JP5103633B2 - 周回光路装置およびリングレーザジャイロ - Google Patents

Description

この発明は周回光路装置およびリングレーザジャイロに関する。

角速度センサは、カーナビゲーション、カメラの手振れ補正、ゲーム、航空機、ロケット、ロボットなど多くの分野に応用されている。角速度センサとしては、圧電力や静電力により物体を振動させ、発生するコリオリ力を検出して角速度を求める振動型のものや、サニャック効果を利用する光ファイバジャイロ、リングレーザジャイロが従来から知られている。

振動ジャイロはゼロ点オフセットが大きく絶対角度の検出には向かない。光ファイバジャイロやリングレーザジャイロは高性能であるが比較的大型で高価であるため一般民生用には向かないとされてきた。
ＭＥＭＳ技術により、リングレーザジャイロの周回光路部をシリコンの異方性エッチングを用いて形成する技術が特許文献１に開示されている。この技術では高精度な周回光路部をバッチ処理で容易に形成することができ、リングレーザジャイロを小型化・低コスト化することができる。

しかし、特許文献１記載の技術では「基板と平行な面に周回光路を形成」するため、１軸方向の角速度検出しかできない。２軸方向以上の角速度検出を行う場合、特許文献１記載の周回光路部を使用するのであれば、それぞれの軸方向の検出に用いる周回光路部を２個以上組合せる必要があり、装置が大型化し易い。また、１軸方向の角速度検出に用いる周回光路部を２つ組み合わせる場合、組み付け時に相互の直交性を確保するのが難しい。

特許第３７５１５５３号公報

この発明は、小型のリングレーザジャイロに適し、安価に実現できる新規な周回光路装置の提供を課題とする。この発明はまた、２軸方向以上の角速度検出を容易に可能にする新規な周回光路装置の提供、さらには、これら周回光路装置を用いるリングレーザジャイロの提供を課題とする。

請求項１記載の周回光路装置は、基体と、１以上の基板と、光源とを有する。
「基体」は基準平面を有する。
「１以上の基板」は、基体における基準平面に直交する方向へ、基準平面に対して平行に積層される。

基体および／または１以上の基板には３以上の反射面が形成される。
これら３以上の反射面は「基準平面に直交する所定の１平面」内に法線を有し、基準平面に平行または所定角傾斜して形成される。

「光源」は、上記所定の１平面内に光を放射するように配置され、光源から放射された光が「上記３以上の反射面により上記１平面内を順逆方向に周回してレーザ発振」する周回光路を形成する。即ち、光源と３以上の反射面とは、上記周回光路が形成されるように位置関係を設定される。

請求項２記載の周回光路装置は、請求項１記載の周回光路装置において、第２の光源を有する。そして、請求項１記載の周回光路装置において用いられる「基体および／または１以上の基板」には、第２の光源用の反射面が３面以上形成されている。第２の光源用の「３面以上の反射面」は、基準平面に直交し、請求項１における所定の１平面と交わる第２の平面内に法線を有し、上記基準平面に平行または所定角傾斜して形成される。
請求項１における「１平面」と上記「第２の平面」とは「基準平面に対して直交」し、且つ、相互に交わる。１平面と第２の平面は「互いに直交する」ように交わるのが良い。

第２の光源は、第２の平面内に光を放射するように配置され、第２の光源から放射された光が、第２の光源用の「３面以上の反射面」により「第２の平面内を順逆方向に周回してレーザ発振する第２の周回光路」を形成する。即ち、第２の光源と「第２の光源用の３以上の反射面」とは、第２の周回光路が形成されるように位置関係を設定される。

以下、請求項１において「基準平面に直交する１平面」内に形成される周回光路を「第１の周回光路」と呼ぶ。従って、請求項２記載の周回光路装置においては、第１および第２の周回光路が形成される。第１の周回光路を形成するための３以上の反射面と、第２の周回光路を形成するための３以上の反射面とは、相互に独立したものであることもできるが、第１の周回光路を形成するための３以上の反射面のうちに「第２の周回光路を形成するための３面以上の反射面と共通するもの」があってもよい。

請求項２記載の周回光路装置では、第２の周回光路を形成するために「第２の光源」が用いられる。第２の光源は「請求項１において第１の周回光路を形成する光源とは別の光源」を用いて良いことは言うまでも無いが、請求項１における「所定の１平面内に周回光路（第１の周回光路）を形成するための光源」と、第２の平面内に周回光路（第２の周回光路）を形成するための第２の光源とを「共通化された１光源」とすることができる（請求項３）。

請求項１または２または３記載の周回光路装置において、基体もしくは１以上の基板の１つに「基準平面に平行な面内において光が周回する他の周回光路」を形成するための光源と、３以上の反射面とが形成されていることができる（請求項４）。
即ち、請求項４記載の周回光路装置では、基準平面に直交する面内の１以上の周回光路と、基準平面に平行な周回光路とを形成でき、２軸方向あるいは３軸方向の角速度検出を可能とすることができる。

請求項１〜４の任意の１に記載の周回光路装置は「光源から放射される光の発散角を調整する発散角調整手段」を周回光路内に有することが好ましい（請求項５）。この場合、発散角調整手段は「基体もしくは１以上の基板に積層形成」されていることが好ましい（請求項６）。

請求項１〜６の任意の１に記載の周回光路装置における１以上の光源としては「半導体レーザ素子」を用いることができる（請求項７）。請求項１〜７の任意の１に記載の周回光路装置において、基体もしくは１以上の基板の何れかを「光源基板」として構成し、この光源基板内に面発光型の光源を配置し、光源基板における「基準平面に平行な両面」からレーザ光を放射するように構成することができる（請求項８）。このような「面発光型の光源」を用い、光源基板における「基準平面に平行な２面からレーザ光を放射するようにすると、前記発散角調整手段の積層形成が容易である。なお、光源としては、上記半導体レーザ素子以外にも固体レーザ素子などを用いることができる。

請求項１〜８の任意の１に記載の周回光路装置において、基準平面に対して傾斜した反射面を形成される基体または基板を「（１００）面を表面とするシリコン基板」とし、基準平面に対して傾斜した反射面を「（１００）面に対して異方性エッチングを施して得られる（１１１）面」により形成することができる（請求項９）。

