JPH08505228A - 静電光路長制御用変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本光路長制御変換器アセンブリは、変換器を移動させる静電ドライバを利用している。ドライバに第１の導電プレートを配置し、変換器の可動要素に第２の導電プレートを配置し、それらの導電プレート間に電気的信号を加え、変換器の可動要素を移動させることができる力を発生させる、この変換器の可動要素に光学的要素すなわちミラーを配置してリングレーザージャイロの光路長の制御を行う。

Description

【発明の詳細な説明】 静電光路長制御用変換器 発明の背景 本発明は静電制御素子に関する。さらに特定すれば、本発明は、リングレーザ ージャイロの光路長を制御するミラー変換器に関する。 リングレーザージャイロスコープは光路長制御の何らかの手段を必要とする。 当該技術では良く知られているように、光路長制御はレーザー空洞の中を伝搬し て行く高強度共振信号を維持するために使用される。利得曲線の頂点にレーザー の共振を維持することにより、リングレーザージャイロスコープの性能は著しく 向上する。 光路長制御は複数の変換器アセンブリによって実行されていた。典型的には、 １つ又は複数の圧電素子によってそれらの変換器アセンブリを駆動する。リング レーザージャイロで使用されている場合のそのような圧電変換器アセンブリの例 は、Ｐｏｄｇｏｒｓｋｉへ発行された米国特許第３，５８１，２２７号、Ｔｏｔ ｈへ発行された米国特許第４，９１５，４９２号及びＡｌｂｅｒｓ他へ発行され た米国特許第５，１４８，０７６号の中に見られるが、それらの特許は全て本発 明の譲受人に譲渡されている。 リングレーザージャイロスコープでは、多角形閉ループ光路の中でガス放電レ ーザーを発生させ、この閉ループ光路の中に２つの互いに逆方向に伝搬して行く 光ビームを存在させることになる。ジャイロの性能を向上させるためには、この 閉ループ光路の中の光信号を最大の強さで共振させることができるように閉ルー プ光路の光路長を調整する必要がある。第２に、光路長の望ましくない変化を考 慮に入れて光路長を調整することが必要である。望ましくない光路長変化の原因 の１つは、温度変化に起因する膨張又は収縮である。 レーザー光路長のこのような調整に対応するために、多種多様な装置が開発さ れている。Ｐｏｄｇｏｒｓｋｉへ発行された米国特許第３，５８１，２２７号の 中に示されているように、変換器素子を使用して、レーザージャイロ空洞の内部 におけるミラーの位置を調整することができる。図１に示し且つＰｏｄｇｏｒｓ ｋｉの特許で説明している通り、円柱形の中心柱５と、中心柱５から半径方向外 側へ広がっている一体ダイアフラム６と、同様にダイアフラム６と一体である環 状外側部材４とを有する熱に対し安定した変換器ブロックによって、光路長制御 を実現できる。ミラー７は中心柱５の一端部に取付けられている。変換器はリン グレーザージャイロブロック４０に気密状態で装着されている。中心柱５のすぐ 背後には、柱と軸方向に整列して圧電セラミック素子１を積重ねたものが配置さ れている。圧電セラミック素子１はミラー７を駆動又は移動させて、その位置を 調整させるために使用される。積重なった圧電セラミック素子１の背後には剛性 の裏当て材２が取付けられている。この裏当て材２は、圧電素子が膨張したとき に支える働きをし、それにより、素子の力の全てを変換器としての中心柱５に向 けなければならない。必要な支えを得るためには、この裏当て材２は相当に堅固 なエポキシ接合と、相当に剛性の素子を必要とする。 先に述べた変換器の全ては’２２７号特許に示されている原理を利用し、それ に基づいて膨張する。特に苦労した点の１つは、中心柱が２枚の薄膜ダイアフラ ム素子によって環状外側部材に結合されているような複式ダイアフラム変換器素 子の製造である。