JPS6370585A

JPS6370585A - リング・レ−ザ・ジヤイロ

Info

Publication number: JPS6370585A
Application number: JP61215225A
Authority: JP
Inventors: Hirotaka Nakano; 博隆中野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1986-09-12
Filing date: 1986-09-12
Publication date: 1988-03-30

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）この発明は、例えば航空機搭載用の慣性航法装置に使用
するリング・レーザ・ジャイロに係り、特にそのミラー
の改良に関する。

（従来の技術）一般に、航空様搭載用の慣性航法装置に使用するリング
・レーザ・ジャイロは、レーザ光を利用した最も高度な
センサーであり、その原理は次の如くである。

即ち、環状に構成された光路内において、互いに逆方向
に進行するレーザ光を発振させ、装置全体が回転すると
、それら２つの進行波に光路差が生じる（サニヤック効
果）。この光路差は、２つの反対方向の進行波間に周波
数差を生じさせ、両方の進行波を重ね合せると、ビート
周波数を持った干渉縞が生じる。このビート周波数を検
出器で読取り、回転角度を測定するものである。

又、リング・レーザ・ジャイロは、従来の償械的なジャ
イロと比較し、（１〉慣性質遥か無いため、スイッチを入れてから測定
可能となる定常状態に達する時間が著しく短い。

（２）機械的な摩擦、潤滑等が無いので、長寿命となる
。

（３）デジタル出力であり、制御しようとする系に直接
取付は可能である（ストラップ・ダウン方式）。

（４）安価、高信頼性を達成すれば、複数個分散して配
置することにより、事故に対する安全性の著しく高いシ
ステムを設計することが出来る。

等の利点を有するため、航空機搭載用のストランプ・ダ
ウン慣性航法装置に使用されているのは、周知のことで
ある。

このようなリング・レーザ・ジャイロは、従来、第６図
に示すように構成され、使用温度範囲（例えば−６０℃
〜＋８０℃）の領域で、熱膨張係数が極めて小さいガラ
スからなるブロック１に、レーザ光の光路２となる部分
等、所望の箇所に切抜き加工が施されている。内部には
、レーザ光を発振するためのカンード３、アノード４．
４が設けられている。中空部６には、真空排気後、レー
ザ媒質として例えばヘリウム・ネオン混合ガスが導入さ
れる。更に、レーザ発振を維持するため、ミラーが配設
されている。

現在、提案されているリング・レーザ・ジャイロとして
は、ミラーを３個（高反射側ミラー２個と出力側ミラー
１個）を用いた方式もあるが、装置全体を小形化可能で
ある第６図に示すミラーを４個用いた方式について述べ
る。

即ち、図中７．７は高反射側ミラーである。又、８．８
は出力側ミラーであり、出力光は図示しない検出器へ導
かれ、夫々ビート周波数の検出並びに光路長制御に用い
られる。そして通常、高反射側ミラー７．７は凹面状基
板上に、又、出力側ミラー８．８は平板状基板上に夫々
形成された誘電体多層膜よりなっている。

そして、リング・レーザ・ジャイロの本体１並びに高反
射側ミラー７．７、出力側ミラー８．８の基板として用
いられる低熱膨張係数のガラスは、線膨張係数がＯ〜５
ｘ１０’／ｄｅｇを有するゼロデユア（ショット社の商
品名）がしばしば用いられる。

しかるに、高反射側ミラー７．７及び出力側ミラー８．
８に用いられる誘電体多層膜は、主に夫々λｏ／４の光
学的膜厚を有する高屈折率物質（Ｈ）と低屈折率物質（
Ｌ）の交互層よりなっている。ここでλ０は所定の波長
の値である。上記誘電体多層膜の構成材料に光の吸収や
散乱が無いと仮定すれば、例えばシークフリート・シラ
ー、ウルリッヒ・ハイジッヒ共著「真空蒸着ＪＰ。

１１４、（１９７８年）、アグネ社に知られるように、
波長λ０における誘電体多層膜の透過率及び反射率は、
暦数に応じて第３図に示すように変化することが知られ
ている。

又、上述の誘電体多層膜の典型的分光特性は、第７図に
示すようなものである。即ち、波長λＧを中心にし、帯
域幅２ΔＱの高反射帯及び、その両側の透過帯より成っ
ている。