請求項１〜９の任意の１に記載の周回光路装置において、周回光路の個々を形成する反射面の数は３以上であるが、この反射面数を３もしくは４もしくは６面とすることにより、周回光路の形状を３角形形状もしくは４角形形状もしくは６角形形状とすることができる（請求項１０）。

この発明のリングレーザジャイロは、周回光路装置と、干渉縞生成手段と、検出手段と、演算手段とを有する（請求項１１）。
「周回光路装置」としては上記請求項１〜１０の任意の１に記載のものが用いられる。

「干渉縞生成手段」は、周回光路装置における周回光路の「順逆方向に周回するレーザ光」の一部を取り出して干渉させ、干渉縞を生成させる手段である。
「検出手段」は、干渉縞生成手段により生成された干渉縞の変化を検出する。
「演算手段」は、検出された干渉縞の変化に基づき角速度を演算する。

以上に説明したように、この発明によれば新規な周回光路装置とこれを用いるリングレーザジャイロを実現できる。
この発明の周回光路装置では、周回光路が「基準平面に対して直交する平面内」に形成される。基準平面に直交する平面は、互いに法線方向の異なる２つのものが任意に設定できるので、請求項２の場合のように「周回光路面に対する法線方向が互いに異なる２つの周回光路」を任意に設定でき、２軸方向の角速度の検出が容易に可能となる。

また、請求項４の周回光路装置のように、基準平面に平行な面内の周回光路を基体もしくは基板に形成することにより、２軸方向または３軸方向の角速度の検出が可能である。

また、この発明の周回光路装置は極めて小型に実現することができる。また、周回光路装置は「基体と１以上の基板の積層構造」となっており、アライメントしやすくバッチ生産が可能で安価に実現できる。
この発明のリングレーザジャイロは、このような小型・低コストの周回光路装置を用いることにより、振動ジャイロにおいて問題となる「ゼロ点オフセット」が小さく、高性能であり慣性航法に対する適用が可能で、低コストであるから民生用機器、ロボットなどへの応用範囲を広げることができる。

図１に、周回光路装置の実施の１形態を説明図的に示す。
図１（ａ）は周回光路装置の断面図、（ｂ）は（ａ）における「ｂ−ｂ断面図」、（ｃ）は（ａ）における「ｃ−ｃ断面図」である。何れも説明図であり、断面を示すハッチ等は適宜省略している。また説明図であるので、各部のサイズの比率等も正確ではないことを付記しておく。以下の図においても同様である。図１に示す周回光路装置の「サイズ」を例示すると、図１（ａ）〜（ｃ）における「上下・左右方向のサイズ」は、数ｍｍ程度である。

図１（ａ）において、符号１０は底面基板、符号２０は第１反射面基板、符号３０はスペーサ基板、符号４０は第２反射面基板を示す。また、符号５０は光源、符号６１、６２はマイクロレンズをそれぞれ示す。
この実施の形態において底面基板１０は「基体」であり、符号１１で示す平面が「基準平面」をなす。第１反射面基板２０は「薄い平行平板状」であって、その中央部に、厚み方向を深さ方向として「正４角錐状の孔」が貫通穿設されている。図１（ａ）〜（ｃ）において、符号２１、２２、２３、２４が上記正４角錐状の孔の壁面を示す。これらの壁面のうち、図１（ａ）に示す壁面２１、２２が「反射面」として使用されているので、以下、壁面２１、２２を反射面２１、２２と呼ぶ。

スペーサ基板３０は、第１反射面基板２０と第２反射面基板４０との間を所定の間隔に設定するための基板であり、図１（ｃ）に示すように、正方形形状の穴を厚さ方向に穿設されている。この正方形形状の穴の大きさは、第１反射面基板２０に穿設された正４角錐上の穴の「底面の大きさ」よりも一回り大きい。

スペーサ基板３０の上に設けられた第２反射面基板４０は薄い平行平板状であって、図における下方の平面部分が反射面４１となっている。

光源５０は、この実施の形態において「半導体レーザ素子」であり、図１（ａ）において、図の面内で左右方向へ、基準反射面１１に平行にレーザ光を放射する。この実施の形態における半導体レーザ素子は「チップの両端面から発光」し、端面における反射がないように両端面に反射防止膜が形成されている。以下において、光源５０を「半導体レーザ素子５０」と呼ぶことがある。

マイクロレンズ６１、６２は、半導体レーザ素子５０の両側端面近傍に実装され、半導体レーザ素子から放射されるレーザ光の発散角を調整する。即ち、マイクロレンズ６１、６２は「光源５０から放射される光の発散角を調整する発散角調整手段」である。光源５０、マイクロレンズ６１、６２は、基準平面をなす底面基板１０の上面に適宜の方法で実装されている。
なお、光源５０から放射されるレーザ光は発散性で、周回光路を辿るレーザ光の光束径は位置により変化するが、図面が複雑化するので、このような光束形変化は図１に示されていない。以下の図においても同様である。
図１（ｂ）、（ｃ）において、符号ＰＬ１は「周回光路が形成される１平面」であり、図１（ｂ）、（ｃ）に示すように基準平面１１に直交する。１平面ＰＬ１は図１（ａ）において「図面に平行」であり、反射面２１、２２、４１は何れも、その法線が１平面ＰＬ１に平行であるから、１平面ＰＬ１は、これら反射面２１、２２、４１の法線を面内に含む。

１平面ＰＬ１は、半導体レーザ素子５０から放射されるレーザ光と、これらレーザ光の発散角を調整する発散角調整手段としてのマイクロレンズ６１、６２の光軸とを含んで、基準平面１１に直交する平面である。

従って、光源１からレーザ光を図１（ａ）の左右方向へ放射させると、放射されたレーザ光は、マイクロレンズ６１、６２で発散角を調整され、反射面２１、２２、４１により反射される。光源５０から反射面２１側へ放射されたレーザ光は、マクロレンズ６１で発散角を調整され、反射面２１、４１、２２で順次反射され、マイクロレンズ６２を介して光源５０へ戻る。光源５０から反射面２２側へ放射されたレーザ光は、マイクロレンズ６２で発散角を調整され、反射面２２、４１、２１で順次反射され、マイクロレンズ６１を介して光源５０へ戻る。