さらに、ダイアフラム素子は円柱形の中心柱素子と一体であり 、そこから半径方向外側へ広がっている。Ｐｏｄｇｏｒｓｋｉの変換器の場合と 同様に、それらの二重ダイアフラム変換器素子は圧電素子を利用して、円柱形の 中心柱を移動させるために必要な力を発生させる。 リングレーザージャイロスコープは広い温度範囲にわたって動作することを要 求される。この温度条件があるために、熱膨張と収縮は先に述べたレーザー光路 長の変化を含めて、数多くの問題を引起こすおそれがある。光路長制御変換器（ ＰＬＣ変換器）の目的の１つは、それらの膨張や収縮に対してレーザー光路長を 調整することである。 従来の技術の変換器の動きの範囲は限定されている。従って、変換器をその動 作範囲内に維持するためには複雑なモードリセット回路が必要である。モードリ セットは、変換器ミラーを１つの共振ピークから別の共振ピークへ移動させるこ とを含む。それらのモードリセットはジャイロの性能に悪影響を及ぼすので、モ ードリセットの回数を減らすことが望まれる。熱膨張はモードリセットの原因の １つであり、従って、熱膨張をできる限り制御することにより、モードリセット の回数を減らすことが望まれる。 変換器素子の熱膨張を制御するために、数多くの方法が試みられている。その ような方法の１例は、変換器ミラーを移動させる手段を構成するための電極と圧 電セラミック双方の使用を開示したＡｌｂｅｒｓ他の特許である。ところが、圧 電セラミックの熱膨張特性を制御することは依然として困難である。 発明の概要 本発明の目的は、光路制御変換器と関連する熱の問題を相当に軽減し、リング レーザージャイロスコープで使用するための光路長制御変換器を提供することで ある。本発明の変換器は熱に関してより安定しているので、リングレーザージャ イロ内部におけるモードリセットの頻度が減少する。 本発明の別の目的は、駆動素子として圧電セラミックを利用しない光路長制御 変換器を提供することである。圧電素子を取除くことは変換器の熱特性を制御す るのに有益である。 最後に、本発明の別の目的は、部品の数が少なく、非常に単純な構成である変 換器を提供することである。変換器の複雑さを軽減することによって、熱の影響 に関連する問題の多くは排除される。 本発明のＰＬＣ変換器は、単一のＲＬＧミラーの調整と再位置決めを静電駆動 を使用して実行する。変換器は、光路長制御装置を構成するために、駆動部分と 、変換器部分とを有する。変換器は第１の端部と、第２の端部とを有するほぼ円 筒形の内部柱を有する。中心柱の第１の端部には、リングレーザー空洞の中で光 ビームを反射させるために使用するミラーが装着されている。第１のダイアフラ ム及び第２のダイアフラムは中心柱と一体であり、中心柱から半径方向外側へ広 がっている。第１のダイアフラムと第２のダイアフラムは、変換器ブロックの一 部を切欠くことによって製造された複数の材料の薄い層から構成されている。第 １のダイアフラム及び第２のダイアフラムの外側部分には、環状部材が装着され ている。環状部材はほぼ円筒形の内面と、ほぼ円筒形の外面とを有する。その内 面は第１のダイアフラム及び第２のダイアフラムと一体であり且つそれらに結合 している。環状部材はリングレーザージャイロブロックに結合するための取付け 面を有する。この環状取付け面は中心柱の第１の端部と平行であり且つそれと同 じ 端部に位置している。中心柱の第２の端部には、ミラーに対向して、電気導体が 装着されている。この電気導体は、環状部材の周囲まで外方へ延びている導通経 路を有する。環状部材の第２の端部には、変換器の中心柱の運動を発生させるド ライバが装着されている。ドライバは第１の平坦な面と、第２の平坦な面とを有 するほぼ円筒形のプレートであり、第１の平坦な面には空隙がある。