周回光路装置及び３軸リングレーザジャイロ
【課題】シリコン基板をエッチングすることで得られる空間に、互いに交叉する３つの周回光路を形成することができる周回光路装置を得る。
【解決手段】光源基板４０の励起光源７１によって励起された光を固体レーザ媒質５１に集光させて発光点４２から第１反射面基板２０にレーザ光を放射するとともに第１反射面基板２０に設けた第２の光源８０から基準平面１１と平面ＰＬ２とに平行な両方向にレーザ光を放射し、第１反射面基板２０の複数の反射面２１〜２８と光源基板４０の反射面４１を利用して反射させ、互いに直交した平面内に３つの周回光路ＬＣ１〜ＬＣ３を容易に形成する。
【解決手段】光源基板４０の励起光源７１によって励起された光を固体レーザ媒質５１に集光させて発光点４２から第１反射面基板２０にレーザ光を放射するとともに第１反射面基板２０に設けた第２の光源８０から基準平面１１と平面ＰＬ２とに平行な両方向にレーザ光を放射し、第１反射面基板２０の複数の反射面２１〜２８と光源基板４０の反射面４１を利用して反射させ、互いに直交した平面内に３つの周回光路ＬＣ１〜ＬＣ３を容易に形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザ光を周回させる周回光路装置及びそれを使用した３軸リングレーザジャイロに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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角速度センサが利用されている。この角速度センサ（ジャイロ）には光学式ジャイロ、回転型ジャイロ、振動型ジャイロなどがある。振動型ジャイロは特許文献１などに記載されており、近年、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)技術により安価に生産されるようになってきている。これらは圧電力、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検出するものである。ＭＥＭＳによる振動型ジャイロは小型で低コストであり、民生用機器に広く利用されるようになってきている。しかし、振動ジャイロはゼロ点オフセットが大きいため、絶対角度の検出には向かず、慣性航法に利用することは難しい。
【０００３】
航空機や潜水艦、ロケットなどに搭載されるような高精度な検出が必要な場合には、サニャック効果を用いた光ファイバジャイロやリングレーザジャイロが利用されている。光ファイバジャイロは特許文献２や特許文献３などに記載されている。この光ファイバジャイロは、多数回巻かれた光ファイバの両端面にレーザ光をスプリットして挿入する。この光ファイバの巻いた面と垂直な軸方向を中心に角速度が加わると、分離された光に光路差が生じる。この光路差により分離された二つの光の間に位相差が生じる。この位相差を検出することにより、角速度を得るようになっている。この光ファイバジャイロは光の光路差の検出感度を上げるためには光ファイバを非常に長くして巻き回数を大きくする必要がある。そのため温度変化に敏感であることが問題となる。
【０００４】
リングレーザジャイロは複数のミラーによってリング状の光路をもつレーザ共振器を構成し、この光路中に時計回りと反時計回りのレーザ光を発振させ、両レーザ光の発振波長の差を検出して角速度を検出する。
【０００５】
この光ファイバジャイロ及びリングレーザジャイロは性能が良いが、比較的大きく、高価であるため一般民生用途に使用することは難しい。
【０００６】
また、ＭＥＭＳ技術により、高精度な光ジャイロを容易にバッチ処理で形成する構成が特許文献４に開示されている。この光ジャイロではレーザ光の周回光路をシリコンの異方性エッチングを用いて形成して、高精度な光ジャイロをバッチ処理で容易に形成することができるようにしている。
【特許文献１】特開平１０−２２７６４４号公報
【特許文献２】特公昭６２−３９８３６号公報
【特許文献３】特公平２−６０１２７号公報
【特許文献４】特許第３７５１５５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら特許文献４に示された光ジャイロは基板と平行な面に周回光路を形成しているため、１軸方向の検出しかできず、２軸方向の検出をするためには９０度向きを変えてもう一つ配置する必要があり、装置が大型化してしまう。また、リソグラフィーなどでレンズを形成する場合、基板表面に平行な光に対してレーザ光をコリメートするのが難しいという問題があった。これに対して、この出願の発明者らは表面を（１００）面とするシリコン基板を積層し、異方性エッチングによるピラミッド状傾斜面を共振面として利用して、基板表面と垂直かつ互いに直交する二つの周回光路を形成し２軸方向の角速度を検出するリングレーザジャイロを提案している。
【０００８】
この発明は、さらにシリコン基板をエッチングすることで得られる空間に、異方性エッチングで得られる精度の良い面を反射面とすることで容易に複数の交叉する面内に互いに交叉する３つの周回光路を形成することができる周回光路装置及び３軸方向の角速度を検出することが可能な３軸リングレーザジャイロを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明の周回光路装置は、基準平面を有する基体と、前記基体の基準平面に直交する方向で、前記基準平面に対して平行に積層される１以上の基板と、複数の光源とを有し、前記基体には、前記基準平面に垂直な第１の平面内にそれぞれ法線を有し、前記基準平面に対して所定角度傾斜して形成された少なくとも２つの反射面と、前記基準平面に垂直で、かつ、前記第１の平面と交叉する第２の平面内にそれぞれ法線を有し、前記基準平面に対して所定角度傾斜して形成された少なくとも２つの反射面と、前記基準平面に平行な第３の平面内に法線を有する複数の反射面を有し、前記１以上の基板には前記基準平面に対して平行な反射面を有し、前記複数の光源のいずれか一部の光源は、前記第１の平面及び第２の平面内に光を放射するように配置され、該光源から放射された光が、前記第１の平面と第２の平面内に法線を有する反射面と前記基準平面に対して平行な反射面により前記２平面内を順逆方向に周回してレーザ発振する第１の周回光路と第２の周回光路を形成し、前記複数の光源の他の光源は、前記第３の平面内に光を放射するように配置され、該光源から放射された光が、前記複数の反射面により第３の平面内を順逆方向に周回してレーザ発振する第３の周回光路を形成していることを特徴とする。
【００１０】
前記基体は、シリコン（１１０）面を表面とするシリコン基板であり、基準平面に直交する第１及び第２の周回光路は、基体に異方性エッチングを施して得られる基準平面とのなす角が略54.7度の（１１１）面を反射面の一部として利用して形成され、基準平面に平行な平面内を周回する第３の周回光路は、基体に異方性エッチングを施して得られる基準平面とのなす角が略90度の（１１１）面を反射面として利用して形成されていることを特徴とする。
【００１１】
また、前記各周回光路のうち少なくとも１つの周回光路において、周回光路を形成する光源の発光点が、周回光路を形成する１つの反射面上に配置して、周回光路を安定して形成することができる。
【００１２】
さらに、前記基準平面に対して平行に積層される基板を、第１及び第２の周回光路を形成する光源を有する光源基板で形成し、光源を共有させて部品点数を減らし、構造を簡単にすることを特徴とする。
【００１３】
また、前記光源は、光を照射することにより光を放射する光励起の固体光源媒質からなり、基体は、固体光源媒質を有する基板と、固体光源媒質を励起する励起光源を有する励起光源基板が積層され、励起光源基板に配置された複数の励起光源により固体光源媒質上における異なる複数の点を励起して複数の異なる発光点から光を放射させて第１から第３の周回光路を形成し、熱源を分散させ、局所的な温度上昇を避けることを特徴とする。
【００１４】
また、前記第３の周回光路は、基準平面に平行な第３の平面内に法線を有する２つの反射面と基板上に実装された光源の反射面とで形成されている三角形状の周回光路にして（光路長／面積）を大きくし検出感度を向上させることを特徴とする。
【００１５】
また、前記第３の周回光路を形成する光源は、光を照射することにより光を放射する光励起の固体光源媒質からなり、基体に突出して積層され、基体に積層された励起光源基板から出射されたレーザ光により励起されて第３の平面内にレーザ光を放射して、第１の周回光路と第２の周回光路と光源及び励起光源を共有して構造を簡略化することを特徴とする。
【００１６】
さらに、前記励起光源基板は、基体を挟んで固体光源媒質を有する基板とは反対側に配置して、熱源を分散するとともに各周回光路を順逆方向に周回するレーザ光の一部の取り出しを容易にすることを特徴とする。
【００１７】
この発明の３軸リングレーザジャイロは、前記周回光路装置と、前記周回光路装置で形成する第１の周回光路と第２の周回光路及び第３の周回光路をそれぞれ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て干渉縞を生成させる干渉縞生成手段と、前記干渉縞生成手段で生成している各周回光路における干渉縞の変化を検出する干渉縞検出手段と、前記干渉縞検出手段で検出した各周回光路における干渉縞の変化に基づき３軸回りの角速度を演算する演算手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
この発明は、基準平面を有する基体に、基準平面に垂直な第１の平面内にそれぞれ法線を有し、基準平面に対して所定角度傾斜して形成された少なくとも２つの反射面と、基準平面に垂直で、かつ、第１の平面と交叉する第２の平面内にそれぞれ法線を有し、基準平面に対して所定角度傾斜して形成された少なくとも２つの反射面と、基準平面に平行な第３の平面内に法線を有する複数の反射面を設け、基体の基準平面に対して平行に積層された基板には基準平面に対して平行な反射面を設けて複数の反射面を利用してレーザ光を反射させることにより互いに直交した平面内に３つの周回光路を容易に形成することができる。
【００１９】
また、基体に設けた複数の反射面をシリコン基板をエッチングすることで得られる空間に、異方性エッチングで得られる面で形成することにより、複数の交叉する反射面を精度良く形成することができ、３つの周回光路を安定して形成することができる。
【００２０】
さらに、この発明の周回光路装置で形成する第１の周回光路と第２の周回光路及び第３の周回光路をそれぞれ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て干渉縞を生成させ、生成している干渉縞の変化に基づき３軸回りの角速度を演算することにより、３軸回りの角速度を安定して検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、この発明の周回光路装置の構成を示し、（ａ）は（ｂ）のａ−ａ面で裁断した周回光路装置１０の平面断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ断面図、（ｃ）は（ａ）のｃ−ｃ断面図である。この周回光路装置１０のサイズを例示すると、図１（ａ）〜（ｃ）において上下・左右方向のサイズは数ｍｍ程度である。