このようにして、光源５０から上記２つの向きに放射されたレーザ光は、順逆方向に周回してレーザ発振する周回光路ＬＣを１平面ＰＬ１内に形成する。この周回光路は、図１（ａ）に示すように３角形形状であり「準逆方向の光路は同一」である。マイクロレンズ６１、６２による発散角の調整は、周回光路を順逆方向に周回して光源５０に戻るレーザ光の波面形状を「レーザ発振の効率を良好にする面形状」となるように行われる。

即ち、図１に実施の形態を示す周回光路装置は、基準平面１１を有する基体１０と、基準平面に直交する方向へ、基準平面１１に対して平行に積層される１以上の基板２０、３０、４０と、光源５０とを有し、１以上の基板２０、４０に、３以上の反射面２１、２２、４１が、基準平面１１に直交する所定の１平面ＰＬ１内に法線を有し、基準平面１１に平行または所定角傾斜して形成され、光源５０が、所定の１平面ＰＬ１内に光を放射するように配置され、光源５０から放射された光が、３以上の反射面２１、２２、４１により１平面ＰＬ１内を順逆方向に周回してレーザ発振する周回光路ＬＣを形成するものである（請求項１）。

なお、発散角調整手段としてのマイクロレンズ６１、６２は上記の如く「周回光路を順逆方向に周回して光源に戻るレーザ光の波面形状が、レーザ発振の効率を良好にする」ように発散角の調整を行うものであり、これらを用いることにより、光源５０におけるレーザ発振の効率を高めることができるが、発散角調整手段を用いなくてもレーザ発振が可能で、周回光路を形成できることが知られている。従って、発散角調整手段はこの発明の周回光路装置にとって必須のものではない。

また、底面基板１０と第１反射面基板２０とを「単一の基板」とし、その一方の面に截頭４角錐形状の穴を形成して「基体」とする一方、スペーサ基板３０と第２反射面基板４０とを「単一の基板」とし、その一方の面に「スペーサの高さに相当する深さの穴」を形成してもよい。このように構成すれば、周回光路装置は「基体の基準表面の上に基準表面に平行に（スペーサの高さに相当する深さの穴を持つ）単一基板を積層した構成」として実現することができる。

また、スペーサ基板３０は「周回光路用の空間」を形成するためのものであるから、第１反射面基板２０に形成する正４角錐形状の孔の深さを十分の深く取ることにより、スペーサ基板を介することなく、第１反射面基板２０の上に直接、第２反射面基板４０を接合することもできる。

図１の実施の形態において、基体を構成する底面基板１０における「基準平面と逆側の面の形状」は周回光路の形成に何ら影響しないので、基準平面と逆側の部分は平面である必要はなく適宜の形状であることができる。この明細書中において「基板」というとき、基板の形状は必ずしも「平行平板状」であることを要しない。
同様に、第２反射面基板４０の「反射面４１が形成されていない側の形状」は、周回光路の形成に影響しないので、この部分は平面である必要はなく、適宜の形状であることができる。底面基板１０の「基準平面と逆の側の面」や、第２反射面基板４０の「反射面４１と逆の側の面」は、これを平面に設定し「基準平面に平行な面内において光が周回する他の周回光路」を形成するための光源と、３以上の反射面とを形成することができる。

また、図１の実施の形態の周回光路装置では、後述するように、干渉縞を発生させるために「周回光路を順逆方向に周回するレーザ光の一部」を取り出すのは、第２反射面基板４０の側で行うことができる。この場合、反射面２１、２２には金メッキなどを施してレーザ光を反射しやすくしておくのが良い。

図１に即して説明したような周回光路装置において、第１反射面基板２０に、上記の如き「正４角錐状の斜面をもつ孔」を形成するには、以下のようにすれば良い。
即ち、第１反射面基板２０として「シリコン基板」を用い、その表面（１（ａ）において、スペーサ基板３０を設けられる側の面）を「シリコン結晶における（１００）面」とし、この（１００）面に対して、異方性ウェットエッチングによるエッチングを行うと、（１１１）面が露呈して正４角錐形状の孔を容易かつ確実に形成することができる（請求項９）。このように形成された（１１１）面は「反射面」として使用されるが、この反射面が基準平面に対してなす傾斜角は正確に「±５４．７度」になる。

図１の実施の形態においては、第１反射面基板２０は上記の如くに「シリコン基板をエッチングしたもの」であり、大きな開口が形成される方の面に「周回光路の空間を形成するための穴」を貫通させたスペーサ基板３０を積層して接合し、さらにその上に、下面に反射面４１が形成された第２反射面基板４０が積層され接合されている。

なお、前述のように、底面基板１０と第１反射面基板２０とを「単一の基板」とし、その一方の面に「截頭４角錐形状の穴」を形成して「基体」としてもよいが、この場合、基体をシリコン基板として「異方性ウェットエッチングにより反射面となるべき斜面」を形成する際、光源５０やレンズ６１、６２を実装するために「孔の底面部を基準平面に平行な平滑な面」とする必要があるが、このような底面部の形成は必ずしも容易でない。

従って、図１に示すように、第１反射面部材に「截頭正４角錐」状の孔を、第１反射面部材２０を貫通するように穿設し、この部分を、平坦な平面を基準平面１１として持つ底面基板１０により塞いで、基準平面１１を孔の底面として、この底面に半導体レーザ素子５０やレンズ６１、６２を実装するのがよい。

光源としての半導体レーザ素子５０は固定台を設けてその上に実装しても良い。
第２反射面基板４０の反射面４１の位置がずれると「正確な周回光路」を形成できないので、静電アクチュエータなどを設けて「反射面４１を図１（ａ）の上下方向へ微動調整する」ようにしてもよい。

図２は、図１の実施の形態の変形例を説明図的に示している。繁雑を避けるため、混同の虞が無いと思われるものについては図１におけると同一の符号を付し、これらに関する説明は図１に関する説明を援用する。

図２の実施の形態では、第１反射面基板２０（具体的には上記シリコン基板である。）とスペーサ基板３０との間にガラス基板７０が積層され、このガラス基板７０の「基準平面に平行な片面」に、発散角調整手段であるマイクロレンズ７１、７２が形成されている。