本発明の一 実施例では、ドライバ手段における空隙は球形の孔又は球形の空隙である。ドラ イバには、ドライバ空隙の中に、第２の電気導体が装着されている。この第２の 電気導体は第１の電気導体に面し且つそれとほぼ平行になるように整列されてい る。さらに、電気導通経路は第２の電気導体からドライバの周囲へ延び出してい る。 本発明のＰＬＣ変換器を動作させるために、第１の電気接点と第２の電気接点 との間に電気信号を印加する。その電気信号は第１の電気導体と第２の電気導体 を異なる電位に維持させる。この電位差は第１の電気導体と第２の電気導体との 間に引力を発生させることにより、それらの間に力を発生させる。この力は中心 柱を移動させて、変換器ミラーを移動させる。 電気接点及びミラーを除いて、本発明の全ての部品を単一の材料から製造でき る。すなわち、材料をレーザーブロックそれ自体の熱特性と一致するように選択 することができる。そのような材料を一致させることによって、光路長制御変換 器の熱特性はレーザーブロックの熱特性にごく近くなるので、熱膨張と収縮の影 響を軽減することができる。 図面の簡単な説明 本発明のその他の目的及び利点は、図面と関連させて以下の本発明の詳細な説 明を読むことにより理解できる。図面中： 図１は、圧電セラミック素子を使用する従来の技術のＰＬＣ変換器を示す。 図２は、本発明の原理を使用するＰＬＣ変換器の詳細な図である。 図３は、同様に本発明の原理を利用する別の実施例の変換器である。 発明の詳細な説明 そこで図２を参照すると、本発明の原理に従って動作する光路長制御変換器ア センブリ３０が示されている。変換器アセンブリ３０は角部の１つでレーザージ ャイロブロック２０に装着されている。当該技術では良く知られているように、 レーザージャイロブロック２０は、２つの光信号を閉ループ経路の中で互いに逆 方向に伝搬させるガス放電レーザーを内在させている。光路長制御変換器アセン ブリ３０はレーザー空洞７２の中における角部ミラー７０の位置を調整し、それ により、レーザー空洞７２自体の寸法を変化させるために使用される。レーザー 空洞７２の光路長の調整を実行する目的は２つである。第１の目的は、熱膨張に 起因する素子の変化を考慮に入れるために光路長を調整することである。第２に 、最大の光強さを維持するためにはレーザー空洞の光路長の調整が必要である。 レーザー空洞７２の中における光路長は光信号を最適の周波数で確実に共振させ 、それにより、高い強さの出力信号をセンサに供給するために調整される。 ＰＬＣ変換器アセンブリ３０はドライバ３２と、変換器３４とから構成されて いる。ドライバ３２は第１の平坦な面３６と、第２の平坦な面３８とを有する円 筒形の部材である。第１の平坦な面３６と第２の平坦な面３８は互いに平行で、 反対の側にある。ドライバ３２は、第２の平坦な面３８から内側に広がる空隙４ ０をさらに含む。好ましい実施例では、空隙４０はドライバ３２の中に切欠かれ た球形の孔である。先に述べた通り、ドライバ３２はほぼ円柱形の素子であって 、中心基準軸４２を有する。ドライバアセンブリ３２は基準軸４２に関して対称 形である。 ドライバ３２の第２の平坦な面３８には変換器３４が装着されている。変換器 ３４は第１の端部４６と、第２の端部４８とを有する中心柱４４を有する。基準 軸４２は柱の第１の端部４６及び柱の第２の端部４８と交差し、同様に中心柱４ ４と整列されている。変換器３４は環状の外側部材５０をさらに有する。環状の 外側部材５０は、円筒軸が基準軸４２と整列されているほぼ円筒形の環状構成を もつ。中心柱４４と環状の外側部材５０との間に第１のダイアフラム５２及び第 ２のダイアフラム５６が配置されている。第１のダイアフラム５２と第２のダイ アフラム５６は中心柱４４及び環状の外側部材５０の双方と一体である。