【００２２】
図１に示すように、周回光路装置１０は、第１反射面基板２０とスペーサ基板３０及び光源基板４０を有する。第１反射面基板２０の一方の面に基準平面１１を有し、基準平面１１にスペーサ基板３０が積層されている。
【００２３】
第１反射面基板２０は、図１と図２の斜視図に示すように、平行平板状に形成され、中央部に厚み方向を深さ方向として四角柱の角部に４個の正４角錐を重ね合わされた状態の孔２９が基準平面１１側から貫通穿設され、貫通した孔２９の開口面積は基準平面１１側が大きく形成されている。この貫通した孔２９で符号２１、２２、２３、２４が４個の正４角錐の孔の壁面を示し、符号２５、２６、２７、２８が四角柱の孔の壁面を示し、すべて同一の空間に形成されている。これらの壁面２１〜２８は反射面として使用されているので、以下、壁面２１〜２８を反射面２１〜２８という。図１（ａ）に示す平面ＰＬ１は基準平面１１に対して垂直に交叉しており、相対して形成された正４角錐の孔の壁面である反射面２１，２２は平面ＰＬ１上に法線を有し、基準平面１１に対して所定の鋭角で傾斜して形成されている。また、図１（ａ）に示す平面ＰＬ２は基準平面１１と平面ＰＬ１に垂直に交叉しており、相対して形成された正４角錐の孔の壁面である反射面２３、２４は平面ＰＬ２上に法線を有し、基準平面１１に所定の鋭角で傾斜して形成されている。四角柱の孔の壁面である反射面２５〜２８は、基準平面１１に平行な法線を有して形成されている。
【００２４】
この第１反射面基板２０はシリコン基板を用い、正４角錐と四角柱が重ね合わされた状態の孔２９を異方性エッチングを利用して高精度にかつ容易に形成している。すなわち、図２の斜視図に示すように、第１反射面基板２０にはシリコン（１１０）面を表面とするシリコン基板（以下、シリコン（１１０）基板という）を異方性エッチングすることで現れる（１１１）面を利用し、基準平面１１に対して±54.7度傾斜し、かつ、基準平面１１に垂直な平面ＰＬ１と平行な法線を有する反射面２１，２２と基準平面１１に垂直な平面ＰＬ２と平行な法線を有する反射面２３，２４と、基準平面１１に対して90度傾斜した反射面２５〜２８とを形成している。この反射面２１〜２８は反射率を十分に高くするために例えば金メッキなどを施しておくと良い。
【００２５】
スペーサ基板３０は、第１反射面基板２０と光源基板４０との間を所定の間隔に設定するための基板であり、正方形形状の孔が厚さ方向に穿設されている。スペーサ基板３０を挟んで第１反射面基板２０とは反対側に設けられた光源基板４０の第１反射面基板２０と対向する平面部分が反射面４１となっており、この反射面４１は基準平面１１と平行に形成されている。
【００２６】
光源基板４０は第２反射面基板５０とガラス基板６０及び励起光源基板７０が積層されている。第２反射面基板５０は薄い平行平板状であり、図３の断面図に示すように、励起光を照射することで光が励起されるＹＡＧやＹＶＯ４などの固体レーザ媒質５１が底面基板５２に重ねられて形成されており、その間には反射膜５３が形成されている。この反射膜５３は固体レーザ媒質５１で生成された光の波長では反射し、励起光源基板７０から放射する励起光の波長では透過する膜となっており、入射角が19.4度の入射光の反射率が大きくなるように設定され、光源基板４０の反射面４１となっている。底面基板５２も励起された波長の光は透過し、その表面は反射防止膜５４が形成されている。励起光源基板７０には面発光型の励起光源７１が設けられている。この励起光源７１から出射されたレーザ光は、ガラス基板６０に形成されたマイクロレンズ６１により第２反射面基板５０の固体レーザ媒質５１に集光されて光を励起する発光点４２となる。この励起光源７１としては半導体レーザ素子などを実装しても良い。このように発光点４２を第２反射面基板５０に設けることにより発光点４２の設置誤差を減らすことができる。
【００２７】
スペーサ基板３０における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角錐と四角柱が重ね合わされた状態の孔の基準平面１１における大きさよりも一回り小さく形成され、反射面２１の平面ＰＬ１上の位置に対応するスペーサ基板３０のエッジの部分に半導体レーザ素子である第２の光源８０が実装されている。この第２の光源８０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、図１（ａ）、（ｃ）に示すように、基準平面１１と平面ＰＬ２とに平行な両方向にレーザ光を放射する。第２の光源８０のレーザ光を放射する両端面近傍にはマイクロレンズ８１ａ，８１ｂが実装され、第２の光源８０から放射されるレーザ光の発散角を調整する。この第２の光源８０とマイクロレンズ８１ａ、８１ｂはスペーサ基板３０の上面に適宜の方法で実装されている。
【００２８】
前記のように形成された周回光路装置１０において、光源基板４０の励起光源７１によって励起された光が固体レーザ媒質５１に集光されて発光点４２から第１反射面基板２０側に放射されると、放射されたレーザ光の一部は、図１（ｃ）に示すように、第１反射面基板２０の相対する反射面２１と反射面２２及び光源基板４０の反射面４１で反射を繰り返すことにより順逆方向にレーザ発振し、三角形状の第１の周回光路ＬＣ１を平面ＰＬ１内に形成する。また、同時に放射されたレーザ光の他の一部は、図１（ｂ）に示すように、第１反射面基板２０の相対する反射面２３と反射面２４及び光源基板４０の反射面４１で反射を繰り返すことにより順逆方向にレーザ発振し、三角形状の第２の周回光路ＬＣ２を平面ＰＬ２内に形成する。
【００２９】
また、第２の光源８０からレーザ光を、図１（ａ）において上下方向へ放射させると、第２の光源８０から第１反射面基板２０の反射面２５側へ放射されたレーザ光は、マクロレンズ８１ａで発散角を調整され、反射面２５と反射面２７と反射面２６及び反射面２８で順次反射され、マイクロレンズ８１ｂを介して第２の光源８０へ戻る。第２の光源８０から第１反射面基板２０の反射面２８側へ放射されたレーザ光は、マイクロレンズ８１ｂで発散角を調整され、反射面２８と反射面２６と反射面２７及び反射面２５で順次反射され、マイクロレンズ８１ａを介して第２の光源８０へ戻り、順逆方向に周回してレーザ発振する鼓形状の第３の周回光路ＬＣ３を基準平面１１と平行な平面ＰＬ３内に形成することができる。
【００３０】
このようにして光源基板４０の励起光源７１によって励起された光を固体レーザ媒質５１に集光させて発光点４２からレーザ光を放射するとともに第２の光源８０から基準平面１１と平面ＰＬ２とに平行な両方向にレーザ光を放射し、第１反射面基板２０の複数の反射面２１〜２８と光源基板４０の反射面４１を利用して反射させることにより、互いに直交した平面内に３つの周回光路ＬＣ１〜ＬＣ３を容易に形成することができる。
【００３１】
また、第２の光源８０から放射したレーザ光の周回光路ＬＣ３にマイクロレンズ８１ａ、８１ｂを設けてレーザ光の発散角を調整するのは、周回光路ＬＣ３を順逆方向に周回して第２の光源８０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、このレーザ光の発散角を調整することにより、第２の光源８０におけるレーザ発振の効率を高めることができる。なお、レーザ光の発散角の調整をしなくてもレーザ発振が可能であり、レーザ光の発散角の調整をしなくても良い。
【００３２】
前記説明では第１反射面基板２０を平行平板状に形成したが、基準平面１１と逆側の面の形状は周回光路ＰＬ１〜ＰＬ３の形成に何ら影響しないので、基準平面１１と逆側の部分は平面である必要はなく適宜の形状で有っても良い。
【００３３】
また、第１の周回光路ＰＬ１と第２の周回光路ＰＬ２を順逆方向に周回するレーザ光の一部」を取り出して干渉縞を発生させる発生させるためには、各周回光路ＰＬ１、ＰＬ２を順逆方向に周回するレーザ光の一部を光源基板４０側で行えば良い。
【００３４】
前記周回光路装置１０は第１反射面基板２０と光源基板４０の間にスペーサ基板２０を設けて第１の周回光路ＰＬ１と第２の周回光路ＰＬ２用の空間を形成したが、スペーサ基板２０を設けないで第１の周回光路ＰＬ１と第２の周回光路ＰＬ２用の空間を形成しても良い。
【００３５】
このスペーサ基板２０を有しない周回光路装置１０ａについて、周回光路装置１０ａの平面断面図である図４（ａ）と、（ａ）のＢ−Ｂ断面図である図４（ｂ）と、（ａ）のＣ−Ｃ断面図である図４（ｃ）及び第１反射面基板２０の斜視図である図５を参照して説明する。
【００３６】
周回光路装置１０ａの第１反射面基板２０は、図４（ｂ）、（ｃ）と図５に示すように、厚さが厚く形成され、反射面２１〜２８を形成する孔２９を深く形成している。この孔２９は第１反射面基板２０にシリコン（１１０）基板を用い、異方性エッチングすることで現れる（１１１）面を利用し、基準平面１１に対して±54.7度傾斜し、かつ、基準平面１１に垂直な互いに直交する二つの平面ＰＬ１，ＰＬ２上に法線を有する反射面２１〜２４と、基準平面１１に対して90度傾斜した反射面２５〜２８とを形成している。
【００３７】
また、光源基板４０の第２反射面基板５０には、平面ＰＬ１上で第１反射面基板２０の反射面２１のエッジ部分に対応する位置に一部を突出させてレーザ媒質で形成され、基準平面１１と平面ＰＬ２とに平行な両方向にレーザ光を放射する第３の光源８２が形成されている。また、励起光源基板７０には発光点４２を形成する励起光源７１を設けるとともに、第３の光源８２に入射するレーザ光を放射する励起光源８３が設けられ、ガラス基板６０には励起光源７１から放射されたレーザ光を発光点４２に集光するマイクロレンズ６１とともに励起光源８３から放射されたレーザ光を第３の光源８２に集光するマイクロレンズ８４が設けられている。
【００３８】
この光源基板４０の第２反射面基板５０が反射面２１〜２８を形成する孔２９を深く形成した第１反射面基板２０に直接接合して、第１反射面基板２０に深く形成された孔２９で第１の周回光路ＰＬ１と第２の周回光路ＰＬ２用の空間を形成している。
【００３９】
この周回光路装置１０ａも周回光路回路１０と同様に励起光源７１で放射されたレーザ光により発光点４２で励起されたレーザ光は、図４（ｃ）に示すように、第１反射面基板２０の相対する反射面２１と反射面２２及び光源基板４０の反射面４１で反射を繰り返して第１の周回光路ＬＣ１を平面ＰＬ１内に形成し、図４（ｂ）に示すように、第１反射面基板２０の相対する反射面２３と反射面２４及び光源基板４０の反射面４１で反射を繰り返して第２の周回光路ＬＣ２を平面ＰＬ２内に形成する。また、励起光源８３で放射されたレーザ光により第３の光源８２で励起された一方のレーザ光は、図４（ａ）に示すように、反射面２５と反射面２７と反射面２６及び反射面２８で順次反射し、他方のレーザ光は反射面２８と反射面２６と反射面２７及び反射面２５で順次反射して基準平面１１と平行な平面ＰＬ３内に第３の周回光路ＬＣ３を形成する。
【００４０】
このように第１反射面基板２０と光源基板４０を接合した簡単な構成で互いに直交した平面内に３つの周回光路ＬＣ１〜ＬＣ３を形成することができる。
【００４１】
前記周回光路装置１０，１０ａでは光源基板４０として第２反射面基板５０とガラス基板６０及び励起光源基板７０を積層した光源基板４０を使用した場合について説明したが、第２の反射面基板５０をガラス基板６０及び励起光源基板７０と分離しても良い。