半導体レーザ素子５０から図の左右方向へ放射されたレーザ光束は、それぞれ反射面２１、２２により反射され、マイクロレンズ７１、７２により発散角を調整され、ガラス基板７０を透過し、第２反射面基板４０の反射面４１により反射され、マイクロレンズ７１、７２を介して反射面２１、２２に反射され、光源５０へ戻り、レーザ発振する周回光路ＬＣ１を形成する。スペーサ基板３０の厚さ等は、ガラス基板７０の厚み等を考慮して、上記周回光路ＬＰ１が形成されるように調整される。

図１の実施の形態では、マイクロレンズ６１、６２の光軸が基準平面に平行であるので、一般には、これらを底面基板１０の表面に作りこむことは難しく、別体として形成したマイクロレンズ６１、６２を底面基板１０の基準平面に後付で設けることになり、精密な取り付け工程が必要となるが、図２の実施の形態では、マイクロレンズ７１、７２の光軸がガラス基板の面に直交するので、マイクロレンズ７１、７２をガラス基板７０の表面に形成することはフォトリソグラフィ技術とエッチング等を組合せることにより簡単に実現でき、周回光路装置の製造が容易である。

周回光路ＬＣ１は「基準平面に直交する１平面（図２の図面に平行な平面である。）」内に形成される。

ここで、図１に示したのと同様の周回光路装置を用いて、角速度の検出を行うリングレーザジャイロの実施の１形態を説明する。図３を参照するが、繁雑をさけるため、混同の虞が無いと思われるものについては図１におけると同一の符号を付し、これらに対する説明は図１に関する前述の説明を援用する。
図３（ａ）において、符号４０Ａで示す第２反射面基板は反射面４０Ａ１を有する。第２反射面基板４０Ａの反射面４０Ａ１でレーザ光を反射する部分は「薄肉化」されて周回するレーザ光の一部を透過させるようになっている。そしてこの薄肉部にプリズム８０が設けられている。

光源５０から図の右方へ放射され、レンズ６２を透過したレーザ光の一部は、上記薄肉部を透過してプリズム８０のプリズム面８１へ入射する。一方、光源５０から図の左方へ放射され、レンズ６１を透過したレーザ光の一部は、上記薄肉部を透過してプリズム８０のコーナー部８２へ入射し「コーナー部８２への入射光路から僅かにずれ」てプリズム８０の斜辺部に戻り、斜辺部で反射されたのちプリズム面８１へ入射する。図３（ｂ）はこの状態を拡大して説明図として示している。

このようにしてプリズム面８１へ２つのレーザ光束が入射することになるが、プリズム８０のコーナー部８２のコーナー角は「プリズム面８１に入射する２光束が、進行方向に互いに微小角をなして重り合う」ように「９０度から僅かにずらして設定」されている。

このようにして、プリズム面８１において２光束が重り合うが、これらはレーザ光でコヒーレントであるから互いに干渉して干渉縞を生じる。図３（ｃ−１）〜（ｃ−３）は、このようにして発生する干渉縞の様子を模式的に示している。
周回光路ＬＰを周回するレーザ光は、順逆方向（図３（ａ）において時計回りと反時計周り）に周回しており、光路長を共振長としてレーザ発振している。この状態で、周回光路全体が、図面に直交する軸の回りに回転すると、サニャック効果により「時計回りのレーザ発振波長と反時計回りの発振波長」にずれが生じる。このずれをビート周波数として検出することで角速度を求めることができる。

図３（ｃ−１）は、角速度：０の状態における干渉縞の状態（基準状態）であり、同図（ｃ−２）、（ｃ−３）は、周回光路ＬＣが、図３（ａ）の図面に直交する軸の回りに時計方向もしくは反時計方向の回転を生じたときの干渉縞の様子を示している。回転方向が時計方向であるか反時計方向であるかに従い、干渉縞は基準状態から右もしくは左へずれ、そのずれ量は前述の「ビート周波数」に対応し、回転の角側に比例する。

従って、干渉縞の様子をＣＣＤセンサ等による干渉縞センサ９０により検出し、検出結果に基づき所定の演算を行うことにより、角速度を算出することができる。

因みに、演算される角速度：Ωは、上記ビート周波数を「ｆ」、周回光路ＬＰが１平面内で形成する３角形の面積を「Ｓ」、周回光路の光路長を「Ｌ」、レーザ光の波長を「λ」として、周知の如く、次式で与えられる。

Ω＝L・λ・ｆ／（４・Ｓ） （Ａ）
ビート周波数：ｆは、干渉縞の変位量により求まるので、干渉縞センサ９０の出力をコンピュータ等の演算手段（図示されず）に入力して上記式（Ａ）を演算することにより角速度を算出できるのである。

（Ａ）式によれば、角速度：Ωは、周回光路の面積：Ｓに反比例的である。従って、周回光路の形状は、その面積が大きくなるような形状であることが好ましい。
請求項１０の周回光路のように、１つの周回光路を形成するための反射面の数を４あるいは６とすることにより、面積の大きい４角形形状あるいは６角形形状の周回光路を形成できる。

即ち、図３に即して説明したリングレーザジャイロは、図３（ａ）に示す周回光路装置と、この周回光路装置における周回光路ＬＣを順逆方向に周回するレーザ光の一部を取り出して干渉させ、干渉縞を生成させる干渉縞生成手段（第２反射面基板４０Ａの薄肉部とプリズム８０とにより構成される。）と、干渉縞の変化を検出する検出手段９０と、検出された干渉縞の変化に基づき角速度を演算する演算手段（図示されないコンピュータ等）を有する（請求項１０）。

上には、周回光路の例として「３角形形状の場合」を説明した。
以下には、４角形の周回光路と６角形の周回光路を形成する場合の例を説明する。
図４は、４角形の周回光路を形成する周回光路装置の実施の１形態を説明するための図である。図４（ａ）は正面側から見た断面図であり、符号１０は図１におけると同様「底面基板」を示し、その上方の面が「基準平面」をなしている。

この基準平面上に、基準平面に直交する方向へ、基準平面に平行に第１反射面基板２００、ガラス基板６００、スペーサ基板３００、第２反射面基板４００が積層されている。

第１反射面基板２００は、これを上方から見ると図４（ｄ）の如くであって、正４角錐状の孔が貫通形成され、孔の小径部に露呈する底面基板１０の表面（基準平面）に、光源として前述の半導体レーザ素子５０が配置されている。正４角錐の角錐面をなす斜面２０１、２０２、２０３、２０４は基準平面に対して「４５度の傾き角」を有して傾斜しており、この実施の形態においては、斜面２０１、２０２が「周回光路を形成する反射面」として用いられている。以下、斜面２０１、２０２を反射面２０１、２０２と呼ぶ。