従って、誘電体多層膜ミラーに光の吸収や散乱が無けれ
ば、高反射ミラー７．７としては、層数が多ければ多い
ほど高反射率のものが得られ、出力側ミラーも透過率値
のみを考慮して所望の透過率を得るように設計すれば良
い。

しかし、実際に基板上に形成された誘電体多層膜には、
光の吸収及び散乱が存在する。特にミラーの散乱が、以
下に述べるリング・レーザ・ジャイロの性能並びに寿命
に大きな影響を与える。

リング・レーザ・ジャイロの寿命は、通常１０万時間が
要求されており、寿命劣化は出力低下により生じる。即
ち、レーザ光の出力は初期値で５０乃至６０μＷである
が、しばしば寿命試験中に劣化して１０μＷを割り、発
振停止となる。このように、従来、航空機搭載用の慣性
航法装置の長寿命化を得るために、リング・レーザ・ジ
ャイロの高信頼化、長寿命化は大きな問題であった。

（発明が解決しようとする問題点）リング・レーザ・ジャイロの発振停止には、ミラーによ
るレーザ光の散乱が大きく影響する。

ミラーの散乱の発生原因としては、基板の脈理等に起因
するバルクの材質的な問題と、誘電体多層膜の問題に大
別される。そして、誘電体多層膜に散乱が存在する場合
には、誘電体多層膜の反射率並びに透過率を最適化する
ために、又、散乱を最少にするために、成膜条件並びに
膜構成を設定しなければならない。ところが従来、ミラ
ーの散乱を最少とするための誘電体多層膜の最適膜構成
は、成されていなかった。

この発明は、上述の従来技術の問題点を解決するために
なされたもので、高反射側ミラーの反射率、出力側ミラ
ーの透過率を最適化した所で、最少の散乱値となるよう
な最適化された誘電体多層膜の膜構成を有するミラーを
設け、以て高性能、長寿命のリング・レーザ・ジャイロ
を提供することを目的とする。

［発明の構成〕（問題点を解決するための手段）この発明は、基板上に形成された高屈折率物質と低屈折
率物質の交互層を主体とする誘電体多ｗＪＩｌ！Ｉから
なる高反射側ミラーと出力側ミラーとを備えたリング・
レーザ・ジャイロにおいて、高反射側ミラーの誘電体多
層膜中の１／４波長（あるいはその奇数倍）の光学的膜
厚を有する層の数が、１５乃至１９の範囲にあるか、出
力側ミラーの誘電体多！ｍＩ！ｌ中の１／４波長（ある
いはその奇数倍）の光学的膜厚を有する層の数が、１３
乃至１６の範囲にあるリング・レーザ・ジャイロである
。

（作用）上述の範囲にある誘電体多層膜構成を有する高反射側ミ
ラーは、散乱値が低く抑えられていると共に、反射率は
層数に対し最大値を有している。

又、出力側ミラーは、散乱値が低く抑えられていると共
に最適透過率の範囲内となる。

この結果、高屈折率物質として二酸化チタン、低屈折率
物質として二酸化シリコンを用いたミラーの場合、リン
グ・レーザ・ジャイロの寿命が長寿命となり、効果が顕
著である。

（実施例）以下、図面を参照して、この発明の一実施例を詳細に説
明するが、この発明は上記目的を達成するために、ミラ
ーを改良したもので、ミラーについてのみ説明すること
にする。

即ち、この発明のリング・レーザ・ジャイロで使用する
ミラーは、第１図に示すように構成され、１１は基板で
あり、この基板１１は低熱膨張係数のガラス例えばショ
ット社のゼロデユアが使用されている。そして、高屈折
率物質１２と低屈折率物質１３の交互層を主体とするＩ
？電体多層膜１０が形成される面は、図示しないが高反
射側ミラーの場合、所定の曲率半径を持つ凹面であり、
出力側ミラーの場合は平面である。いずれも所定の表面
精度に研磨仕上げられている。