【００４２】
この第２反射面基板５０をガラス基板６０及び励起光源基板７０と分離した周回光路装置１０ｂを、周回光路装置１０ｂの平面断面図と図６（ａ）と、（ａ）のＢ−Ｂ断面図である図６（ｂ）と（ａ）のＣ−Ｃ断面図である図６（ｃ）を参照して説明する。
【００４３】
周回光路装置１０ｂは、図５に示すように、厚さが厚く形成され、反射面２１〜２８を形成する孔２９を深く形成している第１反射面基板２０の貫通した孔２９の開口面積が大きい基準平面１１側に第２反射面基板５０が接合され、第１反射面基板２０の第２反射面基板５０が接合された面と反対側の面にガラス基板６０と例起用光源基板７０が積層されている。
【００４４】
第２反射面基板５０には、平面ＰＬ１上で第１反射面基板２０の孔２９の中心から所定距離だけ隔てた位置に一部を突出させてレーザ媒質からなる第３の光源８２が形成されている。第３の光源８２の基準平面１１と直交して反射面２１側とは反対側の側面には、図７（ｂ）に示すように、反射膜８５が形成され、反射面２１側の側面には反射防止膜８６が形成されている。また、励起光源基板７０には第２反射面基板５０に発光点４２を形成する励起光源７１と第３の光源８２に入射するレーザ光を放射する励起光源８３が位置をずらして設けられ、ガラス基板６０には励起光源７１から放射されたレーザ光を発光点４２に集光するマイクロレンズ６１とともに励起光源８３から放射されたレーザ光を第２の光源８２に集光するマイクロレンズ８４が設けられている。
【００４５】
この周回光路装置１０ｂで励起光源基板７０に設けられた励起光源７１から放射されたレーザ光はガラス基板６０に形成されたマイクロレンズ６１と第１反射面基板２０の孔２９を通って第２反射面基板５０の固体レーザ媒質５１に集光されて、発光点４２からレーザ光が励起される。この発光点４２で励起されたレーザ光の一部は、図６（ｃ）と図７（ａ）に示すように、第１反射面基板２０の相対する反射面２１と反射面２２及び第２反射面基板５０の反射膜５３で反射を繰り返して第１の周回光路ＬＣ１を平面ＰＬ１内に形成し、発光点４２で励起されたレーザ光の他の一部は、図６（ｂ）に示すように、第１反射面基板２０の相対する反射面２３と反射面２４及び第２反射面基板５０の反射膜５３で反射を繰り返して第２の周回光路ＬＣ２を平面ＰＬ２内に形成する。
【００４６】
また、励起光源基板７０に設けられた励起光源８３から放射されたレーザ光はガラス基板６０に形成されたマイクロレンズ８４と第１反射面基板２０の孔２９を通って第２反射面基板５０の第２の光源８２ａに集光され、第３の光源８２からレーザ光を励起する。この第３の光源８２で励起されたレーザ光は基準平面１１と平行で反射面２１方向に放射され、放射されたレーザ光の一部は、図６（ａ）と図７（ｂ）に示すように、第１反射面基板２０の反射面２５と反射面２８及び第３の光源８２の反射膜８５で反射を繰り返す。この反射を繰り返す反射面２５〜２８の反射率を十分高く設定し、励起光によりパワーを供給してやることにより、第３の光源８２から２つの方向に放射された光は、順逆方向に周回してレーザ発振して基準平面１１と平行な平面ＰＬ３内に鼓形状の第３の周回光路ＬＣ３を形成する。この第３の周回光路ＬＣ３を形成する第３の光源８２に固体レーザを用いると励起光の集光点において熱レンズが形成されるためレーザ光の発散角を調整するマイクロレンズが不要になっている。
【００４７】
このように第２反射面基板５０をガラス基板６０及び励起光源基板７０と分離して第１反射面基板２０の両面に設け、励起光源基板７０に設けた励起光源７１、８３で発生する熱と第２反射面基板５０の発光点４２と第３の光源８２で発生する熱を分散させることにより、局部的に温度上昇が生じることを防ぐことができる。また、各周回光路ＬＣ１〜ＬＣ３を順逆方向に周回するレーザ光の一部を第２反射面基板５０から容易に取り出すことができる。
【００４８】
また、励起光源基板７０には励起光源７１と励起光源８３を異なる位置に配置し、第２反射面基板５０の発光点４２と第３の光源８２の位置も励起光源７１と励起光源８３の位置に応じて異ならせることにより、励起光源７１、８３と発光点４２及び第３の光源８２で発生する熱を分散させることができ、局部的に温度上昇が生じることをより防ぐことができる。
【００４９】
さらに、図８（ａ）の平面断面図と（ｂ）のＢ−Ｂ断面図及び（ｃ）のＣ−Ｃ断面図に示すように、励起光源基板７０の励起光源７１を第１の周回光路ＬＣ１を形成する励起光源７１ａと第２の周回光路ＬＣ２を形成する励起光源７１ｂに分離して第２反射面基板５０に２個の発光点４２ａ，４２ｂを形成しても、前記と同様に三角形状の第１の周回光路ＬＣ１と第２の周回光路ＬＣ２を形成することができるとともに、励起光源７１を励起光源７１ａと励起光源７１ｂとに分離することにより熱源をより分散させることができ、局部的に温度上昇をより低減することができる。
【００５０】
このように互いに直交した平面内に３つの周回光路ＬＣ１〜ＬＣ３を形成する周回光路装置１０，１０ａ，１０ｂを利用することにより、３軸方向の角速度を検出する３軸ジャイロセンサを実現することができる。
【００５１】
図９は例えば周回光路装置１０ｂを利用した３軸ジャイロセンサの構成を示し、（ａ）は３軸ジャイロセンサの平面配置図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図，（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。図に示すように、３軸ジャイロセンサ１００は周回光路装置１０ｃと干渉縞生成手段１１０と干渉縞検出手段１２０及び演算手段１３０を有する。
【００５２】
周回光路装置１０ｂの第２反射面基板５０の底面基板５２とレーザ媒質５１の間に設けた反射膜５３は励起光源７１で発振するレーザ光の一部を反射し、一部を透過する。この第２反射面基板５０には、平面ＰＬ１上で第１反射面基板２０の孔２９の中心から所定距離だけ隔てた位置に一部を突出させてレーザ媒質からなる第３の光源８２が形成されている。第３の光源８２の基準平面１１と直交して反射面２１側と反対側の側面には反射膜８５が形成され、反射面２１側の側面には反射防止膜８６が形成されている。この反射膜８５は第３の光源８２で発振するレーザ光の一部を反射し、一部を透過する。また、また、励起光源基板７０の第２反射面基板５０に発光点４２を形成する励起光源７１は、図８（ａ）に示すように、平面ＰＬ２上で平面ＰＬ１から所定距離だけ反射面２４側に離れた位置に設けられ、第２反射面基板５０の第３の光源８２に入射するレーザ光を放射する励起光源８３は第２反射面基板５０に設けた第３の光源８２と対応する位置に設けられ、励起光源７１と励起光源８３が一直線上にないように配置されている。
【００５３】
干渉縞生成手段１１０は第１プリズム基板１１１と第２プリズム基板１１２を有する。第１プリズム基板１１１は周回光路装置１０ｂの第２反射面基板５０の第１反射面基板２０との接合面は反対の面に設けられ、周回光路装置１０ｃで形成する第１の周回光路ＬＣ１と第２の周回光路ＬＣ２を周回するレーザ光の一部を取り出して干渉させて干渉縞を生成させる。この第１プリズム基板１１１は平行平板状に形成され、直交する２つの側面が平行な上下面に対して角度９０度に対して微小角度α例えば角度９１度だけ傾いた傾斜面からなるプリズム端面１１３ａ、１１３ｂを有する。このプリズム端面１１３ａ、１１３ｂと第１反射面基板２０との接合面とは反対側のプリズム端面１１４とて例えば頂角９１度のコーナー部１１５ａ、１１５ｂを形成している。この第１プリズム基板１１１はコーナー部１１５ａが周回光路装置１０ｃで生成する三角形状をした第１の周回光路ＬＣ１を形成する三角形状の一方の斜辺に相当するレーザ光の光軸近傍になるように配置され、コーナー部１１５ｂが周回光路装置１０ｃで生成する三角形状をした第２の周回光路ＬＣ２を形成する三角形状の一方の斜辺に相当するレーザ光の光軸近傍になるように配置されている。例えば周回光路装置１０ｂの第１反射面基板２０の反射面２２から第２反射面基板５０の反射膜５３に入射して反射膜５３を透過したレーザ光がコーナー部１１５ａ近傍に入射するように配置され、周回光路装置１０ｂの第１反射面基板２０の反射面２４から第２反射面基板５０の反射膜５３に入射して反射膜５３を透過したレーザ光がコーナー部１１５ｂ近傍に入射するように配置されている。
【００５４】
第２プリズム基板１１２は第２反射面基板５０の第１反射面基板２０との接合面の第２の光源８２ａの反射面２１側と反対側の側面の反射膜８５から所定距離だけ隔てた位置に配置され、周回光路装置１０ｂで形成する第３の周回光路ＬＣ２を周回するレーザ光の一部を取り出して干渉させて干渉縞を生成させる。この第２プリズム基板１１２は平行平板状に形成され、一方の側面が平行な上下面に対して角度４５度だけ傾いた傾斜面からなるプリズム端面１１６を有し、プリズム端面１１６と相対する側面は、その側面とプリズム端面面１１６を挟む平行な２側面に対して角度９０度に対して微小角度α例えば角度９１度だけ傾いた傾斜面からなるプリズム端面１１７ａを有する。このプリズム端面１１７ａと第２の光源８２ａとは反対側のプリズム端面１１７ｂとて例えば頂角９１度のコーナー部１１８を形成している。この第２プリズム基板１１１はコーナー部１１８が周回光路装置１０ｂで生成する第３の周回光路ＬＣ３を形成する三角形状の一方の斜辺に相当するレーザ光の光軸近傍になるように配置されている。例えば周回光路装置１０ｂの第１反射面基板２０の反射面２５から第３の光源８２の反射膜８５に入射して反射膜８５を透過したレーザ光がコーナー部１１８近傍に入射するように配置されている。
【００５５】
干渉縞検出手段１２０は検出基板１２１と、検出基板１２１の設けられたＬＣ１検出部１２２ａとＬＣ２検出部１２２ｂ及びＬＣ３検出部１２２ｃを有する。ＬＣ１検出部１２２ａは第１プリズム基板１１１で生成した第１の周回光路ＬＣ１を周回するレーザ光の干渉縞の変化を検出するものであり、周回光路装置１０ｂで生成する第１の周回光路ＬＣ１の三角形状の斜辺に相当するレーザ光の光軸上の位置、例えば周回光路装置１０ｂの第１反射面基板２０の反射面２１から第２反射面基板５０の反射膜５３に入射して反射膜５３を透過したレーザ光を入射するように配置されている。ＬＣ２検出部１２２ｂは第１プリズム基板１１１で生成した第２の周回光路ＬＣ２を周回するレーザ光の干渉縞の変化を検出するものであり、周回光路装置１０ｂで生成する第２の周回光路ＬＣ２の三角形状の斜辺に相当するレーザ光の光軸上の位置、例えば周回光路装置１０ｂの第１反射面基板２０の反射面２３から第２反射面基板５０の反射膜５３に入射して反射膜５３を透過したレーザ光を入射するように配置されている。ＬＣ３検出部１２２ｃは第２プリズム基板１１２で生成した第３の周回光路ＬＣ３を周回するレーザ光の干渉縞の変化を検出するものであり、例えば周回光路装置１０ｂの第１反射面基板２０の反射面２８から第３の光源８２の反射膜８５に入射して反射膜８５を透過したレーザ光が第２プリズム基板１１２の角度４５度で傾いたプリズム端面１１６に入射して反射したレーザ光を入射するように配置されている。
【００５６】
演算手段１３０はＬＣ１検出部１２２ａとＬＣ２検出部１２２ｂ及びＬＣ３検出部１２２ｃで検出した第１の周回光路ＬＣ１と第２の周回光路ＬＣ２及び第３の周回光路ＬＣ３を周回するレーザ光の干渉縞の変化から３軸回りの角速度を演算する。