図４（ａ）に示すように、光源５０から、図の左右方向へ基準平面に平行に放射されるレーザ光は、反射面２０１、２０２により反射されると進行方向を９０度偏向されて、図４（ａ）で上方へ向かう。

第２反射面基板４００は、これを下方から見ると図４（ｅ）の如くであって、正４角錐状の孔が貫通形成されている。正４角錐の角錐面をなす斜面４０１、４０２、４０３、４０４は、基準平面に対して「４５度の傾き角」を有しており、この実施の形態においては、斜面４０１、４０２が周回光路を形成する反射面として用いられている。以下、斜面４０１、４０２を反射面４０１、４０２と呼ぶ。

ガラス基板６００には、第１反射面基板２００側の面に２個のマイクロレンズ６０１、６０２が形成されており、反射面２０１、２０２に反射されて図４（ａ）において上方へ向かうレーザ光に対する「発散角調整」を行う。発散角調整されたレーザ光は、スペーサ基板３００の空洞を通過して、第２反射面基板４００の反射面４０１、４０２により反射されると基準平面に平行な光束となり、さらに反射面４０２、４０１で反射され、マイクロレンズ６０２、６０１を通り、反射面２０２、２０１で反射され光源５０に戻る。

このようにして、図４（ａ）に示す如く、４角形形状の周回光路ＬＣＳが形成される。レーザ光は周回光路ＬＣＳを順逆方法（時計方法と反時計方向）に周回し、光源５０においてレーザ発振が行われる。

図４（ｂ）は（ａ）状態を図の右方から見た状態を説明する断面図であり、図４（ｃ）は、ガラス基板６００を図４（ａ）の下方から見た状態を示している。これらの図に示すように、光源５０、マイクロレンズ６０１、６０２は何れも、基準平面に直交する１平面ＰＬ１上に位置する。従って、周回光路ＬＣＳは１平面ＰＬ１内に形成される。

第１反射面基板２００、第２反射面基板４００はシリコン基板により形成できるが、樹脂基板やガラス基板を用い、傾斜角：４５度を持つ正４角錐状の孔をモールド整形により形成するようにしてもよい。

これら第１、第２反射面基板の反射面は「金メッキなどを施してレーザ光を反射しやすくする」のが良い。図４の実施の形態では、発散角調整手段としてのマイクロレンズ６０１、６０２は光源側からのレーザ光を略平行光束とし、周回光路を周回して光源に戻るレーザ光が、半導体レーザ素子の「射出した面とは反対側の端面」でもっとも集光された状態で半導体レーザ内部に戻るようにしている。

このような周回光路装置を用いてリングレーザジャイロを構成する場合は、例えば、第２反射面部材４００の反射面４０２の部分を薄肉化して、図３に即して説明したようなプリズム８０、干渉縞センサ９０や図示されない演算手段を用いて、前述の図３の場合と同様にして角速度の検出を行うことができる。

図５に、６角形形状の周回光路を形成する場合の実施の１形態を示す。
図５（ａ）は正面から見た説明図的な断面図である。同図に示すように、この周回光路装置は、底面基板１０の上に、基準平面１１（底面基板１０の上方の面）に直交する方向へ、基準平面１１に平行に、第１反射面基板２０、ガラス基板７００、光源基板８００、ガラス基板７００Ａ、第２反射面基板２０Ａ、上面基板１０Ａが積層された構成となっている。

第１反射面基板２０と第２反射面基板２０Ａとは同一構成のもので、例えば、図１に用いた第１反射面基板２０と同じく、表面を（１００）面とするシリコン基板に異方性ウェットエッチングで、基準平面に対する傾斜角が±５４．７度の傾斜面（（１１１）面）を持つ正４角錐状の孔を貫通させて穿設されている。

第１反射面基板２０と第２反射面基板２０Ａとに穿設された「正４角錐状の孔」の小径部には、底面基板１０の上面（基準平面１１）、上面基板１０Ａの下面１１Ａが露呈している。この実施の形態においては、底面基板１０の上面１１、上面基板１０Ａの下面１１Ａも「反射面」として使用される。

光源基板８００は、基板内に面発光型のレーザ光源素子８０１を配置され、光源基板８００における「基準平面に平行な２面」からレーザ光を放射するようになっている。レーザ光源素子８０１は、一般的な面発光レーザとは異なり、光源自体に共振長を規定するための反射ミラーを有していないものとすることで、周回光路長に依存した共振波長が得られるように構成されている。

ガラス基板７００、７００Ａには、図の如くマイクロレンズ７０１、７０１Ａが、光軸を共通にし、且つ、レーザ光源素子８０１が光軸上に位置するように形成されている。

レーザ光源素子８０１から図５（ａ）の下方へ放射されるレーザ光についてみると、このレーザ光は、ガラス基板７００を透過し、マイクロレンズ７０１により発散角」核を調整されて略平行な光束となり、第１反射面基板２０の反射面２１で反射されたのち、底面基板１０の上面１１（反射面として形成されている。）で反射されて反射面２２に入射し、反射されると図５（ａ）で上方へ向かう光束となり、ガラス基板７００、光源基板８００、ガラス基板７００Ａを順次透過して、第２反射面基板２０Ａの反射面２２Ａ、上面基板１０Ａの下面１１Ａ（反射面として形成されている。）で順次反射され、さらに第２反射面基板２０Ａの反射面２１Ａで反射されて図５（ａ）で下方へ向かう光束となり、マイクロレンズ７０１Ａ、ガラス基板７００Ａ、光源基板８００を透過してレーザ光源素子８０１に戻る。

このようにして「６角形形状」の周回光路ＬＣＨが形成される。即ち、レーザ光源素子８０１から図５（ａ）で下方へ放射されたレーザ光は、周回光路ＬＣＨを反時計周りに周回し、レーザ光源素子８０１からず５（ａ）の上方へ向かって放射されるレーザ光は、周回光路ＬＣＨを上記とは逆に時計回りに周回する。この実施の形態においても、レーザ光を反射させる各反射面には「金メッキなどを施してレーザ光を反射し易く」しておくのがよい。