さて、上述の基板１１上に、誘電体多１１ｊ１１０を形
成する成膜方法として、第２図に示す電子ビーム蒸着法
を用いた場合を例に取り、以下に詳述する。

即ち、基板１１は、真空槽２０中のドーム２１上の２２
．２３．２４の位置に配設されている。

そして、ドーム２１は蒸着中にモニタ基板２５を中心と
して、所定の速度で公転する。膜厚制御は、蒸着中のモ
ニタ基板２５の透過率曲線の変化によりλｏ／４の極値
を捕らえて制御する、光学式膜厚制御法を用いた。

光源３１からの光は、蒸着中に受光部３２を経てペン・
レコーダに導かれ、′ｉＪ３図に示すようなモニタ基板
２５の透過率曲線を描く。尚、層数が多くなるに従い、
第３図に示すように、透過率の変化が少なくなり、膜厚
制御の精度は悪くなる。

それ故、膜厚ＩＩＪｔｌ！Ｉ精度を上げるため、交換用
として複数のモニタ基板２６．２７・・・川が具備され
ている。

さて、蒸着源３０を収容するルツボ３３は、二酸化チタ
ンと二酸化シリコンの２種類を複数個ずつ具備可能な円
盤型のものである。所定の物質を蒸着させる場合、電子
銃３４からエミッション電流が到達する位置へ回転させ
て持ってくる。電子銃３４の加速電圧は例えば１０ＫＶ
であり、エミッション電流値は例えば二酸化チタンの場
合２８０ｍＡ、二酸化シリコンの場合６０ｍＡである。

二酸化チタンの蒸着の場合、二酸化チタンが還元して黒
色に着色した膜となるのを防ぐため、酸素を例えば１ｘ
１０’Ｔｏｒｒ導入する反応性蒸着を用いる。尚、基板
温度は例えば３００℃としている。

又、ミラーを形成する場合には、第６図からも明らかな
ように、入射光は４５°で入射する。即ち、高屈折率物
質１２と低屈折率物質１３の交互層を主体とする誘誘電
体多！１ｇ１１１１０の各層は、入射角４５°で入射し
た場合の分光特性の反射帯において、はぼ中央に６３２
８人が位置するように、各層の膜厚は設計されている。

以上のようにして、高反射側ミラー７．７並びに出力側
ミラー８．８を形成するが、各ミラーの最適層数を決定
するために、平面の基板を用い、暦数を変えて反射率、
透過率、散乱値の値を測定した。

具体的なミラーの膜構成は、次の如くであり、ｎの値を
変化させて測定した。

Ｓｕｂ、　　１２Ｌ−［Ｈ−Ｌ］　ｎ　−Ｈ・２ＬＩＡ
ｉｒ・・・・・・　（Ｉ）ここでＨは高屈折率物質、Ｌは低屈折率物質であり、光
学的膜厚がλａ／４であることを示す。

そして上記高屈折率物質としては二酸化チタン、上記低
屈折率物質としては二酸化シリコンを用いる。従って、
基板側第１層目は光学的膜厚がλ口／２であることを示
す。

平面基板を用いてミラーを形成した後、ヘリウム・ネオ
ンのレーザ光を用いてパワー・メータを用い、６３２８
人における透過率並びに反射率を用いて測定した結果を
第４図に、又、散乱値の測定結果を第５図に示す。反射
率及び散乱値については、個数５個の平均値についてプ
ロットした。

尚、第４図と第５図の暦数は、上記構成（Ｉ）において
、第１層目及び最終層の２Ｌを含めた数である。従って
、例えば層数１３は構成（Ｉ）においてｎ−５であるこ
とを示し、１／４波長くあるいはその奇数倍）の光学的
膜厚を有する層の数が１１であることを示す。第４図及
び第５図に示すように、透過率は層数に応じて単調に増
加するというものではなく、層数１９において極大値を
有する。従って、高反射側ミラーとして用いる場合には
、散乱値が低く、しかも高反射率のものが望ましく、最
適層数は１７乃至２１である（層数２３の場合は、反射
率は良好なるも、散乱値が大きくなり、望ましくない）
。即ち、１／４波長くあるいはその奇数倍）の光学的膜
厚を有する層の数は１５乃至１９の範囲である。

又、出力側ミラーに関しては、透過率値の最適範囲は、
出力の設計より０．３％乃至１．２％にあることが要求
されており、その範囲で散乱値が小さいことが望ましい
。従って、最適層数の範囲は、第４図と第５図から１５
乃至１７となる。しかし、Ｌを１層増した、例えば次の
構成（ＩＩ）も、第３図より透過率値、散乱値共に満足
することになる。