【００５７】
この３軸ジャイロセンサ１００の干渉縞生成手段１１０の第１プリズム基板１１１で第１の周回光路ＬＣ１を周回するレーザ光の干渉縞を生成して角速度を求める処理を図９（ｃ）と図１０（ａ）の部分断面図を参照して説明する。
【００５８】
周回光路装置１０ｂで第１の周回光路ＬＣ１を周回するレーザ光の一部は第２反射面基板５０の底面基板５２とレーザ媒質５１の間に設けた反射膜５３を透過して干渉縞生成手段１１０の第１プリズム基板１１１に入射する。この第１プリズム基板１１１に入射する第１の周回光路ＬＣ１のレーザ光は順逆方向の両方向に発振しているため、第１プリズム基板１１１内を２方向に進み、第１の周回光路ＬＣ１を反時計回りで周回して第１反射面基板２０の反射面２１から第２反射面基板５０の反射膜５３に入射して反射膜５３を透過したレーザ光は第１プリズム基板１１１を透過してＬＣ１検出部１２２ａに入射する。一方、第１の周回光路ＬＣ１を反時計回りで周回して第１反射面基板２０の反射面２２から第２反射面基板５０の反射膜５３に入射して反射膜５３を透過したレーザ光は第１プリズム基板１１１のコーナー部１１５ａに入射してプリズム端面１１４とプリズム端面１１３ａの両方で反射してコーナー部１１５ａへの入射光路から僅かにずれて戻り、第２反射面基板５０の反射膜５３で反射してＬＣ１検出部１２２ａに入射する。
【００５９】
このようにしてＬＣ１検出部１２２ａに重なり合せて入射するレーザ光は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。この干渉縞の明暗の様子をＬＣ１検出部１２２ａにより検出し、演算手段１３０で所定の演算を行って角速度を算出する。
【００６０】
すなわち、第１の周回光路ＬＣ１を周回するレーザ光は順逆方向に周回しており、光路長を共振長としてレーザ発振している。この状態で、第１の周回光路ＬＣ１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して角速度を求めることができる。
【００６１】
例えば図１１に発生する干渉縞１４０の様子を模式的に示す。図１１（ａ）は角速度が零の状態における干渉縞１４０の状態（基準状態）を示し、図１１（ｂ）、（ｃ）は、第１の周回光路ＬＣ１が、図１０（ｃ）の図面に直交する軸の回りに時計方向と反時計方向の回転を生じたときの干渉縞１４０の様子を示している。図１１に示すように回転方向が時計方向であるか反時計方向であるかにより、干渉縞１４０は基準状態から右あるいはは左へずれ、そのずれ量はビート周波数に対応し、回転の角速度に比例する。
すなわち演算される角速度Ωは、ビート周波数をｆ、第１の周回光路ＬＰ１が１平面内で形成する３角形の面積をＳ、第１の周回光路ＬＣ１の光路長をＬ、レーザ光の波長をλとすると次式で与えられる。
Ω＝Ｌ・λ・ｆ／４Ｓ
ここでビート周波数ｆは干渉縞１４０の変位量により求められるので、ＬＣ１検出部１２２ａの出力を演算手段１３０に入力して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。
【００６２】
同様にして第１プリズム基板１１１で第２の周回光路ＬＣ２を周回するレーザ光の干渉縞を生成して角速度を求めることができる。
【００６３】
次に第３の周回光路ＬＣ３を周回するレーザ光の干渉縞を生成して角速度を求める処理を図１０（ｂ）の平面配置図と（ｃ）の部分断面図を参照して説明する。
【００６４】
周回光路装置１０ｂで第３の周回光路ＬＣ３を周回するレーザ光の一部は第３の光源８２の反射膜８５を透過して干渉縞生成手段１１０の第２プリズム基板１１２に入射する。この第２プリズム基板１１２に入射する第３の周回光路ＬＣ３のレーザ光は順逆方向の両方向に発振しているため、第２プリズム基板１１２内を２方向に進む。第３の周回光路ＬＣ３を反時計回りで周回して反射面２８で反射して第２の光源８２ａの反射膜８５を透過したレーザ光は第２プリズム１１２に入射して角度４０度だけ傾斜したプリズム端面１１６で反射して角度９０度だけ向きを変えてＬＣ３検出部１２２ｃに入射する。一方、第３の周回光路ＬＣ３を時計回りで周回して反射面２５で反射して第２の光源８２ａの反射膜８５を透過したレーザ光は第２プリズム基板１１２のコーナー部１１８に入射してプリズム面１１７ｂとプリズム面１１７ａの両方で反射してコーナー部１１８への入射光路から僅かにずれて第２の光源８２ａの反射膜８５に戻り、反射膜８５で反射してプリズム端面１１６で角度９０度向きを変えてＬＣ３検出部１２２ｃに入射して干渉縞を生じる。この干渉縞の明暗の様子をＬＣ１検出部１２２ｃにより検出し、演算手段１３０で所定の演算を行って第３の周回光路ＬＣ３と直交する軸方向の角速度を算出する。
【００６５】
このようにして周回光路装置１０ｂを利用して３軸方向の角速度を検出することができる。
【００６６】
前記説明では周回光路装置１０ｂを利用した３軸ジャイロセンサ１００について説明したが、周回光路装置１０、１０ａを利用して３軸ジャイロセンサを形成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】この発明の周回光路装置の構成図である。
【図２】周回光路装置の第１反射面基板の構成を示す斜視図である。
【図３】周回光路装置の光源基板の構成を示す断面図である。
【図４】この発明の第２の周回光路装置の構成図である。
【図５】第２の周回光路装置の第１反射面基板の構成を示す斜視図である。
【図６】この発明の第３の周回光路装置の構成図である。
【図７】第３の周回光路装置における周回光路ＬＣ１と周回光路ＬＣ３を形成するレーザ光の励起状態を示す部分断面図である。
【図８】第３の周回光路装置の他の構成図である。
【図９】この発明の３軸ジャイロセンサの構成図である。
【図１０】干渉縞生成手段と干渉縞検出手段の構成図である。
【図１１】３軸ジャイロセンサで生成した干渉縞を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６８】
１０；周回光路装置、１１；基準平面、２０；第１反射面基板、
２１〜２８；反射面、２９；孔、３０；スペーサ基板、４０；光源基板、
４１；反射面、５０；第２反射面基板、５１；固体レーザ媒質、５２；底面基板、
５３；反射膜、５４；反射防止膜、６０；ガラス基板、６１；マイクロレンズ、
７０；励起光源基板、７１；励起光源、８０；第２の光源、
８１；マイクロレンズ、８２；第３の光源、８３；励起光源、
８４；マイクロレンズ、１００；３軸ジャイロセンサ、１１０干渉縞生成手段、
１１１；第１プリズム基板、１１２；第２プリズム基板、１２０；干渉縞検出手段、
１２１；検出基板、１２２ａ；ＬＣ１検出部，１２２ｂ；ＬＣ２検出部、
１２２ｃ；ＬＣ３検出部、１３０；演算手段、ＬＣ１〜ＬＣ３；周回光路。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザ光を周回させる周回光路装置及びそれを使用した３軸リングレーザジャイロに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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角速度センサが利用されている。この角速度センサ（ジャイロ）には光学式ジャイロ、回転型ジャイロ、振動型ジャイロなどがある。振動型ジャイロは特許文献１などに記載されており、近年、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)技術により安価に生産されるようになってきている。これらは圧電力、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検出するものである。ＭＥＭＳによる振動型ジャイロは小型で低コストであり、民生用機器に広く利用されるようになってきている。しかし、振動ジャイロはゼロ点オフセットが大きいため、絶対角度の検出には向かず、慣性航法に利用することは難しい。
【０００３】
航空機や潜水艦、ロケットなどに搭載されるような高精度な検出が必要な場合には、サニャック効果を用いた光ファイバジャイロやリングレーザジャイロが利用されている。光ファイバジャイロは特許文献２や特許文献３などに記載されている。この光ファイバジャイロは、多数回巻かれた光ファイバの両端面にレーザ光をスプリットして挿入する。この光ファイバの巻いた面と垂直な軸方向を中心に角速度が加わると、分離された光に光路差が生じる。この光路差により分離された二つの光の間に位相差が生じる。この位相差を検出することにより、角速度を得るようになっている。この光ファイバジャイロは光の光路差の検出感度を上げるためには光ファイバを非常に長くして巻き回数を大きくする必要がある。そのため温度変化に敏感であることが問題となる。
【０００４】
リングレーザジャイロは複数のミラーによってリング状の光路をもつレーザ共振器を構成し、この光路中に時計回りと反時計回りのレーザ光を発振させ、両レーザ光の発振波長の差を検出して角速度を検出する。
【０００５】
この光ファイバジャイロ及びリングレーザジャイロは性能が良いが、比較的大きく、高価であるため一般民生用途に使用することは難しい。
【０００６】
また、ＭＥＭＳ技術により、高精度な光ジャイロを容易にバッチ処理で形成する構成が特許文献４に開示されている。この光ジャイロではレーザ光の周回光路をシリコンの異方性エッチングを用いて形成して、高精度な光ジャイロをバッチ処理で容易に形成することができるようにしている。
【特許文献１】特開平１０−２２７６４４号公報
【特許文献２】特公昭６２−３９８３６号公報
【特許文献３】特公平２−６０１２７号公報
【特許文献４】特許第３７５１５５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら特許文献４に示された光ジャイロは基板と平行な面に周回光路を形成しているため、１軸方向の検出しかできず、２軸方向の検出をするためには９０度向きを変えてもう一つ配置する必要があり、装置が大型化してしまう。また、リソグラフィーなどでレンズを形成する場合、基板表面に平行な光に対してレーザ光をコリメートするのが難しいという問題があった。これに対して、この出願の発明者らは表面を（１００）面とするシリコン基板を積層し、異方性エッチングによるピラミッド状傾斜面を共振面として利用して、基板表面と垂直かつ互いに直交する二つの周回光路を形成し２軸方向の角速度を検出するリングレーザジャイロを提案している。
【０００８】