図５（ｂ）は、第１反射面基板２０と底面基板１０の基準平面１１と、マイクロレンズ７０１の位置関係を図５（ａ）の上方から見た状態を示している。この関係は、第２反射面基板２０Ａと上面基板１０Ａと、マイクロレンズ７０１Ａの位置関係と同様である。
レーザ光源素子８０１はマイクロレンズ７０１、７０１Ａの光軸上にあるから、周回光路ＬＣＨは、基準平面に直交する１平面ＰＬ１内に形成される。

レーザ光が周回する正確な周回光路を形成できるように、反射面１０１および反射面１０１Ａは、基準平面と直交する方向に微動できるような構成にしても良い。

図５の周回光路装置を用いてリングレーザジャイロを構成する場合には、例えば、上面基板１０Ａのレーザ光を反射する部分（反射面１１Ａの部分）を薄肉化して、図３に即して説明したようなプリズム８０、干渉縞センサ９０や図示されない演算手段を用いて、前述の図３の場合と同様にして角速度の検出を行うことができる。

マイクロレンズを用いて発散角調整を行う場合、図２の例のような三角形形状の周回光路ＬＣ１ではマイクロレンズ７１、７２の光軸に対してレーザ光が傾いてしまうが、図４の４角形形状の周回光路や、図５の６角形形状の周回光路では「周回光路の一部をマイクロレンズの光軸に一致させる」ことができ、良好な特性を得ることができる。

上には「単一の周回光路」を形成する例に付いて説明した。以下に、上記単一の周回光路を第１の周回光路とし、さらに第２の周回光路を形成する場合の例を、周回光路の形状が３角形形状である場合、４角形形状である場合および６角形形状である場合について説明する。

図６は、図１に即して説明した実施の形態を基本形態とし、この基本形態における周回光路を第１の周回光路ＬＣ１として、さらに第２の周回光路ＬＣ２を形成する実施の形態を示している。図６の実施形態は図１の実施形態を基本とするものであるので、図１の構成に対して付加する部分や変更する部分を除いては、図１におけると同一の符号を付している。

図６（ａ）、（ｂ）は、２つの別個の光源５０、５１（半導体レーザ素子）を用いて２つの周回光路ＬＣ１、ＬＣ２を形成する場合の例である（請求項２）。
半導体レーザ素子５０は、図６（ａ）に示すように図の左右方向へ基準平面１１（底面基板１０の上面）に平行にレーザ光を放射し、半導体レーザ素子５１は、同図上下方向へ基準平面に平行にレーザ光を放射する。図６（ａ）、（ｂ）に示すように、半導体レーザ素子５０から放射されるレーザ光の光路は、基準平面に直交する１平面ＰＬ１内に３角形形状の周回光路ＬＣ１を形成し、半導体レーザ素子５１から放射されるレーザ光の光路は、基準平面に直交する第２の平面ＰＬ２内に、３角形形状の周回光路ＬＣ２を形成する。平面ＰＬ１とＰＬ２は何れも基準平面に直交し、かつ相互に直交する。

即ち、半導体レーザ素子５０から放射されるレーザ光に対しては、反射面２１、２２、４１が「レーザ光を反射して周回させる３面の反射面」を構成し、半導体レーザ素子５１から放射されるレーザ光に対しては、反射面２３、２４、４１が「レーザ光を反射して周回させる３面の反射面」を構成している。即ち、第２反射面基板４０の反射面４１は、２つの周回光路ＬＣ１、ＬＣ２を形成する２組の「３面の反射面」において共通に用いられている。

２つの周回光路ＬＣ１、ＬＣ２に用いられる２つの半導体レーザ素子５０、５１の機械的な干渉を避けるため、２つの半導体レーザ素子５０、５１を「反射面２１〜２４により形成される正４角錐形状」の中心軸位置から「わずかにオフセット」させて配置している。

図６（ｃ）、（ｄ）は、図１の周回光路装置を若干変更して「所定の１平面ＰＬ１内に周回光路を形成するための光源と、第２の平面ＰＬ２内に周回光路を形成するための第２の光源を共通化して１光源５２とした」例である（請求項３）。

この例では、図６（ｃ）、（ｄ）に示すように、光源５１（レーザ発光素子）は、最上部に配置される光源基板４０Ａ内に配置され、第１反射面基板２０に穿設された正４角錐形状の軸上に位置している。
光源基板４０Ａの光源５２からの「光の射出部」には膜（図示されず）が形成されており、この膜を適切に設計することで「光の射出角度」をある程度制御することができる。この実施の形態では、上記光の射出角度を、図６（ｃ）の上下方向、左右方向について、互いに対向する反射面２１、２２および反射面２３、２４に「対称的に入射しうる角度」に拡張し、それぞれの反射面を共振面として発振させることができる。光源５２は光源基板内に形成できるので、図６（ａ）、（ｂ）の例のように２つの光源５０、５１を底面基板１０に実装する手間が省ける。このようにして、基準平面に直交すると共に、互いに直交する第１及び第２の平面ＰＬ１、ＰＬ２内に周回光路ＬＣ１０、ＬＣ２０を形成することができ、これら第１・第２の周回光路ＬＣ１０、ＬＣ２０内でレーザ光が順逆方向に周回する。

図６においては、発散角調整手段としてのマイクロレンズは図示を省略されているが、実際には、周回光路ごとに２個のマイクロレンズが適宜の方法で設けられる。

図６に示すような２つの周回光路を用いることにより「直交２軸方向の角速度を検出できるリングレーザジャイロ」を構成することができる。

図６（ａ）、（ｂ）に示す場合において、リングレーザジャイロを構成する場合は、第２反射面基板４０を図３の場合のように薄肉化し、各周回光路を周回する順逆方向のレーザ光の一部を取り出して干渉させ、干渉縞を検出するようにすれば良い。

この場合、プリズム８０と同様のものを２個用い、プリズムごとに干渉縞センサを設ける必要がある。２個のプリズムは「その厚みが、レーザ光の光束幅より若干大き」ければよいので、プリズムの厚さは極めて薄くてよく、従って、２個のプリズムや干渉縞センサを、第２反射面基板の薄肉化した部分に、互いに機械的に干渉しないように配置することができる。

図７は、４角形形状の２つの周回光路を形成する場合の実施の形態を示している。
図７の実施の形態は、図４の実施の形態を基本形態とするものであるから、この基本形態におけると同様の部分については、図４におけると同一の符号を用いる。
図７（ａ）、（ｂ）は、２つの別個の光源として半導体レーザ素子５０、５１を用いて２つの周回光路ＬＣＳ１、ＬＣＳ２を形成する場合の例である（請求項２）。
図７（ａ）に示すように、半導体レーザ素子５０は、同図左右方向へ基準平面１１（底面基板１０の上面）に平行にレーザ光を放射し、半導体レーザ素子５１は、同図上下方向へ基準平面に平行にレーザ光を放射する。図７（ａ）、（ｂ）に示すように、半導体レーザ素子５０から放射されるレーザ光の光路は、基準平面１１に直交する１平面ＰＬ１内に４角形形状の周回光路ＬＣＳ１を形成し、光源５１から放射されるレーザ光の光路は、基準平面１１に直交する第２の平面ＰＬ２内に４角形形状の周回光路ＬＣＳ２を形成する。平面ＰＬ１とＰＬ２は何れも基準平面１１に直交し、かつ相互に直交する。

即ち、半導体レーザ素子５０から放射されるレーザ光に対しては、反射面２０１、２０２、４０１、４０２が「レーザ光を反射して周回させる４面の反射面」を構成し、半導体レーザ素子５１から放射されるレーザ光に対しては、反射面２０３、２０４、４０３（図示されていないが、図４（ｅ）と同じである。）「４０４がレーザ光を反射して周回させる４面の反射面」を構成している。

２つの周回光路ＬＣＳ１、ＬＣＳ２に用いられる２つの光源である半導体レーザ素子５０、５１の機械的な干渉を避けるために、これらを反射面２０１〜２０４により形成される正４角錐形状の中心軸位置から「僅かにオフセット」させて配置している。

なお、図６（ａ）、（ｂ）において、符号ＳＰで示す部分は図４におけるスペーサ基板３００、ガラス基板６００やマイクロレンズを省略して示す部分である。図示を省略されているガラス基板には、周回光路ごとに２個のマイクロレンズが正方形の頂点位置を示すような位置関係で、配置されることは言うまでもない。

図７（ｃ）、（ｄ）は、面発光型のレーザ光源である光源５０Ａ、５０Ｂを光源基板に設け、光源５０Ａ、５１Ａからのレーザ光が光源基板両面から基板面に直交するように放射されるようにした例である。光源５０Ａ、５１Ａは共に「光源基板の同一面内に離れて配置」される。この例において図７（ｄ）の「符号ＳＰで示す部分」の構成は、図５における「ガラス基板７００、７００Ａおよび光源基板８００の部分」と同様の構成になる。勿論、光源基板には２個の光源５０Ａ、５１Ａが配置されるので、各ガラス基板には、それぞれの光源からのレーザ光の発散角を調整する２個のマイクロレンズ（図示されず）が形成されることになる。

このようにして基準平面に対して直交し、互いにも直交する第１の平面ＰＬ１、第２の平面ＰＬ２内にそれぞれ、周回光路ＬＣＳ１０、ＬＣＳ２０を形成することができる。

図７に示すような互いに直交する２つの周回光路を形成してリングレーザジャイロを構成することにより直交２軸方向の角速度を検出できるようになる。

図８は、６角形形状の２つの周回光路を形成する場合の実施の形態を示している。
図８の実施の形態は、図５の実施の形態を基本形態とするものであるから、この基本形態におけると同様の部分については、図５におけると同一の符号を用いる。
図８の実施の形態では、面発光型のレーザ光源である２つの光源８０１、８０２を用いて、２つの６角形形状の周回光路ＬＣＨ１、ＬＣＨ２を形成する例である。図８（ｂ）において、符号ＳＰで示す部分は、構造的には、図５における「ガラス基板７００、７００Ａ、光源基板８００の部分」と同様の構成となる。これを簡略化して符号ＳＰで示している。

図８（ａ）は、光源８０１、８０２と第１反射面基板２０との位置関係を説明図的に示している。図８（ｂ）に示すように、光源８０１、８０２は、共に同一の光源基板の同一面内に離れて配置される。光源基板は「ＶＣＳＥＬのような面発光レーザ」で共振膜がないような構成になっている。このように、光源基板には２個の光源８０１、８０２が配置されるので、光源基板を挟持する各ガラス基板には、それぞれの光源８０１、８０２からのレーザ光の発散角を調整する２個のマイクロレンズ（図示されず）が形成されることになる。光源８０１、８０２は、これらのマイクロレンズの光軸上に位置させられる。
このような構成で２つの６角形形状の周回光路ＬＣＨ１、ＬＣＨ２が、基準面に直交し、且つ、互いに直交する２つの平面ＰＬ１、ＰＬ２内に形成される。

図８（ｂ）に示すように、光源８０１から放射されるレーザ光に対しては、反射面２１、２２、２１Ａ、２２Ａ、１１および１１Ａが「レーザ光を反射して周回させる６面の反射面」を構成し、光源８０２から放射されるレーザ光に対しては、反射面２３（図示されていないが図５（ｂ）と同じである。）、２４、２４Ａ、２３Ａ（図示されていないが図５（ｂ）における反射面２３と対を成す第２反射面基板の反射面である。）、１１および１１Ａが「レーザ光を反射して周回させる６面の反射面」を構成する。

従って、反射面１１、１１Ａは、２つの周回光路ＬＣＨ１、ＬＣＨ２について共通である。
図８に示すような互いに直交する２つの周回光路を形成してリングレーザジャイロを構成することにより直交２軸方向の角速度を検出できるようになる。

ところで、特許文献１は「基板に平行な面内に周回光路を形成し、サニャック効果を利用して１軸方向の角速度検出を行う発明」を開示している。
図９を参照してこの角速度検出を説明すると、基板９０Ａの平坦な基板面上に形成された半導体レーザ素子９７（反射膜コーティングをしていない。）から放射されるレーザ光を、同じく基板９０Ａの平坦な基板面上に形成されたミラー９１〜９４による共振回路でレーザ発振させることにより、基板９０Ａの平坦な基板面に平行な面内で周回する周回光路を形成する。

