專利名稱:廉價環(huán)形激光角速度傳感器的制作方法
本發(fā)明涉及環(huán)形激光角速度傳感器的新型結(jié)構(gòu)，特別涉及其制造成本低于現(xiàn)有技術(shù)各種結(jié)構(gòu)的一種結(jié)構(gòu)。
經(jīng)過多年研究以后，環(huán)形激光角速度傳感器(通常稱之為環(huán)形激光陀螺)已經(jīng)成為商業(yè)上成功的產(chǎn)品，并且在許多應用中正在迅速取代傳統(tǒng)的機械式角速度傳感器?，F(xiàn)今，大多數(shù)商品化的環(huán)形激光角速度傳感器采用一種熱穩(wěn)定和機械穩(wěn)定的整體結(jié)構(gòu)，以及美國專利3，390，606、3，467，472和3，373，650所講授的高頻機械振動原理。
已經(jīng)證明這些現(xiàn)有技術(shù)的環(huán)形激光角速度傳感器的工作相當令人滿意，并且如前面已經(jīng)指出的，在某些應用中正在迅速地得到普遍的肯定。但是這些現(xiàn)有技術(shù)的環(huán)形激光角速度傳感器造價昂貴。
本發(fā)明的目的是提供環(huán)形激光角速度傳感器的一種造價低廉的新型結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種環(huán)形激光角速度傳感器，其整個尺寸(包括其高頻振動電機)特別小，例如直徑小于2吋。
簡單地說，本發(fā)明希望提供一種由實心玻璃塊構(gòu)成的環(huán)形激光角速度傳感器，在該玻璃塊上加工了激光光路，并用熱成形封接劑將反射鏡粘結(jié)到該玻璃塊上。一個小曲率半徑的再聚焦鏡與短腔長相結(jié)合是這種新型結(jié)構(gòu)的特點。
圖1是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的環(huán)形激光角速度傳感器的部分剖開的平面視圖;
圖2是一個部分側(cè)視圖，表示密封到環(huán)形激光角速度傳感器玻璃塊上的反射鏡細部;
圖3是激光腔和凹面聚光鏡的示意圖;
圖4是表示激光器電極結(jié)構(gòu)的部分側(cè)視圖;
圖5是在申請人的發(fā)明實踐中一種有效的簡單的新型腔長控制裝置的細部側(cè)視圖;
圖6是圖5結(jié)構(gòu)的放大了的細部視圖。
現(xiàn)在參照圖1，一個硅酸鹽玻璃塊10(特別是光學硅酸硼玻璃，最好是BK-7玻璃-字母和數(shù)字結(jié)合是肖特〔Schott〕光學公司的商品命名方法)具有在其內(nèi)部加工的通孔12a、12b、和12c，這些通孔形成一個三角形激光腔。反射鏡14ac、14ab和14bc在光路12的交叉點處裝在玻璃塊上?？梢岳斫?，能夠按照本發(fā)明構(gòu)成帶有一個三角形激光腔或者其它腔結(jié)構(gòu)(包括一種立方體腔)的環(huán)形激光角速度傳感器。
這些反射鏡以及它們?nèi)绾窝b到玻璃塊10上，將在下文中詳細敘述。每一個反射鏡除了改變激光束的方向以外，還完成下述功能鏡14ac是部分透過的，用來提供一個讀出光束信號;鏡14ab是凹面鏡，使相向旋轉(zhuǎn)的激光束聚焦;鏡14bc控制腔內(nèi)光路長度，裝在鏡14ab上的傳感器15給鏡14bc提供腔內(nèi)光路長度控制信號，這和現(xiàn)有技術(shù)的環(huán)形激光角速度傳感器一樣。一種適宜于與鏡14ac結(jié)合使用的讀出裝置在基爾帕特里克(Killpatrick)的題目為“環(huán)形激光角速度傳感器的讀出裝置”的共同未決申請中公開了。
一個陽極16和一對陰極18、20固定在玻璃塊上，這將結(jié)合圖4詳細地敘述。正如本技術(shù)領域：
中的技術(shù)熟練人員可以理解的那樣，這些電極給腔內(nèi)充滿的氣體提供電能，并產(chǎn)生相向旋轉(zhuǎn)的激光束。
在陽極和陰極裝到玻璃塊上的地方加工有通向玻璃塊內(nèi)部的通道22a、22b、22c。這些通道使激光氣體可以接觸到陽極和陰極的內(nèi)表面。更有利的是通道22a、22b、22c伸到玻璃塊里面橫穿過光路，還超出一些，以提供貯氣區(qū)來增加系統(tǒng)總的氣體體積。