環状の 外側部材５０は一端でドライバ３２に、別の端部でレーザーブロック２０に装着 されている。 中心柱４４の第１の端部４６には、第１の電気的に導通する金属膜、すなわち 、 柱側導電膜６０が装着されている。柱側導電膜６０は、柱の第１の端部４６の面 に装着された小さな金属材料から成る部分である。電気導体６０からは、導電膜 ６０を電位源に接続させる導体経路６６が延びている。 ドライバ３２を変換器３４に装着したとき、ドライバの空隙４０は変換器３４ とドライバ３２との間に間隙を形成する。空隙４０の中の、内面６２には、第２ の電気的に導通する金属膜、すなわち、ドライバ側導電膜６４がある。ドライバ 側導電膜６４は、面６２に装着された金属材料から成る部分である。ドライバ側 導電膜６４と柱側導電膜６０は、共に、基準軸４２と交差するように配置されて いる。また、ドライバ側導電膜６４に電気信号を印加できるように第２の導体経 路６８は変換器アセンブリ３０の周囲へ引出されている。導体経路６６と第２の 導体経路６８との間に電位源を接続することにより、柱側導電膜６０とドライバ 側導電膜６４との間に電位が成立する。 中心柱４４の第２の端部４８には変換器アセンブリミラー７０が装着されてい る。変換器アセンブリ３０は、互いに逆方向に伝搬して行く光信号を反射させる ために変換器アセンブリミラー７０がレーザーブロック空洞７２の中に配置され るように、ＲＬＧブロック２０に装着されている。 動作中、柱側導電膜６０とドライバ側導電膜６４との間に電位を印加すると、 その結果、それら２つの素子の間に吸引力が発生する。この吸引力は、電気信号 の強さに応じて、中心柱４４を移動させることができる。十分な力が発生された ときには、中心柱４４は基準軸４２に沿って並進状態で動く。その結果として、 変換器アセンブリミラー７０も基準軸４２に沿って移動、すなわち、再位置決め される。この動きによってミラー７０に動きが与えられるが、逆方向に伝搬して 行く光信号に対するミラーの向きの角度は依然として維持されている（たとえば 、変換器アセンブリミラー７０は基準軸４２に対し垂直な姿勢を保ちつつ、基準 軸４２に沿って並進する）。 空隙４０の中の、柱側導電膜６０とドライバ側導電膜６４との間には狭い間隙 がある。要求されている柱４４の移動を発生させるためには、２つの導電膜６０ 及び６４の間にかなり大きな電圧信号を印加しなければならない。２つの導電膜 ６０及び６４が近接するために、それらの膜の間でアークを発生する可能性があ る。このアーク発生のおそれを少なくするために、空隙４０を真空にするか、あ るいはブレークダウンの高いガスで充満させることができる。ガスの１例は六フ ッ化イオウである。 好ましい実施例では、変換器アセンブリ３０はレーザーブロック２０と一致す る材料から形成されている。多くの材料を使用できるであろうが、Ｚｅｒｏｄｕ ｒは有利な材料の１例である。変換器アセンブリ３０とレーザーブロック２０に ついて同一の材料を使用しているので、熱膨張係数は互いにごく密接に整合し、 そのため、発生する熱膨張特性は一様になる。このモノリシックな設計は、広い 温度範囲にわたって動作するときのジャイロの動作に対して非常に有益である。 柱側導電膜６０とドライバ側導電膜６４との間で電位を維持することによって 、それら２つの素子の間には常に吸引力が存在している。さらに、ドライバ３２ と変換器３４との間の吸引力も存在しているため、それらの間に確実な光学的接 合が発生される。電気導体経路６６及び６８は非常に薄い材料の層であり、その ため、ドライバ３２と変換器３４との光学的接合を妨害しない。 次に図３を参照すると、本発明の代替実施例が示されており、図中、同様の素 子には同じ図中符号が付されている。この変換器アセンブリ８０もドライバ８２ と、変換器８４とを有する。