半導体レーザ素子９７を含む光路（ミラー９１〜９４による周回光路）は共振回路形成専用に用い、サニャック効果によって発生する順逆方向に周回する光の干渉縞は、ミラー９５、９６により形成される外部の干渉縞観測部において観測される。
このような周回光路により基板９０Ａの基板面に直交する軸の回りの「回転の角速度」を検出できる。

この発明の周回光路装置は、上記の如く、基準平面を有する基体上に１以上の基板を積層した基本構造となっており、上に説明した各実施の形態では、積層された基体・基板の積層方向の両端の面は、互いに平行な面となっており、これらの面は周回光路ＬＣ１、ＬＣ２等が形成される平面ＰＬ１、ＰＬ２とは直交している。

従って、積層された基体・基板の「積層方向の両端の面」の何れかを、基準平面に平行な面となし、この面に「図９に示すような周回光路による角速度検出部」を形成すれば、平面ＰＬ１やＰＬ２に形成される周回光路と合わせて、直交３軸方向の角速度を検出することができる。このようにして、請求項４記載の周回光路装置およびこれを用いるリングレーザジャイロ（請求項１０）を実現できる。

上に図１〜図８に即して説明した周回光路装置は、基体と１以上の基板の積層により構成され、基板や積層される基板の個々に機能（反射面機能やスペーサ機能・発散角調整機能・光源機能等）が割り振られている。そして、周回光路装置はサイズとしては縦・横・高さとも数ｍｍの小さいものであるから、これを１個ずつ個別に作製するのではなく、直径：数１０センチの基板を積層数に必要なだけ用意し、各基板に「割り振られた機能に応じた形状等」を多数、２次元的に配列して製造し、各基板を積層することにより、図１０に示すような「多数の周回光路１０００の２次元的に配列」したものを製作し、その後、各周回光路１０００を個別に切り離すことにより、一度に多量の周回光路装置を製造することが容易に可能である。

周回光路装置の実施の１形態を説明するための図である。 図１の周回光路装置の変形例を説明するための図である。 リングレーザジャイロの実施の１形態を説明するための図である。 周回光路装置の実施の別形態を説明するための図である。 周回光路装置の実施の他の形態を説明するための図である。 周回光路装置の実施の１形態を説明するための図である。 周回光路装置の実施の別形態を説明するための図である。 周回光路装置の実施の他の形態を説明するための図である。 請求項４記載の周回光路装置の特徴部分を説明するための図である。 周回光路装置の多数生産を説明するための図である。

符号の説明

１０ 基体
２０ 第１反射面基板
３０ スペーサ基板
４０ 第２反射面基板
５０ 光源
６１、６２ マイクロレンズ（発散角調整手段）
ＬＣ 周回光路
２１、２２、４１ 周回光路を形成するための反射面
ＰＬ１ 基準平面に直交し、周回光路が形成される仮想的な１平面

Claims (11)

1. 基準平面を有する基体と、
   上記基準平面に直交する方向へ、上記基準平面に対して平行に積層される１以上の基板と、
   光源とを有し、
   上記基体および／または上記１以上の基板に、３以上の反射面が、上記基準平面に直交する所定の１平面内に法線を有し、上記基準平面に平行または所定角傾斜して形成され、
   上記光源が、上記所定の１平面内に光を放射するように配置され、
   上記光源から放射された光が、上記３以上の反射面により上記１平面内を順逆方向に周回してレーザ発振する周回光路を形成することを特徴とする周回光路装置。
2. 請求項１記載の周回光路装置において、
   第２の光源を有し、
   上記基体および／または１以上の基板に、上記第２の光源用の反射面が３面以上、上記基準平面に直交し、所定の１平面と交わる第２の平面内に法線を有し、上記基準平面に平行または所定角傾斜して形成され、
   上記第２の光源が、上記第２の平面内に光を放射するように配置され、
   上記第２の光源から放射された光が、上記第２の光源用の３面以上の反射面により上記第２の平面内を順逆方向に周回してレーザ発振する第２の周回光路を形成することを特徴とする周回光路装置。
3. 請求項２記載の周回光路装置において、
   所定の１平面内に周回光路を形成するための光源と、第２の平面内に周回光路を形成するための第２の光源が共通化された１光源であることを特徴とする周回光路装置。
4. 請求項１または２または３記載の周回光路装置において、
   基体もしくは１以上の基板の１つに、基準平面に平行な面内において光が順逆方向に周回する他の周回光路を形成するための光源と、３以上の反射面とが形成されていることを特徴とする周回光路装置。
5. 請求項１〜４の任意の１に記載の周回光路装置において、
   光源から放射される光の発散角を調整する発散角調整手段を周回光路内に有することを特徴とする周回光路装置。
6. 請求項５記載の周回光路装置において、
   発散角調整手段が、基体もしくは１以上の基板に積層形成されていることを特徴とする周回光路装置。
7. 請求項１〜６の任意の１に記載の周回光路装置において、
   １以上の光源が半導体レーザ素子であることを特徴とする周回光路装置。
8. 請求項１〜７の任意の１に記載の周回光路装置において、
   基体もしくは１以上の基板の何れかが光源基板として構成され、光源が、上記光源基板内に配置されて、光源基板における基準平面に平行な両面からレーザ光を放射する面発光型の光源であることを特徴とする周回光路装置。
9. 請求項１〜８の任意の１に記載の周回光路装置において、
   基準平面に対して傾斜した反射面を形成される基体または基板が、（１００）面を表面とするシリコン基板であり、上記基準平面に対して傾斜した反射面が、上記表面に対して異方性エッチングを施して得られる（１１１）面により形成されることを特徴とする周回光路装置。
10. 請求項１〜９の任意の１に記載の周回光路装置において、
    周回光路の個々を形成する反射面の数が、３もしくは４もしくは６面であり、周回光路の形状が３角形もしくは４角形もしくは６角形であることを特徴とする周回光路装置。
11. 請求項１〜１０の任意の１に記載の周回光路装置と、
    周回光路装置における周回光路を順逆方向に周回するレーザ光の一部を取り出して干渉させ、干渉縞を生成させる干渉縞生成手段と、
    上記干渉縞の変化を検出する検出手段と、
    検出された干渉縞の変化に基づき角速度を演算する演算手段を有することを特徴とするリングレーザジャイロ。

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