一個通孔26在垂直于光路12的平面的方向上，整個貫穿過玻璃塊10。這個通孔可以用來裝一個小型的高頻振動電機，最好是在基爾帕特里克(Killpatrick)于1985年5月10日的同一天遞交的，題目為“支撐環(huán)形激光角速度傳感器的高頻振動機構(gòu)”的共同未決申請中公開的那種。
雖然根據(jù)本發(fā)明講授的環(huán)形激光角速度傳感器的結(jié)構(gòu)是新穎的，但是它的基本工作原理與現(xiàn)有技術(shù)的環(huán)形激光角速度傳感器一樣。簡短地說，玻璃塊10里面的激光腔充滿氦氖混合的激光氣體，陽極16和陰極18、20之間的電場在玻璃塊10的內(nèi)部光路12中產(chǎn)生相向旋轉(zhuǎn)的激光束。玻璃塊10的旋轉(zhuǎn)引起相向旋轉(zhuǎn)激光束中的一個增加旋轉(zhuǎn)頻率，另一個減小旋轉(zhuǎn)頻率。頻率差由裝在反射鏡14ac上的一個適當?shù)膫鞲衅鳈z測。該光電探測器的輸出信號以本技術(shù)領域：
中的技術(shù)熟練人員熟知的適當方式進行處理。
現(xiàn)在參照圖2，根據(jù)本發(fā)明的講授，對降低結(jié)構(gòu)成本做出重要貢獻的，是在反射鏡14和實心玻璃塊10之間采用熔融封接，取代現(xiàn)有技術(shù)的環(huán)形激光角速度傳感器中一般使用的光學接觸。在本發(fā)明的較佳實施例中，環(huán)形激光角速度傳感器玻璃塊10是一塊實心的BK-7玻璃塊，如前所述，在它里面加工了激光光路。每個反射鏡的基片42也是用BK-7玻璃做的。以本技術(shù)領域：
中技術(shù)熟練人員熟悉的適當方式，在基片42的表面形成一層激光反射膜。一種由一層二氧化鈦和一層二氧化硅組成的膜是適用的。
實心玻璃塊10、基片42和膜24的選擇取決于這三者需要具有相近的膨脹系數(shù)?？梢圆捎靡环N熱成形的熔融封接法把基片42封接到玻璃塊10上。正如本技術(shù)領域：
中的技術(shù)熟練人員會理解的，這種熔融封接是用一種焊接玻璃或熔融材料36經(jīng)過升溫過程形成的，在這個過程中溫度升高到450°～500℃，持續(xù)一段時間，這特別需要各個部分具有相近的溫度膨脹系數(shù)。
現(xiàn)在參照圖3，平面反射鏡14bc、14ac和凹面反射鏡使激光束在通道12ab、12ac和12bc組成的腔內(nèi)相向旋轉(zhuǎn)。腔限制該激光束，使激光束相對于玻璃塊的角畸變穩(wěn)定，并且迫使激光以單一的橫模振蕩。應該選擇激光增益管的直徑，使得提供的增益和腔間孔徑能夠去掉離軸模式。已經(jīng)證明增益管的直徑為0.030吋是令人滿意的。
重要的是根據(jù)本發(fā)明講授的環(huán)形激光角速度傳感器有一個短腔。申請人確定了大約2.4吋的腔長是令人滿意的。通常不使用超過6吋的腔長。
聚焦鏡14ab有一個小曲率半徑的反射曲面。隨著反射鏡14ab的曲率半徑減小，激光腔所能允許的失調(diào)量增加到一個極限，這時曲率半徑等于腔長。超出這個范圍，即曲率半徑小于腔長，激光束成為不穩(wěn)定的。在本發(fā)明的較佳實施例中，反射鏡14ab的曲率半徑是15-20厘米，腔長大約6厘米?？梢噪S腔長變化的曲率半徑在等于腔長的下限到6倍于腔長的上限之間變化。
現(xiàn)在參照圖4，象在現(xiàn)有技術(shù)的裝置中一樣，電極提供與激光氣體的電接觸。一個陽極和兩個陰極三者中的每一個都做得與玻璃塊10的熱膨脹系數(shù)相匹配。這使得能采用熱粘結(jié)法將電極固定到玻璃塊10上，并且在它們之間保證真空密封。為此，基塊32由鐵鎳合金制造，其內(nèi)表面鍍一薄層鋁34。鐵-鎳比可以調(diào)節(jié)到使這種殷鋼型材料具有與玻璃塊10相近的熱膨脹系數(shù)。為了與BK-7玻璃塊匹配，大約49%的鎳、50%的鐵和1%的改善機加工性能的材料等的混合物是令人滿意的。應該注意，電極壁應該是薄的，以便在電極裝到玻璃塊上的地方有柔軟性。這種結(jié)構(gòu)補償由于熱應力或機械應力所造成的玻璃塊和電極之間的任何相對位移。