この発明は、さらにシリコン基板をエッチングすることで得られる空間に、異方性エッチングで得られる精度の良い面を反射面とすることで容易に複数の交叉する面内に互いに交叉する３つの周回光路を形成することができる周回光路装置及び３軸方向の角速度を検出することが可能な３軸リングレーザジャイロを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明の周回光路装置は、基準平面を有する基体と、前記基体の基準平面に直交する方向で、前記基準平面に対して平行に積層される１以上の基板と、複数の光源とを有し、前記基体には、前記基準平面に垂直な第１の平面内にそれぞれ法線を有し、前記基準平面に対して所定角度傾斜して形成された少なくとも２つの反射面と、前記基準平面に垂直で、かつ、前記第１の平面と交叉する第２の平面内にそれぞれ法線を有し、前記基準平面に対して所定角度傾斜して形成された少なくとも２つの反射面と、前記基準平面に平行な第３の平面内に法線を有する複数の反射面を有し、前記１以上の基板には前記基準平面に対して平行な反射面を有し、前記複数の光源のいずれか一部の光源は、前記第１の平面及び第２の平面内に光を放射するように配置され、該光源から放射された光が、前記第１の平面と第２の平面内に法線を有する反射面と前記基準平面に対して平行な反射面により前記２平面内を順逆方向に周回してレーザ発振する第１の周回光路と第２の周回光路を形成し、前記複数の光源の他の光源は、前記第３の平面内に光を放射するように配置され、該光源から放射された光が、前記複数の反射面により第３の平面内を順逆方向に周回してレーザ発振する第３の周回光路を形成していることを特徴とする。
【００１０】
前記基体は、シリコン（１１０）面を表面とするシリコン基板であり、基準平面に直交する第１及び第２の周回光路は、基体に異方性エッチングを施して得られる基準平面とのなす角が略54.7度の（１１１）面を反射面の一部として利用して形成され、基準平面に平行な平面内を周回する第３の周回光路は、基体に異方性エッチングを施して得られる基準平面とのなす角が略90度の（１１１）面を反射面として利用して形成されていることを特徴とする。
【００１１】
また、前記各周回光路のうち少なくとも１つの周回光路において、周回光路を形成する光源の発光点が、周回光路を形成する１つの反射面上に配置して、周回光路を安定して形成することができる。
【００１２】
さらに、前記基準平面に対して平行に積層される基板を、第１及び第２の周回光路を形成する光源を有する光源基板で形成し、光源を共有させて部品点数を減らし、構造を簡単にすることを特徴とする。
【００１３】
また、前記光源は、光を照射することにより光を放射する光励起の固体光源媒質からなり、基体は、固体光源媒質を有する基板と、固体光源媒質を励起する励起光源を有する励起光源基板が積層され、励起光源基板に配置された複数の励起光源により固体光源媒質上における異なる複数の点を励起して複数の異なる発光点から光を放射させて第１から第３の周回光路を形成し、熱源を分散させ、局所的な温度上昇を避けることを特徴とする。
【００１４】
また、前記第３の周回光路は、基準平面に平行な第３の平面内に法線を有する２つの反射面と基板上に実装された光源の反射面とで形成されている三角形状の周回光路にして（光路長／面積）を大きくし検出感度を向上させることを特徴とする。
【００１５】
また、前記第３の周回光路を形成する光源は、光を照射することにより光を放射する光励起の固体光源媒質からなり、基体に突出して積層され、基体に積層された励起光源基板から出射されたレーザ光により励起されて第３の平面内にレーザ光を放射して、第１の周回光路と第２の周回光路と光源及び励起光源を共有して構造を簡略化することを特徴とする。
【００１６】
さらに、前記励起光源基板は、基体を挟んで固体光源媒質を有する基板とは反対側に配置して、熱源を分散するとともに各周回光路を順逆方向に周回するレーザ光の一部の取り出しを容易にすることを特徴とする。
【００１７】
この発明の３軸リングレーザジャイロは、前記周回光路装置と、前記周回光路装置で形成する第１の周回光路と第２の周回光路及び第３の周回光路をそれぞれ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て干渉縞を生成させる干渉縞生成手段と、前記干渉縞生成手段で生成している各周回光路における干渉縞の変化を検出する干渉縞検出手段と、前記干渉縞検出手段で検出した各周回光路における干渉縞の変化に基づき３軸回りの角速度を演算する演算手段とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
この発明は、基準平面を有する基体に、基準平面に垂直な第１の平面内にそれぞれ法線を有し、基準平面に対して所定角度傾斜して形成された少なくとも２つの反射面と、基準平面に垂直で、かつ、第１の平面と交叉する第２の平面内にそれぞれ法線を有し、基準平面に対して所定角度傾斜して形成された少なくとも２つの反射面と、基準平面に平行な第３の平面内に法線を有する複数の反射面を設け、基体の基準平面に対して平行に積層された基板には基準平面に対して平行な反射面を設けて複数の反射面を利用してレーザ光を反射させることにより互いに直交した平面内に３つの周回光路を容易に形成することができる。
【００１９】
また、基体に設けた複数の反射面をシリコン基板をエッチングすることで得られる空間に、異方性エッチングで得られる面で形成することにより、複数の交叉する反射面を精度良く形成することができ、３つの周回光路を安定して形成することができる。
【００２０】
さらに、この発明の周回光路装置で形成する第１の周回光路と第２の周回光路及び第３の周回光路をそれぞれ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て干渉縞を生成させ、生成している干渉縞の変化に基づき３軸回りの角速度を演算することにより、３軸回りの角速度を安定して検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、この発明の周回光路装置の構成を示し、（ａ）は（ｂ）のａ−ａ面で裁断した周回光路装置１０の平面断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ断面図、（ｃ）は（ａ）のｃ−ｃ断面図である。この周回光路装置１０のサイズを例示すると、図１（ａ）〜（ｃ）において上下・左右方向のサイズは数ｍｍ程度である。
【００２２】
図１に示すように、周回光路装置１０は、第１反射面基板２０とスペーサ基板３０及び光源基板４０を有する。第１反射面基板２０の一方の面に基準平面１１を有し、基準平面１１にスペーサ基板３０が積層されている。
【００２３】
第１反射面基板２０は、図１と図２の斜視図に示すように、平行平板状に形成され、中央部に厚み方向を深さ方向として四角柱の角部に４個の正４角錐を重ね合わされた状態の孔２９が基準平面１１側から貫通穿設され、貫通した孔２９の開口面積は基準平面１１側が大きく形成されている。この貫通した孔２９で符号２１、２２、２３、２４が４個の正４角錐の孔の壁面を示し、符号２５、２６、２７、２８が四角柱の孔の壁面を示し、すべて同一の空間に形成されている。これらの壁面２１〜２８は反射面として使用されているので、以下、壁面２１〜２８を反射面２１〜２８という。図１（ａ）に示す平面ＰＬ１は基準平面１１に対して垂直に交叉しており、相対して形成された正４角錐の孔の壁面である反射面２１，２２は平面ＰＬ１上に法線を有し、基準平面１１に対して所定の鋭角で傾斜して形成されている。また、図１（ａ）に示す平面ＰＬ２は基準平面１１と平面ＰＬ１に垂直に交叉しており、相対して形成された正４角錐の孔の壁面である反射面２３、２４は平面ＰＬ２上に法線を有し、基準平面１１に所定の鋭角で傾斜して形成されている。四角柱の孔の壁面である反射面２５〜２８は、基準平面１１に平行な法線を有して形成されている。
【００２４】
この第１反射面基板２０はシリコン基板を用い、正４角錐と四角柱が重ね合わされた状態の孔２９を異方性エッチングを利用して高精度にかつ容易に形成している。すなわち、図２の斜視図に示すように、第１反射面基板２０にはシリコン（１１０）面を表面とするシリコン基板（以下、シリコン（１１０）基板という）を異方性エッチングすることで現れる（１１１）面を利用し、基準平面１１に対して±54.7度傾斜し、かつ、基準平面１１に垂直な平面ＰＬ１と平行な法線を有する反射面２１，２２と基準平面１１に垂直な平面ＰＬ２と平行な法線を有する反射面２３，２４と、基準平面１１に対して90度傾斜した反射面２５〜２８とを形成している。この反射面２１〜２８は反射率を十分に高くするために例えば金メッキなどを施しておくと良い。
【００２５】
スペーサ基板３０は、第１反射面基板２０と光源基板４０との間を所定の間隔に設定するための基板であり、正方形形状の孔が厚さ方向に穿設されている。スペーサ基板３０を挟んで第１反射面基板２０とは反対側に設けられた光源基板４０の第１反射面基板２０と対向する平面部分が反射面４１となっており、この反射面４１は基準平面１１と平行に形成されている。
【００２６】
光源基板４０は第２反射面基板５０とガラス基板６０及び励起光源基板７０が積層されている。第２反射面基板５０は薄い平行平板状であり、図３の断面図に示すように、励起光を照射することで光が励起されるＹＡＧやＹＶＯ４などの固体レーザ媒質５１が底面基板５２に重ねられて形成されており、その間には反射膜５３が形成されている。この反射膜５３は固体レーザ媒質５１で生成された光の波長では反射し、励起光源基板７０から放射する励起光の波長では透過する膜となっており、入射角が19.4度の入射光の反射率が大きくなるように設定され、光源基板４０の反射面４１となっている。底面基板５２も励起された波長の光は透過し、その表面は反射防止膜５４が形成されている。励起光源基板７０には面発光型の励起光源７１が設けられている。この励起光源７１から出射されたレーザ光は、ガラス基板６０に形成されたマイクロレンズ６１により第２反射面基板５０の固体レーザ媒質５１に集光されて光を励起する発光点４２となる。この励起光源７１としては半導体レーザ素子などを実装しても良い。このように発光点４２を第２反射面基板５０に設けることにより発光点４２の設置誤差を減らすことができる。
【００２７】
スペーサ基板３０における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角錐と四角柱が重ね合わされた状態の孔の基準平面１１における大きさよりも一回り小さく形成され、反射面２１の平面ＰＬ１上の位置に対応するスペーサ基板３０のエッジの部分に半導体レーザ素子である第２の光源８０が実装されている。この第２の光源８０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、図１（ａ）、（ｃ）に示すように、基準平面１１と平面ＰＬ２とに平行な両方向にレーザ光を放射する。第２の光源８０のレーザ光を放射する両端面近傍にはマイクロレンズ８１ａ，８１ｂが実装され、第２の光源８０から放射されるレーザ光の発散角を調整する。この第２の光源８０とマイクロレンズ８１ａ、８１ｂはスペーサ基板３０の上面に適宜の方法で実装されている。
【００２８】
前記のように形成された周回光路装置１０において、光源基板４０の励起光源７１によって励起された光が固体レーザ媒質５１に集光されて発光点４２から第１反射面基板２０側に放射されると、放射されたレーザ光の一部は、図１（ｃ）に示すように、第１反射面基板２０の相対する反射面２１と反射面２２及び光源基板４０の反射面４１で反射を繰り返すことにより順逆方向にレーザ発振し、三角形状の第１の周回光路ＬＣ１を平面ＰＬ１内に形成する。また、同時に放射されたレーザ光の他の一部は、図１（ｂ）に示すように、第１反射面基板２０の相対する反射面２３と反射面２４及び光源基板４０の反射面４１で反射を繰り返すことにより順逆方向にレーザ発振し、三角形状の第２の周回光路ＬＣ２を平面ＰＬ２内に形成する。
【００２９】
また、第２の光源８０からレーザ光を、図１（ａ）において上下方向へ放射させると、第２の光源８０から第１反射面基板２０の反射面２５側へ放射されたレーザ光は、マクロレンズ８１ａで発散角を調整され、反射面２５と反射面２７と反射面２６及び反射面２８で順次反射され、マイクロレンズ８１ｂを介して第２の光源８０へ戻る。第２の光源８０から第１反射面基板２０の反射面２８側へ放射されたレーザ光は、マイクロレンズ８１ｂで発散角を調整され、反射面２８と反射面２６と反射面２７及び反射面２５で順次反射され、マイクロレンズ８１ａを介して第２の光源８０へ戻り、順逆方向に周回してレーザ発振する鼓形状の第３の周回光路ＬＣ３を基準平面１１と平行な平面ＰＬ３内に形成することができる。
【００３０】
このようにして光源基板４０の励起光源７１によって励起された光を固体レーザ媒質５１に集光させて発光点４２からレーザ光を放射するとともに第２の光源８０から基準平面１１と平面ＰＬ２とに平行な両方向にレーザ光を放射し、第１反射面基板２０の複数の反射面２１〜２８と光源基板４０の反射面４１を利用して反射させることにより、互いに直交した平面内に３つの周回光路ＬＣ１〜ＬＣ３を容易に形成することができる。
【００３１】
また、第２の光源８０から放射したレーザ光の周回光路ＬＣ３にマイクロレンズ８１ａ、８１ｂを設けてレーザ光の発散角を調整するのは、周回光路ＬＣ３を順逆方向に周回して第２の光源８０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、このレーザ光の発散角を調整することにより、第２の光源８０におけるレーザ発振の効率を高めることができる。なお、レーザ光の発散角の調整をしなくてもレーザ発振が可能であり、レーザ光の発散角の調整をしなくても良い。
【００３２】
前記説明では第１反射面基板２０を平行平板状に形成したが、基準平面１１と逆側の面の形状は周回光路ＰＬ１〜ＰＬ３の形成に何ら影響しないので、基準平面１１と逆側の部分は平面である必要はなく適宜の形状で有っても良い。
【００３３】
また、第１の周回光路ＰＬ１と第２の周回光路ＰＬ２を順逆方向に周回するレーザ光の一部」を取り出して干渉縞を発生させる発生させるためには、各周回光路ＰＬ１、ＰＬ２を順逆方向に周回するレーザ光の一部を光源基板４０側で行えば良い。
【００３４】
前記周回光路装置１０は第１反射面基板２０と光源基板４０の間にスペーサ基板２０を設けて第１の周回光路ＰＬ１と第２の周回光路ＰＬ２用の空間を形成したが、スペーサ基板２０を設けないで第１の周回光路ＰＬ１と第２の周回光路ＰＬ２用の空間を形成しても良い。
【００３５】
このスペーサ基板２０を有しない周回光路装置１０ａについて、周回光路装置１０ａの平面断面図である図４（ａ）と、（ａ）のＢ−Ｂ断面図である図４（ｂ）と、（ａ）のＣ−Ｃ断面図である図４（ｃ）及び第１反射面基板２０の斜視図である図５を参照して説明する。
【００３６】
周回光路装置１０ａの第１反射面基板２０は、図４（ｂ）、（ｃ）と図５に示すように、厚さが厚く形成され、反射面２１〜２８を形成する孔２９を深く形成している。この孔２９は第１反射面基板２０にシリコン（１１０）基板を用い、異方性エッチングすることで現れる（１１１）面を利用し、基準平面１１に対して±54.7度傾斜し、かつ、基準平面１１に垂直な互いに直交する二つの平面ＰＬ１，ＰＬ２上に法線を有する反射面２１〜２４と、基準平面１１に対して90度傾斜した反射面２５〜２８とを形成している。
【００３７】
また、光源基板４０の第２反射面基板５０には、平面ＰＬ１上で第１反射面基板２０の反射面２１のエッジ部分に対応する位置に一部を突出させてレーザ媒質で形成され、基準平面１１と平面ＰＬ２とに平行な両方向にレーザ光を放射する第３の光源８２が形成されている。また、励起光源基板７０には発光点４２を形成する励起光源７１を設けるとともに、第３の光源８２に入射するレーザ光を放射する励起光源８３が設けられ、ガラス基板６０には励起光源７１から放射されたレーザ光を発光点４２に集光するマイクロレンズ６１とともに励起光源８３から放射されたレーザ光を第３の光源８２に集光するマイクロレンズ８４が設けられている。
【００３８】
この光源基板４０の第２反射面基板５０が反射面２１〜２８を形成する孔２９を深く形成した第１反射面基板２０に直接接合して、第１反射面基板２０に深く形成された孔２９で第１の周回光路ＰＬ１と第２の周回光路ＰＬ２用の空間を形成している。
【００３９】
この周回光路装置１０ａも周回光路回路１０と同様に励起光源７１で放射されたレーザ光により発光点４２で励起されたレーザ光は、図４（ｃ）に示すように、第１反射面基板２０の相対する反射面２１と反射面２２及び光源基板４０の反射面４１で反射を繰り返して第１の周回光路ＬＣ１を平面ＰＬ１内に形成し、図４（ｂ）に示すように、第１反射面基板２０の相対する反射面２３と反射面２４及び光源基板４０の反射面４１で反射を繰り返して第２の周回光路ＬＣ２を平面ＰＬ２内に形成する。また、励起光源８３で放射されたレーザ光により第３の光源８２で励起された一方のレーザ光は、図４（ａ）に示すように、反射面２５と反射面２７と反射面２６及び反射面２８で順次反射し、他方のレーザ光は反射面２８と反射面２６と反射面２７及び反射面２５で順次反射して基準平面１１と平行な平面ＰＬ３内に第３の周回光路ＬＣ３を形成する。
【００４０】
このように第１反射面基板２０と光源基板４０を接合した簡単な構成で互いに直交した平面内に３つの周回光路ＬＣ１〜ＬＣ３を形成することができる。
【００４１】
前記周回光路装置１０，１０ａでは光源基板４０として第２反射面基板５０とガラス基板６０及び励起光源基板７０を積層した光源基板４０を使用した場合について説明したが、第２の反射面基板５０をガラス基板６０及び励起光源基板７０と分離しても良い。
【００４２】
この第２反射面基板５０をガラス基板６０及び励起光源基板７０と分離した周回光路装置１０ｂを、周回光路装置１０ｂの平面断面図と図６（ａ）と、（ａ）のＢ−Ｂ断面図である図６（ｂ）と（ａ）のＣ−Ｃ断面図である図６（ｃ）を参照して説明する。
【００４３】
周回光路装置１０ｂは、図５に示すように、厚さが厚く形成され、反射面２１〜２８を形成する孔２９を深く形成している第１反射面基板２０の貫通した孔２９の開口面積が大きい基準平面１１側に第２反射面基板５０が接合され、第１反射面基板２０の第２反射面基板５０が接合された面と反対側の面にガラス基板６０と例起用光源基板７０が積層されている。
【００４４】
第２反射面基板５０には、平面ＰＬ１上で第１反射面基板２０の孔２９の中心から所定距離だけ隔てた位置に一部を突出させてレーザ媒質からなる第３の光源８２が形成されている。第３の光源８２の基準平面１１と直交して反射面２１側とは反対側の側面には、図７（ｂ）に示すように、反射膜８５が形成され、反射面２１側の側面には反射防止膜８６が形成されている。また、励起光源基板７０には第２反射面基板５０に発光点４２を形成する励起光源７１と第３の光源８２に入射するレーザ光を放射する励起光源８３が位置をずらして設けられ、ガラス基板６０には励起光源７１から放射されたレーザ光を発光点４２に集光するマイクロレンズ６１とともに励起光源８３から放射されたレーザ光を第２の光源８２に集光するマイクロレンズ８４が設けられている。
【００４５】
この周回光路装置１０ｂで励起光源基板７０に設けられた励起光源７１から放射されたレーザ光はガラス基板６０に形成されたマイクロレンズ６１と第１反射面基板２０の孔２９を通って第２反射面基板５０の固体レーザ媒質５１に集光されて、発光点４２からレーザ光が励起される。この発光点４２で励起されたレーザ光の一部は、図６（ｃ）と図７（ａ）に示すように、第１反射面基板２０の相対する反射面２１と反射面２２及び第２反射面基板５０の反射膜５３で反射を繰り返して第１の周回光路ＬＣ１を平面ＰＬ１内に形成し、発光点４２で励起されたレーザ光の他の一部は、図６（ｂ）に示すように、第１反射面基板２０の相対する反射面２３と反射面２４及び第２反射面基板５０の反射膜５３で反射を繰り返して第２の周回光路ＬＣ２を平面ＰＬ２内に形成する。
【００４６】
また、励起光源基板７０に設けられた励起光源８３から放射されたレーザ光はガラス基板６０に形成されたマイクロレンズ８４と第１反射面基板２０の孔２９を通って第２反射面基板５０の第２の光源８２ａに集光され、第３の光源８２からレーザ光を励起する。この第３の光源８２で励起されたレーザ光は基準平面１１と平行で反射面２１方向に放射され、放射されたレーザ光の一部は、図６（ａ）と図７（ｂ）に示すように、第１反射面基板２０の反射面２５と反射面２８及び第３の光源８２の反射膜８５で反射を繰り返す。この反射を繰り返す反射面２５〜２８の反射率を十分高く設定し、励起光によりパワーを供給してやることにより、第３の光源８２から２つの方向に放射された光は、順逆方向に周回してレーザ発振して基準平面１１と平行な平面ＰＬ３内に鼓形状の第３の周回光路ＬＣ３を形成する。この第３の周回光路ＬＣ３を形成する第３の光源８２に固体レーザを用いると励起光の集光点において熱レンズが形成されるためレーザ光の発散角を調整するマイクロレンズが不要になっている。
【００４７】
このように第２反射面基板５０をガラス基板６０及び励起光源基板７０と分離して第１反射面基板２０の両面に設け、励起光源基板７０に設けた励起光源７１、８３で発生する熱と第２反射面基板５０の発光点４２と第３の光源８２で発生する熱を分散させることにより、局部的に温度上昇が生じることを防ぐことができる。また、各周回光路ＬＣ１〜ＬＣ３を順逆方向に周回するレーザ光の一部を第２反射面基板５０から容易に取り出すことができる。
【００４８】
また、励起光源基板７０には励起光源７１と励起光源８３を異なる位置に配置し、第２反射面基板５０の発光点４２と第３の光源８２の位置も励起光源７１と励起光源８３の位置に応じて異ならせることにより、励起光源７１、８３と発光点４２及び第３の光源８２で発生する熱を分散させることができ、局部的に温度上昇が生じることをより防ぐことができる。
【００４９】
さらに、図８（ａ）の平面断面図と（ｂ）のＢ−Ｂ断面図及び（ｃ）のＣ−Ｃ断面図に示すように、励起光源基板７０の励起光源７１を第１の周回光路ＬＣ１を形成する励起光源７１ａと第２の周回光路ＬＣ２を形成する励起光源７１ｂに分離して第２反射面基板５０に２個の発光点４２ａ，４２ｂを形成しても、前記と同様に三角形状の第１の周回光路ＬＣ１と第２の周回光路ＬＣ２を形成することができるとともに、励起光源７１を励起光源７１ａと励起光源７１ｂとに分離することにより熱源をより分散させることができ、局部的に温度上昇をより低減することができる。
【００５０】
このように互いに直交した平面内に３つの周回光路ＬＣ１〜ＬＣ３を形成する周回光路装置１０，１０ａ，１０ｂを利用することにより、３軸方向の角速度を検出する３軸ジャイロセンサを実現することができる。
【００５１】
図９は例えば周回光路装置１０ｂを利用した３軸ジャイロセンサの構成を示し、（ａ）は３軸ジャイロセンサの平面配置図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図，（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。図に示すように、３軸ジャイロセンサ１００は周回光路装置１０ｃと干渉縞生成手段１１０と干渉縞検出手段１２０及び演算手段１３０を有する。
【００５２】
周回光路装置１０ｂの第２反射面基板５０の底面基板５２とレーザ媒質５１の間に設けた反射膜５３は励起光源７１で発振するレーザ光の一部を反射し、一部を透過する。この第２反射面基板５０には、平面ＰＬ１上で第１反射面基板２０の孔２９の中心から所定距離だけ隔てた位置に一部を突出させてレーザ媒質からなる第３の光源８２が形成されている。第３の光源８２の基準平面１１と直交して反射面２１側と反対側の側面には反射膜８５が形成され、反射面２１側の側面には反射防止膜８６が形成されている。この反射膜８５は第３の光源８２で発振するレーザ光の一部を反射し、一部を透過する。また、また、励起光源基板７０の第２反射面基板５０に発光点４２を形成する励起光源７１は、図８（ａ）に示すように、平面ＰＬ２上で平面ＰＬ１から所定距離だけ反射面２４側に離れた位置に設けられ、第２反射面基板５０の第３の光源８２に入射するレーザ光を放射する励起光源８３は第２反射面基板５０に設けた第３の光源８２と対応する位置に設けられ、励起光源７１と励起光源８３が一直線上にないように配置されている。
【００５３】
干渉縞生成手段１１０は第１プリズム基板１１１と第２プリズム基板１１２を有する。第１プリズム基板１１１は周回光路装置１０ｂの第２反射面基板５０の第１反射面基板２０との接合面は反対の面に設けられ、周回光路装置１０ｃで形成する第１の周回光路ＬＣ１と第２の周回光路ＬＣ２を周回するレーザ光の一部を取り出して干渉させて干渉縞を生成させる。この第１プリズム基板１１１は平行平板状に形成され、直交する２つの側面が平行な上下面に対して角度９０度に対して微小角度α例えば角度９１度だけ傾いた傾斜面からなるプリズム端面１１３ａ、１１３ｂを有する。このプリズム端面１１３ａ、１１３ｂと第１反射面基板２０との接合面とは反対側のプリズム端面１１４とて例えば頂角９１度のコーナー部１１５ａ、１１５ｂを形成している。この第１プリズム基板１１１はコーナー部１１５ａが周回光路装置１０ｃで生成する三角形状をした第１の周回光路ＬＣ１を形成する三角形状の一方の斜辺に相当するレーザ光の光軸近傍になるように配置され、コーナー部１１５ｂが周回光路装置１０ｃで生成する三角形状をした第２の周回光路ＬＣ２を形成する三角形状の一方の斜辺に相当するレーザ光の光軸近傍になるように配置されている。例えば周回光路装置１０ｂの第１反射面基板２０の反射面２２から第２反射面基板５０の反射膜５３に入射して反射膜５３を透過したレーザ光がコーナー部１１５ａ近傍に入射するように配置され、周回光路装置１０ｂの第１反射面基板２０の反射面２４から第２反射面基板５０の反射膜５３に入射して反射膜５３を透過したレーザ光がコーナー部１１５ｂ近傍に入射するように配置されている。
【００５４】
第２プリズム基板１１２は第２反射面基板５０の第１反射面基板２０との接合面の第２の光源８２ａの反射面２１側と反対側の側面の反射膜８５から所定距離だけ隔てた位置に配置され、周回光路装置１０ｂで形成する第３の周回光路ＬＣ２を周回するレーザ光の一部を取り出して干渉させて干渉縞を生成させる。この第２プリズム基板１１２は平行平板状に形成され、一方の側面が平行な上下面に対して角度４５度だけ傾いた傾斜面からなるプリズム端面１１６を有し、プリズム端面１１６と相対する側面は、その側面とプリズム端面面１１６を挟む平行な２側面に対して角度９０度に対して微小角度α例えば角度９１度だけ傾いた傾斜面からなるプリズム端面１１７ａを有する。このプリズム端面１１７ａと第２の光源８２ａとは反対側のプリズム端面１１７ｂとて例えば頂角９１度のコーナー部１１８を形成している。この第２プリズム基板１１１はコーナー部１１８が周回光路装置１０ｂで生成する第３の周回光路ＬＣ３を形成する三角形状の一方の斜辺に相当するレーザ光の光軸近傍になるように配置されている。例えば周回光路装置１０ｂの第１反射面基板２０の反射面２５から第３の光源８２の反射膜８５に入射して反射膜８５を透過したレーザ光がコーナー部１１８近傍に入射するように配置されている。
【００５５】
干渉縞検出手段１２０は検出基板１２１と、検出基板１２１の設けられたＬＣ１検出部１２２ａとＬＣ２検出部１２２ｂ及びＬＣ３検出部１２２ｃを有する。ＬＣ１検出部１２２ａは第１プリズム基板１１１で生成した第１の周回光路ＬＣ１を周回するレーザ光の干渉縞の変化を検出するものであり、周回光路装置１０ｂで生成する第１の周回光路ＬＣ１の三角形状の斜辺に相当するレーザ光の光軸上の位置、例えば周回光路装置１０ｂの第１反射面基板２０の反射面２１から第２反射面基板５０の反射膜５３に入射して反射膜５３を透過したレーザ光を入射するように配置されている。ＬＣ２検出部１２２ｂは第１プリズム基板１１１で生成した第２の周回光路ＬＣ２を周回するレーザ光の干渉縞の変化を検出するものであり、周回光路装置１０ｂで生成する第２の周回光路ＬＣ２の三角形状の斜辺に相当するレーザ光の光軸上の位置、例えば周回光路装置１０ｂの第１反射面基板２０の反射面２３から第２反射面基板５０の反射膜５３に入射して反射膜５３を透過したレーザ光を入射するように配置されている。ＬＣ３検出部１２２ｃは第２プリズム基板１１２で生成した第３の周回光路ＬＣ３を周回するレーザ光の干渉縞の変化を検出するものであり、例えば周回光路装置１０ｂの第１反射面基板２０の反射面２８から第３の光源８２の反射膜８５に入射して反射膜８５を透過したレーザ光が第２プリズム基板１１２の角度４５度で傾いたプリズム端面１１６に入射して反射したレーザ光を入射するように配置されている。
【００５６】
演算手段１３０はＬＣ１検出部１２２ａとＬＣ２検出部１２２ｂ及びＬＣ３検出部１２２ｃで検出した第１の周回光路ＬＣ１と第２の周回光路ＬＣ２及び第３の周回光路ＬＣ３を周回するレーザ光の干渉縞の変化から３軸回りの角速度を演算する。
【００５７】
この３軸ジャイロセンサ１００の干渉縞生成手段１１０の第１プリズム基板１１１で第１の周回光路ＬＣ１を周回するレーザ光の干渉縞を生成して角速度を求める処理を図９（ｃ）と図１０（ａ）の部分断面図を参照して説明する。
【００５８】
周回光路装置１０ｂで第１の周回光路ＬＣ１を周回するレーザ光の一部は第２反射面基板５０の底面基板５２とレーザ媒質５１の間に設けた反射膜５３を透過して干渉縞生成手段１１０の第１プリズム基板１１１に入射する。この第１プリズム基板１１１に入射する第１の周回光路ＬＣ１のレーザ光は順逆方向の両方向に発振しているため、第１プリズム基板１１１内を２方向に進み、第１の周回光路ＬＣ１を反時計回りで周回して第１反射面基板２０の反射面２１から第２反射面基板５０の反射膜５３に入射して反射膜５３を透過したレーザ光は第１プリズム基板１１１を透過してＬＣ１検出部１２２ａに入射する。一方、第１の周回光路ＬＣ１を反時計回りで周回して第１反射面基板２０の反射面２２から第２反射面基板５０の反射膜５３に入射して反射膜５３を透過したレーザ光は第１プリズム基板１１１のコーナー部１１５ａに入射してプリズム端面１１４とプリズム端面１１３ａの両方で反射してコーナー部１１５ａへの入射光路から僅かにずれて戻り、第２反射面基板５０の反射膜５３で反射してＬＣ１検出部１２２ａに入射する。
【００５９】
このようにしてＬＣ１検出部１２２ａに重なり合せて入射するレーザ光は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。この干渉縞の明暗の様子をＬＣ１検出部１２２ａにより検出し、演算手段１３０で所定の演算を行って角速度を算出する。
【００６０】
すなわち、第１の周回光路ＬＣ１を周回するレーザ光は順逆方向に周回しており、光路長を共振長としてレーザ発振している。この状態で、第１の周回光路ＬＣ１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して角速度を求めることができる。
【００６１】
例えば図１１に発生する干渉縞１４０の様子を模式的に示す。図１１（ａ）は角速度が零の状態における干渉縞１４０の状態（基準状態）を示し、図１１（ｂ）、（ｃ）は、第１の周回光路ＬＣ１が、図１０（ｃ）の図面に直交する軸の回りに時計方向と反時計方向の回転を生じたときの干渉縞１４０の様子を示している。図１１に示すように回転方向が時計方向であるか反時計方向であるかにより、干渉縞１４０は基準状態から右あるいはは左へずれ、そのずれ量はビート周波数に対応し、回転の角速度に比例する。
すなわち演算される角速度Ωは、ビート周波数をｆ、第１の周回光路ＬＰ１が１平面内で形成する３角形の面積をＳ、第１の周回光路ＬＣ１の光路長をＬ、レーザ光の波長をλとすると次式で与えられる。
Ω＝Ｌ・λ・ｆ／４Ｓ
ここでビート周波数ｆは干渉縞１４０の変位量により求められるので、ＬＣ１検出部１２２ａの出力を演算手段１３０に入力して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。
【００６２】
同様にして第１プリズム基板１１１で第２の周回光路ＬＣ２を周回するレーザ光の干渉縞を生成して角速度を求めることができる。
【００６３】
次に第３の周回光路ＬＣ３を周回するレーザ光の干渉縞を生成して角速度を求める処理を図１０（ｂ）の平面配置図と（ｃ）の部分断面図を参照して説明する。
【００６４】
周回光路装置１０ｂで第３の周回光路ＬＣ３を周回するレーザ光の一部は第３の光源８２の反射膜８５を透過して干渉縞生成手段１１０の第２プリズム基板１１２に入射する。この第２プリズム基板１１２に入射する第３の周回光路ＬＣ３のレーザ光は順逆方向の両方向に発振しているため、第２プリズム基板１１２内を２方向に進む。第３の周回光路ＬＣ３を反時計回りで周回して反射面２８で反射して第２の光源８２ａの反射膜８５を透過したレーザ光は第２プリズム１１２に入射して角度４０度だけ傾斜したプリズム端面１１６で反射して角度９０度だけ向きを変えてＬＣ３検出部１２２ｃに入射する。一方、第３の周回光路ＬＣ３を時計回りで周回して反射面２５で反射して第２の光源８２ａの反射膜８５を透過したレーザ光は第２プリズム基板１１２のコーナー部１１８に入射してプリズム面１１７ｂとプリズム面１１７ａの両方で反射してコーナー部１１８への入射光路から僅かにずれて第２の光源８２ａの反射膜８５に戻り、反射膜８５で反射してプリズム端面１１６で角度９０度向きを変えてＬＣ３検出部１２２ｃに入射して干渉縞を生じる。この干渉縞の明暗の様子をＬＣ１検出部１２２ｃにより検出し、演算手段１３０で所定の演算を行って第３の周回光路ＬＣ３と直交する軸方向の角速度を算出する。
【００６５】
このようにして周回光路装置１０ｂを利用して３軸方向の角速度を検出することができる。
【００６６】
前記説明では周回光路装置１０ｂを利用した３軸ジャイロセンサ１００について説明したが、周回光路装置１０、１０ａを利用して３軸ジャイロセンサを形成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】この発明の周回光路装置の構成図である。
【図２】周回光路装置の第１反射面基板の構成を示す斜視図である。
【図３】周回光路装置の光源基板の構成を示す断面図である。
【図４】この発明の第２の周回光路装置の構成図である。
【図５】第２の周回光路装置の第１反射面基板の構成を示す斜視図である。
【図６】この発明の第３の周回光路装置の構成図である。
【図７】第３の周回光路装置における周回光路ＬＣ１と周回光路ＬＣ３を形成するレーザ光の励起状態を示す部分断面図である。
【図８】第３の周回光路装置の他の構成図である。
【図９】この発明の３軸ジャイロセンサの構成図である。
【図１０】干渉縞生成手段と干渉縞検出手段の構成図である。
【図１１】３軸ジャイロセンサで生成した干渉縞を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６８】
１０；周回光路装置、１１；基準平面、２０；第１反射面基板、
２１〜２８；反射面、２９；孔、３０；スペーサ基板、４０；光源基板、
４１；反射面、５０；第２反射面基板、５１；固体レーザ媒質、５２；底面基板、
５３；反射膜、５４；反射防止膜、６０；ガラス基板、６１；マイクロレンズ、
７０；励起光源基板、７１；励起光源、８０；第２の光源、
８１；マイクロレンズ、８２；第３の光源、８３；励起光源、
８４；マイクロレンズ、１００；３軸ジャイロセンサ、１１０干渉縞生成手段、
１１１；第１プリズム基板、１１２；第２プリズム基板、１２０；干渉縞検出手段、
１２１；検出基板、１２２ａ；ＬＣ１検出部，１２２ｂ；ＬＣ２検出部、
１２２ｃ；ＬＣ３検出部、１３０；演算手段、ＬＣ１〜ＬＣ３；周回光路。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準平面を有する基体と、前記基体の基準平面に直交する方向で、前記基準平面に対して平行に積層される１以上の基板と、複数の光源とを有し、
前記基体には、前記基準平面に垂直な第１の平面内にそれぞれ法線を有し、前記基準平面に対して所定角度傾斜して形成された少なくとも２つの反射面と、前記基準平面に垂直で、かつ、前記第１の平面と交叉する第２の平面内にそれぞれ法線を有し、前記基準平面に対して所定角度傾斜して形成された少なくとも２つの反射面と、前記基準平面に平行な第３の平面内に法線を有する複数の反射面を有し、
前記１以上の基板には前記基準平面に対して平行な反射面を有し、
前記複数の光源のいずれか一部の光源は、前記第１の平面及び第２の平面内に光を放射するように配置され、該光源から放射された光が、前記第１の平面と第２の平面内に法線を有する反射面と前記基準平面に対して平行な反射面により前記２平面内を順逆方向に周回してレーザ発振する第１の周回光路と第２の周回光路を形成し、
前記複数の光源の他の光源は、前記第３の平面内に光を放射するように配置され、該光源から放射された光が、前記複数の反射面により第３の平面内を順逆方向に周回してレーザ発振する第３の周回光路を形成していることを特徴とする周回光路装置。
【請求項２】
前記基体は、シリコン（１１０）面を表面とするシリコン基板であり、
前記基準平面に直交する第１及び第２の周回光路は、前記基体に異方性エッチングを施して得られる基準平面とのなす角が略54.7度の（１１１）面を反射面の一部として利用して形成され、
前記基準平面に平行な平面内を周回する第３の周回光路は、前記基体に異方性エッチングを施して得られる基準平面とのなす角が略90度の（１１１）面を反射面として利用して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の周回光路装置。
【請求項３】
前記各周回光路のうち少なくとも１つの周回光路において、周回光路を形成する光源の発光点が、周回光路を形成する１つの反射面上に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の周回光路装置。
【請求項４】
前記基準平面に対して平行に積層される基板は、前記第１及び第２の周回光路を形成する光源を有する光源基板であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の周回光路装置。
【請求項５】
前記光源は、光を照射することにより光を放射する光励起の固体光源媒質からなり、
前記基体は、前記固体光源媒質を有する基板と、前記固体光源媒質を励起する励起光源を有する励起光源基板が積層され、該励起光源基板に配置された複数の励起光源により前記固体光源媒質上における異なる複数の点を励起して複数の異なる発光点から光を放射させて前記第１から第３の周回光路を形成していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の周回光路装置。
【請求項６】
前記第３の周回光路は、基準平面に平行な第３の平面内に法線を有する２つの反射面と前記基板上に実装された光源の反射面とで形成されている三角形状の周回光路であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の周回光路装置。
【請求項７】
前記第３の周回光路の光源は、光を照射することにより光を放射する光励起の固体光源媒質からなり、前記基体に突出して積層され、前記基体に積層された励起光源基板から出射されたレーザ光により励起されて前記第３の平面内にレーザ光を放射することを特徴とする請求項６記載の周回光路装置。
【請求項８】
前記励起光源基板は、前記基体を挟んで前記固体光源媒質を有する基板とは反対側に配置されていることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の周回光路装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の周回光路装置と、
前記周回光路装置で形成する第１の周回光路と第２の周回光路及び第３の周回光路をそれぞれ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て干渉縞を生成させる干渉縞生成手段と、
前記干渉縞生成手段で生成している各周回光路における干渉縞の変化を検出する干渉縞検出手段と、
前記干渉縞検出手段で検出した各周回光路における干渉縞の変化に基づき３軸回りの角速度を演算する演算手段と、
を有することを特徴とする３軸リングレーザジャイロ。
【請求項１】
基準平面を有する基体と、前記基体の基準平面に直交する方向で、前記基準平面に対して平行に積層される１以上の基板と、複数の光源とを有し、
前記基体には、前記基準平面に垂直な第１の平面内にそれぞれ法線を有し、前記基準平面に対して所定角度傾斜して形成された少なくとも２つの反射面と、前記基準平面に垂直で、かつ、前記第１の平面と交叉する第２の平面内にそれぞれ法線を有し、前記基準平面に対して所定角度傾斜して形成された少なくとも２つの反射面と、前記基準平面に平行な第３の平面内に法線を有する複数の反射面を有し、
前記１以上の基板には前記基準平面に対して平行な反射面を有し、
前記複数の光源のいずれか一部の光源は、前記第１の平面及び第２の平面内に光を放射するように配置され、該光源から放射された光が、前記第１の平面と第２の平面内に法線を有する反射面と前記基準平面に対して平行な反射面により前記２平面内を順逆方向に周回してレーザ発振する第１の周回光路と第２の周回光路を形成し、
前記複数の光源の他の光源は、前記第３の平面内に光を放射するように配置され、該光源から放射された光が、前記複数の反射面により第３の平面内を順逆方向に周回してレーザ発振する第３の周回光路を形成していることを特徴とする周回光路装置。
【請求項２】
前記基体は、シリコン（１１０）面を表面とするシリコン基板であり、
前記基準平面に直交する第１及び第２の周回光路は、前記基体に異方性エッチングを施して得られる基準平面とのなす角が略54.7度の（１１１）面を反射面の一部として利用して形成され、
前記基準平面に平行な平面内を周回する第３の周回光路は、前記基体に異方性エッチングを施して得られる基準平面とのなす角が略90度の（１１１）面を反射面として利用して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の周回光路装置。
【請求項３】
前記各周回光路のうち少なくとも１つの周回光路において、周回光路を形成する光源の発光点が、周回光路を形成する１つの反射面上に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の周回光路装置。
【請求項４】
前記基準平面に対して平行に積層される基板は、前記第１及び第２の周回光路を形成する光源を有する光源基板であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の周回光路装置。
【請求項５】
前記光源は、光を照射することにより光を放射する光励起の固体光源媒質からなり、
前記基体は、前記固体光源媒質を有する基板と、前記固体光源媒質を励起する励起光源を有する励起光源基板が積層され、該励起光源基板に配置された複数の励起光源により前記固体光源媒質上における異なる複数の点を励起して複数の異なる発光点から光を放射させて前記第１から第３の周回光路を形成していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の周回光路装置。
【請求項６】
前記第３の周回光路は、基準平面に平行な第３の平面内に法線を有する２つの反射面と前記基板上に実装された光源の反射面とで形成されている三角形状の周回光路であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の周回光路装置。
【請求項７】
前記第３の周回光路の光源は、光を照射することにより光を放射する光励起の固体光源媒質からなり、前記基体に突出して積層され、前記基体に積層された励起光源基板から出射されたレーザ光により励起されて前記第３の平面内にレーザ光を放射することを特徴とする請求項６記載の周回光路装置。
【請求項８】
前記励起光源基板は、前記基体を挟んで前記固体光源媒質を有する基板とは反対側に配置されていることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の周回光路装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の周回光路装置と、
前記周回光路装置で形成する第１の周回光路と第２の周回光路及び第３の周回光路をそれぞれ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て干渉縞を生成させる干渉縞生成手段と、
前記干渉縞生成手段で生成している各周回光路における干渉縞の変化を検出する干渉縞検出手段と、
前記干渉縞検出手段で検出した各周回光路における干渉縞の変化に基づき３軸回りの角速度を演算する演算手段と、
を有することを特徴とする３軸リングレーザジャイロ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−２９４１６５（Ｐ２００９−２９４１６５Ａ）
【公開日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１５０４２２（Ｐ２００８−１５０４２２）
【出願日】平成２０年６月９日（２００８．６．９）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月９日（２００８．６．９）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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