Ｓｕｂ、ｌ　２Ｌ・　［Ｈ−Ｌ］’　　・２ＬＩＡｉｒ
・・・・・・（Ｉｔ）この構成（ＩＩ）において、基板から数えて最終層の２
しとその前のしは同じ物質であるから連続して蒸着する
ことになり、層数は１７であり、１／４波長（あるいは
その奇数倍）を有する層の数は１６となる。

高反射側ミラーの層数を１７、出力側ミラーの層数を１
５とし、夫々ミラーを形成して第６図に示すリング・レ
ーザ・ジャイロを製作し、発成初期試験並びに寿命試験
を行なった結果は、初期出力特性は６４μＷであり、加
速試験後（約１０万時間に相当）でも５０μＷと高信頼
性のものが得られている。

尚、この実施例では、構成（Ｉ＞及び（Ｉ［）に示すよ
うに、第１層及び最終層に２１を挿入した場合につき例
を取り詳述したが、一方の２Ｌの層を省略した構成、あ
るいは両方の２しの層を省略した構成でも、この発明は
適用出来る。

又、誘電体多層膜の形成方法は、上記実施例では電子ビ
ーム蒸着法を例に取り詳述したが、他の形成方法例えば
イオン・ブレーティング法、イオン・アシスト蒸着法、
あるいはスパッタリング法を用いた場合でも、この発明
は適用出来る。

更に、上記実施例では、第６図に示すミラーを４個用い
る場合について述べたが、ミラーを３個用いたリング・
レーザ・ジャイロにも、この発明は適用出来る。

尚、本実施例では本発明による高反射側ミラーと出力側
ミラーの両方を有するリング・レーザ・ジャイロを用い
た場合について詳述したが、本発明によるいずれか一方
のミラーを有するリング・レーザ・ジャイロにも本発明
は適用出来る。

［発明の効果］この発明によれば、高反射率で低散乱の高反射側ミラー
と低散乱で最適透過率の出力側ミラーを有するリング・
レーザ・ジャイロを提供することが出来る。

又、この発明では、発振初期試験並びに寿命試験によれ
ば、極めて高性能かつ高信頼性のものが得られた。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係るリング・し−ザ・ジ
ャイロで使用するミラーを示す断面図、第２図はミラー
を製造する場合に用いる電子ビーム蒸着装置を示す概略
構成図、第３図はミラーの波長λＤにおける暦数と反射
率、透過率の関係を示す特性曲線図、第４図はミラーに
おける誘電体多層膜の暦数と反射率、透過率の関係を示
す特性曲線図、第５図はミラーにおける誘電体多層膜の
層数と散乱値の関係を示す特性曲線図、第６図は従来及
びこの発明を説明するために用いるリング・レーザ・ジ
ャイロを示す平面図、第７図はミラーにおける誘電体多
層膜の典型的分光特性を示す特性曲線図である。７．７・・・高反射側ミラー、８．８・・・出力側ミラ
ー、１０・・・誘電体長ｗＪ膜、１１・・・基板、１２
・・・高屈折率物質、１３・・・低屈折率物質。出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第１図第２図Ａ＆第３図第４図第５図第６図ｉＬ表− 第７図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基板上に形成された高屈折率物質と低屈折率物質
の交互層を主体とする誘電体多層膜からなる高反射側ミ
ラーと出力側ミラーとを備えたリング・レーザ・ジャイ
ロにおいて、上記高反射側ミラーの誘電体多層膜中の１／４波長（あ
るいはその奇数倍）の光学的膜厚を有する層の数が、１
５乃至１９の範囲にあるか、または上記出力側ミラーの
誘電体多層膜中の１／４波長（あるいはその奇数倍）の
光学的膜厚を有する層の数が、１３乃至１６の範囲にあ
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のリング
・レーザ・ジャイロ。
（２）上記高屈折率物質が二酸化チタンであり、上記低
屈折率物質が二酸化シリコンであることを特徴とする特
許請求の範囲第１項又は第２項記載のリング・レーザ・
ジャイロ。