現(xiàn)在參照圖5，象在現(xiàn)有技術(shù)中一樣，一個腔長控制鏡根據(jù)本技術(shù)領域：
的技術(shù)熟練人員所熟悉的技術(shù)，保持腔長是波長的整數(shù)倍。但是圖5中給出的腔長控制鏡的結(jié)構(gòu)是新穎的和便利的，因為它非常簡單，并且比現(xiàn)有技術(shù)中采用的那些更直截了當。
這個新穎的腔長控制鏡包括一個帶有反射膜24的基片42′它們以前面結(jié)合圖2所說明過的方式固定到玻璃塊10上。基片42比較薄，例如，在一個實施例中厚0.020吋。粘結(jié)到基片42上的是兩片壓電晶片44和46。正如本技術(shù)領域：
中的技術(shù)熟練人員會理解的，晶片44和46相互間的排列取向使得消除溫度變化的影響。每片晶片最好是鏡基片厚度的二分之一。
現(xiàn)在參照圖6以及圖5，導電電極48淀積在每一個壓電晶片44和46的整個上表面和整個下表面上。下面的晶片44用一種適當?shù)沫h(huán)氧樹脂粘結(jié)到鏡基片42上，類似地，上面的晶片46用環(huán)氧樹脂粘結(jié)到下面的晶片44上。導電薄片52裝到電極表面上，使適當?shù)男盘栺詈系綁弘娋希则?qū)動鏡基片，改變腔長，使腔長是波長的整數(shù)倍。
本技術(shù)領域：
中的技術(shù)熟練人員會理解，這里公開的僅僅是本發(fā)明的較佳實施例，在不偏離本發(fā)明所附的權(quán)利要求
中所限定的實質(zhì)精神和范圍的條件下，可以改變和修正實施例。
特別適于與這里公開的新型環(huán)形激光角速度傳感器一起使用的，一種小型機械高頻振動電機在題目為“一種支撐環(huán)形激光角速度傳感器的高頻振動機構(gòu)”的共同未決申請中公開了，該申請由漢斯(Hamse)等人在1985年5月10日的同一天遞交，并轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的相同受讓人。
權(quán)利要求
1.在其中傳播相向旋轉(zhuǎn)激光束的一種環(huán)形激光角速度傳感器，其特征在于包括一個玻璃塊10，在所說的玻璃塊10中的一些通孔12，一些反射鏡14，每一個都包括在一個基片上的一層反射膜，每一個所說的反射鏡用所說的基片與所說的玻璃塊之間的熱成形封接劑固定到所說的玻璃塊上，并且位于一對所說的通孔的交叉點處，該通孔在所說的玻璃塊中形成一個閉環(huán)諧振腔，所說的玻璃塊、所說的基片和所說的反射膜具有相近的熱膨脹系數(shù)。
2.在其中傳播相向旋轉(zhuǎn)激光束的一種環(huán)形激光角速度傳感器，其特征在于包括一個玻璃塊10，在所說的玻璃塊10中的一些通孔12，一些反射鏡14，每一個都包括在一個基片上的一層反射膜，每一個所說的反射鏡用所說的基片與所說的玻璃塊之間的熱成形封接劑固定到所說的玻璃塊上，并且位于一對所說的通孔的交叉點處，該通孔在所說的玻璃塊中形成一個閉環(huán)諧振腔。所說的反射鏡中有一個有反射面14ab，其曲率半徑足以穩(wěn)定地使所說的激光束聚焦，所說的玻璃塊、所說的基片和所說的反射膜具有相近的熱膨脹系數(shù)。
3.在其中傳播相向旋轉(zhuǎn)激光束的一種環(huán)形激光角速度傳感器，其特征在于包括一個玻璃塊10，在所說的玻璃塊10中的一些通孔12，一些反射鏡14，每一個都包括在一個基片上的一層反射膜，每一個所說的反射鏡用所說的基片與所說的玻璃塊之間的熱成形封接劑固定到所說的玻璃塊上，并且位于一對所說的通孔的交叉點處，該通孔在所說的玻璃塊中形成一個閉環(huán)諧振腔，所說的反射鏡中有一個有反射面14ab，其曲率半徑足以穩(wěn)定地使所說的激光束聚焦，一些電極16、18、20，每一個都包括一個有內(nèi)部鋁鍍層的基塊，在該基塊和所說的玻璃塊之間用墊成形封接劑將該基塊固定到所說的玻璃塊上，所說的玻璃塊、所說的基塊、所說的基片和所說的反射膜具有相近的熱膨脹系數(shù)。
