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