ドライバ８２は同様に上面８６と、下面８８とを有 する円筒形の部材である。変換器空隙９０は第２の面８８から始まって、内側へ 広がっている。同様に、ドライバアセンブリ８２は中心軸４２に関して対称形で ある。 ドライバ８２をいくつかの方法によって製造できるであろうということは当業 者には認められるであろう。この実施例では、まず、ドライバに導体経路を蒸着 する。次に、ドライバ８２の周囲に外側リムを形成する。この製造方法は空隙９ ０を形成する一方で、必要な導体経路と取付け面とをも形成する。あるいは、ド ライバ８２の中に機械加工によって空隙９０を形成できるであろう。 変換器８４は中心柱部材９２と、環状の外側リング９４とを有する。中心柱９ ２と環状リング９４の双方と一体であるダイアフラム９６は、それらの間に放射 状に広がっている。変換器８４も同様に基準軸４２に関して対称形である。柱の 第１の端部４６には第１の電気的に導通する膜６０が装着されている。空隙９０ の内部のドライバ８２の内面には、第２の電気的に導通する膜６４が装着されて いる。第１の実施例の場合と同様に、第１の導電膜６０と第２の導電膜６４との 間で電位を維持する。この電位は、変換器アセンブリ８０の周囲へ延びる一対の 導体経路９８，９９に電源を接続することによって発生される。電位の差はドラ イバ８２と中心柱９２との間に吸引力を発生させ、その結果として中心柱９２を 並進運動させる。中心柱９２のこの並進運動の結果、変換器アセンブリミラー７ ０も同じように並進運動する。この代替実施例においては、変換器の中で単一の ダイアフラム９６を使用し且つドライバはわずかに異なる構造のものである。 好ましい実施例と、第２の実施例の双方を例示しながら本発明をかなり詳細に 説明したが、本発明の原理から逸脱せずに本発明を構成と詳細について変形でき ることは当業者には明白なはずである。次の請求の範囲の趣旨に含まれているあ らゆる変形を権利請求する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．リングレーザージャイロスコープで使用する光学変換器において、 空隙に面した底面を有し、電磁力に変形せずに耐えるドライバ手段と； ドライバ空隙の中に配置されるようにドライバ手段に取付けられた、第１の電 位を与えられる第１の導体と； 並進運動自在な内側部分と外側部分とを有し、内側部分がダイアフラム部分を 介して外側部分に結合され、その内側部分はドライバ空隙と整列してドライバ手 段に接触せずに並進運動を行うように外側部分でドライバ手段に装着されている 変換器手段と； 変換器の内側部分に装着され且つ第１の導体とほぼ平行であり、第２の電位を 受ける第２の導体であって、第１の電位が第２の電位と相互に作用して、第１の 導体と第２の導体との間に電磁力を発生させ、それにより、変換器の内側部材を ドライバ手段に対して並進運動させる第２の導体とを具備する光学変換器。 ２．変換器手段の外側部分は環状部材である請求項１記載の光学変換器。 ３．変換器手段の内側部分は、中心軸が変換器の外側部分の環状軸と整列され ている円筒形の部材である請求項２記載の光学変化器。 ４．変換器手段の内側部分に装着され、第２の導体とは反対の側に配置されて いるミラーをさらに具備し、ミラーはそれと交差する光信号を反射する請求項１ 記載の光学変換器。 ５．ドライバ手段の凹部はドライバ手段の中へ広がる円形のくり穴である請求 項１記載の光学変換器。 ６．ドライバ手段は、円筒軸を有し且つ底面が円筒軸に対し垂直である円筒形 の部材である請求項１記載の光学変換器。 ７．ドライバ手段に装着されて、第１の導体からドライバ手段の周囲へ延びる 第１の電気接点をさらに具備する請求項１記載の光学変換器。 ８．変換器手段に装着されて、第２の導体から変換器手段の周囲へ延びる第２ の電気接点をさらに具備する請求項１記載の光学変換器。 ９．ドライバ部材と変換器部材は互いに光学的接合により装着されている請求 項１４記載の光路長制御変換器。 １０．回転運動を感知するリングレーザージャイロスコープにおいて、 閉ループ空洞の中で２つの互いに逆方向に伝搬して行く光信号を内在させるジ ャイロブロックと、 ジャイロブロックの一角に装着されて、閉ループ空洞の光路長を調整する変換 器アセンブリであって、その変換器アセンブリは変換器手段と、ドライバ手段と を有し、変換器手段はミラーを支持すると共に、そのミラーを並進運動方式で移 動させ、ミラーは閉ループ空洞の内部に面し且つ互いに逆方向に伝搬して行く光 信号を反射するように配置されており、前記変換器手段は中心柱部材と、環状の 外側部材と、前記中心柱部材と環状の外側部材との間に一体に且つ放射状に結合 されたダイアフラムとを有し、中心柱部材の第１の端部にミラーが装着され、第 ２の端部には電気的に導通性をもつプレートが装着されており、ドライバアセン ブリは空隙を含む平坦な面を有し、ドライバの平坦な面はドライバ空隙が変換器 の中心柱部材と整列するように変換器の環状の部材に装着され、ドライバのドラ イバ空隙には電気的に導通するプレートが装着されており、ドライバの電気的に 導通するプレートと、変換器の電気的に導通するプレートとの間に電位を印加す ることによって、それらの間に力が発生されて中心柱部材が動く変換器アセンブ リとを具備するリングレーザージャイロスコープ。 １１．中心柱部材は、第１の端部及び第２の端部が円柱軸に対し垂直である円 柱の形状である請求項１０記載のリングレーザージャイロ。 １２．中心柱部材及び半径方向外側の部材と一体であり且つそれらの間に放射 状に広がる第２のダイアフラムをさらに具備する請求項１０記載のリングレーザ ージャイロ。 １３．ドライバ空隙は材料のない球形の内部に高電圧降伏ガスを充満させた領 域である請求項１０記載のリングレーザージャイロ。 １４．共振空洞の光路長を制御する光路長制御変換器において、 内部に共振空洞を備え、ブロックの表面に前記空洞に至るまで開放されている 開口を有するブロックと、 空隙を含む平坦な面を有し、力を支えるドライバ部材と； ドライバ部材に装着され、ドライバ部材の平坦な面にある空隙の中に配置され ている第１の電気的に導通するプレートと、 中心部分と、外側部分と、第１のダイアフラムと、第２のダイアフラムとを有 し、中心部分は第１の端部と、第２の端部とを有する柱に似た部材であり、外側 部分は中心部分を取囲む環状の部材であり、第１のダイアフラムは内側部分及び 外側部分の双方と一体であり且つそれらの間に放射状に広がっており、第２のダ イアフラムは内側部分及び外側部分と一体であり且つそれらの間に放射状に広が っており、外側部分がドライバ部材の平坦な面に装着され且つドライバの空隙が 内側部分の上方に配置されるようにドライバ部材に装着されており、かつ外側部 材はブロックに装着されてブロックの面にある前記開口を被覆する変換器部材と 、 変換器の内側部分の第１の端部に装着され且つ第１の電気的に導通するプレー トとほぼ平行に位置する第２の電気的に導通するプレートであって、第１の電気 的に導通するプレートと第２の電気的に導通するプレートとの間に電位を印加す ると、それらの間に力が発生されて変換器の内側部分が動く第２の電気的に導通 するプレートと； ミラーが共振空洞の中に位置し且つ変換器の内側部分に沿って動くように変換 器部材の第２の端部に装着されているミラーとを具備する光路長制御変換器。 １５．内側部材は円筒形の柱部材である請求項１４記載の光路長制御変換器。 １６．ドライバ空隙は球形の材料のない領域である請求項１４記載の光路長制 御変換器。 １７．ドライバ部材と変換器部材は光学的接合によって互いに装着されている 請求項１４記載の光路長制御変換器。