4.在其中傳播相向旋轉(zhuǎn)激光束的一種環(huán)形激光角速度傳感器，其特征在于包括一個玻璃塊10，在所說的玻璃塊10中的一些通孔12，一些反射鏡14，每一個都包括在一個基片上的一層反射膜，每一個所說的反射鏡用所說的基片與所說的玻璃塊之間的熱成形封接劑固定到所說的玻璃塊上，并且位于一對所說的通孔的交叉點處，該通孔在所說的玻璃塊中形成一個閉環(huán)諧振腔，所說的玻璃塊、所說的基片和所說的反射膜具有相近的熱膨脹系數(shù)，粘結(jié)到另一個所說的反射鏡的基片表面的壓電晶體44、46，所說的壓電晶體其上有導電鍍層，用來給所說的壓電晶體耦合一個電信號，以驅(qū)動所說的基片，改變所說的腔長。
5.在其中傳播相向旋轉(zhuǎn)激光束的一種環(huán)形激光角速度傳感器，其特征在于包括一個玻璃塊10，在所說的玻璃塊10中的一些通孔12，一些反射鏡14，每一個都包括在一個基片上的一層反射膜，每一個所說的反射鏡用所說的基片與所說的玻璃塊之間的熱成形封接劑固定到所說的玻璃塊上，并且位于一對所說的通孔的交叉點處，該通孔在所說的玻璃塊中形成一個閉環(huán)諧振腔，所說的反射鏡中有一個有反射面14ab，其曲率半徑足以穩(wěn)定地使所說的激光束聚焦，所說的玻璃塊、所說的基片和所說的反射膜具有相近的熱膨脹系數(shù)，粘結(jié)到另一個所說的反射鏡的基片表面的壓電晶體44、46，所說的壓電晶體其上有導電鍍層，用來給所說的壓電晶體耦合一個電信號，以驅(qū)動所說的基片，改變所說的腔長。
6.在其中傳播相向旋轉(zhuǎn)激光束的一種環(huán)形激光角速度傳感器，其特征在于包括一個玻璃塊10，在所說的玻璃塊10中的一些通孔12，一些反射鏡14，每一個都包括在一個基片上的一層反射膜，每一個所說的反射鏡用所說的基片與所說的玻璃塊之間的熱成形封接劑固定到所說的玻璃塊上，并且位于一對所說的通孔的交叉點處，該通孔在所說的玻璃塊中形成一個閉環(huán)諧振腔，所說的反射鏡中有一個有反射面14ab，其曲率半徑足以穩(wěn)定地使所說的激光束聚焦，一些電極16、18、20，每一個都包括一個有內(nèi)部鋁鍍層的基塊，在該基塊和所說的玻璃塊之間用熱成形封接劑將該基塊固定到所說的玻璃塊上，所說的玻璃塊、所說的基塊、所說的基片和所說的反射膜具有相近的熱膨脹系數(shù)，粘結(jié)到另一個所說的反射鏡的基片表面的壓電晶體44、46，所說的壓電晶體其上有導電鍍層，用來給所說的壓電晶體耦合一個電信號，以驅(qū)動所說的基片，改變所說的腔長。
7.如權(quán)利要求
1中的環(huán)形激光角速度傳感器，其中所說的玻璃塊和所說的基片由光學硅酸硼玻璃制成，并且所說的熱成形封接是熔融封接。
8.如權(quán)利要求
2中的環(huán)形激光角速度傳感器，其中所說的玻璃塊和所說的基片由光學硅酸硼玻璃制成，并且所說的熱成形封接是熔融封接。
9.如權(quán)利要求
8中的環(huán)形激光角速度傳感器，其中所說的曲率半徑是在所說的腔長的1倍到6倍的范圍之內(nèi)。
10.如權(quán)利要求
9中的環(huán)形激光角速度傳感器，其中所說的腔長小于6吋。
11.如權(quán)利要求
7中的環(huán)形激光角速度傳感器，其中所說的通孔加工在所說的玻璃塊中。
12.如權(quán)利要求
8中的環(huán)形激光角速度傳感器，其中所說的通孔加工在所說的玻璃塊中。
13.如權(quán)利要求
11中的環(huán)形激光角速度傳感器，其中所說的光學硅酸硼玻璃是BK-7。
14.如權(quán)利要求
12中的環(huán)形激光角速度傳感器，其中所說的光學硅酸硼玻璃是BK-7。
專利摘要
公開一種在一個玻璃塊10中有一些通孔12的環(huán)形激光角速度傳感器，這些通孔由反射鏡組件用熱成形封接劑36密封住。
文檔編號G01C19/64GK86103124SQ86103124
公開日1986年11月26日 申請日期1986年5月5日
發(fā)明者馬克·W·維伯, 哈里·A·古斯塔夫森 申請人:霍尼韋爾公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan