運動は、閉鎖した通路内を循環す
る質量のない光波によつて測定される。

先行技術（例えば、ジヨセフ・Ｅ・キルパトリ
ツク氏の米国特許第3373650号および第346472号
明細書）は、３個の隅部の鏡によつて画成される
三角形に形成されたリングレーザ共振空洞を開示
している。この三角形形状は、鏡の最小数を使用
しているので好ましい。ガスレーザは、レーザ空
洞を満たす。空洞を満たしているガスレーザは、
ヘリウムガスとネオンガスを有し、赤外線スペク
トル帯の3.39または1.15マイクロメータ或いは可
視波長領域の0.6328マイクロメータの３種の波長
のうちの一つにおいて動作する。ガス混合体中の
２種のネオン同位元素Ne²⁰およびNe²²の比を適当
に選ぶことによつて、２つの単色ビームが作られ
る。この２つのレーザビームは、同一の閉鎖通路
に沿つて三角形空洞を回つて時計方向と反時計方
向に伝播する。入力軸の回りに回転がないときに
は、これら２つのビームに対する空洞の長さは等
しく、２つの光学的周波数は同一である。いずれ
かの方向への回転は、その回転方向に進行してい
るビームに対して空洞長の見掛け増加を生じ、も
う一つのビームに対して減少を生じる。閉鎖され
た光学的通路は、持続された振動をあたえる共振
空洞であるから、各ビームの波長もまた従つて増
加または減少しなければならない。従つて、いず
れかの方向のリング回転は、周波数分割を生じ、
これら２つの周波数は、回転速度に比例する量だ
け異なつている。出力の鏡においては、時計方向
と反時計方向のビームが取出されて、出力プリズ
ムによつて結合されて干渉パタンを作り、それが
光検知器によつて検知される。この光検知器は、
２つの信号周波数を混ぜてうなり音を発すること
によつて生ずるうなり周波数を感知する。うなり
周波数出力は、回転速度の測度である。

すべてのリングレーザジヤイロスコープは、そ
の対称線を横切る温度勾配に敏感である。このよ
うな勾配は、ラングミユア流に影響をあたえる。
アノードとカソードとの間の電気泳動ポンピング
によつて生じるラングミユア流は、グロー放電を
含む毛細孔を注意深く加工することによつて、ま
た２つの対称的に置かれたグロー放電の利用およ
び２つの有効電流調整器によつて２つのグロー放
電に一定電流の放電を維持することによつて通常
はよく平衡されている。

先行技術のリングレーザジヤイロスコープは、
環境に存在する温度変化または加熱により生じる
温度変化に対して極めて鋭感である。先行技術の
リングレーザジヤイロスコープにおけるこれらの
温度変化は、その対称平面を横切る勾配を生じ
る。何となれば、先行技術に示されたジヤイロス
コープ・ブロツクは、非対称であつたからであ
る。その結果、入力軸の周りに回転はないけれど
も、出力が現われる。ブロツクを非対称にするこ
とが、機械的の震動によるロツク・インを防止す
るために先行技術に必要とされた一方法であつ
た。ロツクインは、入力率が、或る臨界値または
限界値の下に落ちたときに、低い入力の回転率に
おいて起る。このロツクイン領域においては、入
力と出力との間に非直線関係が存在する。ロツク
イン領域の外では、入力と出力との間にほぼ直線
関係がある。

本発明は、３個の隅部の鏡によつて画成される
三角形に形成されたリングレーザ共振空洞を開示
する。単色光を作るガスレーザは、空洞の一体部
分であつて、それはヘリウムとネオンのガス混合
体内に毛管グロー放電を有する。空洞は、その中
心において複数個のばね装置によつて支柱上に支
持され、すべてのばね装置は空洞の対称線に位置
している。

本発明においては、非対称の切除または変位し
た孔は、先行技術に示されたように必要ではな
い。従つて、環境における温度変化または、起動
による温度変化は、装置の対称線を横切る温度勾
配を生じない。ガラスまたはガラス・セラミツク
製の光学楔が、出力反射器に付着している。この
楔は、ビームを或る程度角度的に変位させる。こ
れは、楔と後方反射器との間に形成された干渉計
の感度を低下する。適正に選ばれた楔角度は、レ
ーザがその中心対称点について震動したときに、
リングレーザの感度に対してその干渉計の感度を
大きさ等しく方向の反対にさせる。

従つて、本発明の目的は、温度変化に対して本
質的に不感性のリングレーザジヤイロを提供する
ことである。

本発明はこれらおよびその他の目的、特徴およ
び利点は、添付図面について以下説明することに
よつて明白となるであろう。

第１図を参照すると、これは先行技術のリング
レーザジヤイロを示し、通常のビーム結合器を有
し、それはロツクインを防止するために通常に使
用される装置を示すために以下に説明されるであ
ろう。このジヤイロは、ガラス・セラミツクの三
角形ブロツク１０で構成され、その中に空洞が加
工されている。この空洞は、２つの高反射器１２
および１３と、出力反射器１４とによつて画成さ
れる。２つのアノード１５および１６とカソード
１７の間のプラズマ放電は、He Neで満たされた
空洞に必要なゲインを得るために使用される。

ブロツク１０は、ばね１８によつて支持体上に
機械的に支持される。このばねは、支持柱１９に
おいて支持体に固着される。ブロツクは、例えば
点Ａ付近を震動させるために、外部の圧電作動器
（図示せず）によつて駆動される。この震動の目
的は、ロツクイン作用を除去するために十分の高
さの入力率を導出することである。これは、偽無
作意震動を使用することによつて最も効果的に達
成される。このリングレーザに作用される実際の
入力率を精密に回復するためには、補償用のビー
ム結合器を使用することが必要である。このビー
ム結合器は、ここにポロ・プリズムとして示すよ
うな後方反射器２０で構成される。

ポロ・プリズムは、１つの90゜の角と２つの45
゜の角とを持つ三角形の光学装置である。光は、
この直角三角形の斜辺にほぼ直角に入つて、２回
の内部反射の後、同一の表面から出る。立体反射
器も使用される。時計方向および反時計方向の単
色光ビームCWおよびCCWは、半鍍銀鏡２１に
おいて結合される。これらの２つのCWおよび
CCWビームのヘテロダイニングまたは混合は、
光検知器２２によつて検知される。後方反射器お
よび多くの場合に、光検知器は、ケースに固定さ
れている。このCWビームとCCWビームの構成
によつて、干渉計が形成される。簡単に述べれ
ば、干渉計は、光のビームが部分反射によつて２
つまたは更に多くの部分に分離される任意装置で
あつて、それらの分離部分は、異なる通路を進行
した後に再結合する。形成された干渉計の感度
は、中心外れｄが鏡１４の厚さｔに等しく選択さ
れた点Ａについてジヤイロスコープが震動された
ときのリングレーザジヤイロ出力の感度に等し
く、方向反対である。

先行技術は、CWビームとCCWビームとが光
検知器２２に達するときに、両ビーム間に小さい
収斂角度が形成されるように両ビームを結合する
ことを教えている。そのようにすることによつ
て、一つの干渉パタンが形成され、それは、暗い
区域によつて中間を占められた２箇所または多く
の明るい区域で構成される。この棒状パタンは、
リングレーザの回転する方向によつていづれかの
側に動く。従つて、リングレーザの回転センス
は、光検知器２２を棒状パタンの一部（90゜）を
隔てた２区域に分割することによつて感知される
ことができる。

先行技術は、後方反射器２０を使用し、この反
射器は、リングレーザの回転センスの検出を容易
にするために、上記の収斂を形成するように出力
ビームを角度的に少量だけ、代表的には数分の弧
度だけ変位して後方に反射する。ポロ・プリズム
は、希望の角度変位を得るように作ることは比較
的容易である。しかし、ポロプリズムは、後方反
射器として使用されたときに若干の欠点を持つて
いる。何となれば、それは全く困難な調整手順を
持つからである。従つて、多くの先行技術リング
レーザジヤイロスコープは、隅部の立体後方反射
器を使用している。或る角度外れを持つた隅部主
体後方反射器を作ることは困難かつ高価である。
何となれば、このオフセツトは、６つの角度によ
つて決められる４つの光学表面を正確に製造する
ことによつて支配されるからである。

本発明は、意識的の角度外れなしに微小角度を
持つたポロプリズムまたは隅部立体後方反射器の
いずれも使用するように実用的にすることができ
る。かような後方−反射器は、組込まれた精密角
度オフセツトを有するものよりも製造が困難でな
くかつ整列させることが容易である。所要の角度
収鍍は、第２図における楔２８を角度的に移動す
ることによつて便利に達成することができる。所
要の収斂角度の1/2だけ、この楔を食い違わせる
ことによつて、楔上の半鍍銀区域は、CWビーム
を角方向に変位させて、検知器２２上に干渉の棒
パタンを形成させる。

非対称の切除部２３，２４および２６は、変位
した孔２７とともに、ブロツクをその支持柱１９
の周りに機械的に平衡させるために使用されてい
る。この平衡は、線状振動の外部発生源に対する
機械的結合を避けるために必要なものである。

第１図に示すリングレーザジヤイロの欠点は、
第１図に示すその対称軸Ｂ−Ｂを横切る温度勾配
に極めて敏感であることである。これらの勾配
は、空洞内のガス流を変化させ、その結果、入力
率が全く導入されていないときにおいて出力パル
スを生じることになる。この偏倚不安定は、外部
温度に変化があるときに第１図の先行技術装置に
起る。このための理由は、非対称ブロツクが温度
勾配を誘導することにある。それに関する時定数
は、時間のオーダである。

第２図を参照すると、本発明の一実施例が示さ
れている。第２図に示した構体は、第１図に示し
たものと基本的に同一である。従つて、本発明を
構成する顕著な特徴のみを詳細に説明する。第２
図において、ばねとその支持点Ａの中心は、ブロ
ツクの中心線Ｂ−Ｂ上に位置している。その上、
非対称の切除部も、ブロツクを貫通する変位した
孔も必要ではない。光学楔２８は、例えばU.L.
E.で作られ、光学接着剤によつて出力鏡２９に
付着される。U.L.E.は、超低膨脹シリカ、二酸
化チタン、安定化ガラス・セラミツクに対するコ
ーニング・グラスワークスの商品名である。U.
L.E.は、無色透明であつて、レーザブロツクに
対して良好な熱膨脹適合をあたえる。レーザブロ
ツクは、通常、低熱膨脹を持つた他のヘリウム拡
散抵抗ガラス・セラミツクに作られる。これは、
オーエンス・イリノイ社（Owens−Illinois）製
のサービツト101、またはシヨツト社（Schott）
製のゼロジユがある。熱的に導出される応力によ
る光学的複屈折を避けるためには、良好な熱膨脹
適合が必要である。楔２８は、半鍍銀された一部
分３０を持つ。すべての光学的空気表面は、損失
を減少するために、例えばＶ被覆などで代表的に
防反射被覆されている。後方反射器３１は、ポロ
プリズムとして示したけれども、隅部立体反射器
として形成されてもよく、またその斜辺に防反射
被覆をされる。第１表面反射がレーザ空洞内に復
帰結合することを避けるために後方反射器を若干
角度的にずらせることもまた通常行なわれること
である。

楔２８は、CCWビームを若干角度的に変位さ
せる。これは、楔と後方反射器３１との間に形成
される干渉計の感度を低下する。適正に選ばれた
楔角度は、リングレーザが点Ａについて震動する
ときに、この干渉計の感度をリングレーザの感度
に対して等しく方向反対にさせる。幾何学的およ
び使用材料に対して正確な楔角度は約４゜である
ことが分つた。

第２図の実施例は、対称的に装置された懸吊を
有する対称ブロツクの使用を許容する。先行技術
より優れた利点は、非対称による偏倚不安定が除
去されることであつて、平衡切除部および変位し
た孔は不要であり、出力反射器は、後方散乱を減
少する最適位置にブロツク上に置くことができ
る。これは、先行技術（例えば、第１図）の器具
ではできない。何となれば、出力反射器１４は以
前の組立において半鍍銀２１された一定点を持つ
からである。

第３図は、プリズム３２を使用した先行技術の
ビーム結合器の他の例である。その必要な中心外
れｄは、鏡の厚さｔに等しいことが分る。プリズ
ム３２は、半鍍銀された境界面３３を有し、それ
によつてレーザ内のCW（時計方向）ビームと
CCW（反時計方向）ビームは、うなり現象とさ
れる。プリズムと、通例は検知器３５とはケース
に固定される。

第４図は、本発明の第２の実施例であつて、ゼ
ロオフセツトを容易にするためにビームを平行移
動する新規方法、例えば震動部を対称線Ｂ−B′上
に懸吊装架したものを示す。ビームの平行移動
は、部分的に反射性とされ、出力反射器４１に取
付けられた直線形平行六面体４０によつて達成さ
れる。ビーム延長線（破線）は、出力反射器の内
面を交差することが分る。

第５図は、本発明の他の実施例を示し、ビーム
平行移動器は、平行六面体５０の屈折特性を使用
している。実用上には、この構成は、第２図およ
び第４図の構成よりも望ましくない。何となれ
ば、高い入射角におけるＳ偏光に対して良好な性
質を持つ防反射被覆を作ることは困難であるから
である。

以上によつて、温度変化に対する敏感性を除去
したリングレーザの対称的設計および支持を許容
する屈折性装置を持つたリングレーザジヤイロス
コープが開示された。また、本発明は、後方散乱
を少なくする最適位置に出力反射器を置いて、良
好な機器性能を得ることができる。更に、本発明
は、上記目的を達成するために反射装置を使用す
ることを開示している。本発明のただ一例の好ま
しい実施例を述べたけれども、本発明はそれに制
限されるものではなく、特許請求の範囲の真の精
神と要旨によつてのみ制限されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、その対称線を横切る温度勾配に敏感
である先行技術のリングレーザジヤイロの略図、
第２図は、付着した楔を示す本発明の改良された
リングレーザジヤイロの略図、第３図は、ビーム
結合器としてプリズムを使用する先行技術を示す
第１図同様の図、第４図は、本発明の他の実施例
の略図であつて、等しく方向反対の感度を容易に
するためにビームが反射によつて平行移動するも
のを示し、第５図はガラスまたはガラス・セラミ
ツクの平行六面体の屈折特性を使用して、ビーム
がリングレーザおよび干渉計の等しく方向反対の
感度を容易にするように平行移動する、第４図に
類似する本発明の他の実施例を示す略図である。 １０……三角形ブロツク、１２，１３……反射
器、１４……出力反射器、１５，１６……アノー
ド、１７……カソード、１８……ばね、１９……
支持柱、２０……後方反射器、２１……半鍍銀
鏡、２２……光検知器、２３，２４，２６……非
対称切除部、２７……変位孔、２８……光学楔、
２９……出力鏡、３０……半鍍銀部分、３１……
後方反射器、３２……プリズム、３３……境界
面、３５……光検知器、４０……平行六面体、４
１……出力反射器、５０……平行六面体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 対称軸上を対称となるように支持体上に装架
   され、かつ対称軸を横切る温度勾配を除去するよ
   うに構成され、回転軸まわりの閉鎖された光学通
   路に沿つて単色光の２つの反対回転ビームを通過
   させる三角形レーザブロツクを有し、周波数の差
   は前記回転軸まわりの回転によるビームの間に生
   じ、さらに前記支持体にビーム結合器が取付けら
   れ、単色ビームのうちの１つを出力反射器の出口
   のところで変位させるようにしたリングレーザジ
   ヤイロスコープにおいて；前記出力反射器２９，
   ４１には前記ビーム結合器３１，３３からの単色
   ビームを別個の光学通路に沿つて変位させる光学
   楔２８，４０，５０が取付けられ、前記ビーム結
   合器３１，３３と光学楔２８，４０，５０と出力
   反射器２９，４１との間に形成された干渉計の感
   度を低下させ、さらに前記干渉計の感度を前記リ
   ングレーザジヤイロスコープの感度に等しく方向
   反対としたことを特徴とするリングレーザジヤイ
   ロスコープ。 ２ 前記光学楔は前記レーザブロツクと同じ熱膨
   張係数をもつ材料で作られ、かつ楔角度が約４゜
   の半鍍銀の楔を有し、楔は出力鏡２９に対して光
   学接着剤によつて取付けられていることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載のリングレーザ
   ジヤイロスコープ。 ３ 前記光学楔は、平行六面体４０を有し、この
   平行六面体は短辺と前記出力反射器の出力面に取
   付けられた銀鍍区域をもつ長辺とを有しているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のリ
   ングレーザジヤイロスコープ。 ４ 前記光学楔は、短辺に沿つて半銀鍍区域を備
   えた平行六面体５０を有していることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載のリングレーザジ
   ヤイロスコープ。