特開 2015-163875 核磁気共鳴ジャイロスコープシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2015-163875(P2015-163875A)

(43)【公開日】2015年9月10日

(54)【発明の名称】核磁気共鳴ジャイロスコープシステム

(51)【国際特許分類】

   G01C 19/62 20060101AFI20150814BHJP

   G01N 24/00 20060101ALI20150814BHJP

   G01R 33/26 20060101ALI20150814BHJP

【ＦＩ】

   G01C19/62

   G01N24/00 Z

   G01R33/26

【審査請求】有

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2015-31905(P2015-31905)

(22)【出願日】2015年2月20日

(31)【優先権主張番号】14/188,405

(32)【優先日】2014年2月24日

(33)【優先権主張国】US

(71)【出願人】

【識別番号】503178185

【氏名又は名称】ノースロップ グラマン システムズ コーポレイション

【氏名又は名称原語表記】ＮＯＲＴＨＲＯＰ ＧＲＵＭＭＡＮ ＳＹＳＴＥＭＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(74)【代理人】

【識別番号】100142907

【弁理士】

【氏名又は名称】本田 淳

(72)【発明者】

【氏名】マイケル ディ．ブラトヴィッツ

(72)【発明者】

【氏名】マイケル エス．ラーセン

(57)【要約】      （修正有）

【課題】核地磁場から等の外部磁場からの干渉が実質的に軽減される、磁気共鳴ジャイロスコープシステムを提供する。
【解決手段】アルカリ金属１４及び磁気回転同位体１６を包囲する蒸気セル１２を含む。ＮＭＲジャイロスコープシステムの受感軸とアライメントされ、蒸気セルを通して供給されることにより、アルカリ金属及び磁気回転同位体の歳差運動を生じさせる磁場を生成する磁場源１８も含む。蒸気セル内のアルカリ金属を分極させることにより、アルカリ金属及び磁気回転同位体の歳差運動を促進する光ビームを生成するレーザ２０も含む。蒸気セルから出射する光ビームに相当する検出ビームの測定された特性に基づいて、受感軸周りの回転角を計算するように構成された角回転センサ２４をさらに含み、この特性は、磁気回転同位体の歳差運動に関連する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムであって、
アルカリ金属及び磁気回転同位体を包囲するように密封された蒸気セルと、
前記ＮＭＲジャイロスコープシステムの受感軸とアライメントされ、前記蒸気セルを通して供給されることにより、前記アルカリ金属及び前記磁気回転同位体の歳差運動を生じさせる磁場を生成するように構成された磁場源と、
前記蒸気セル内の前記アルカリ金属を分極させて、前記アルカリ金属及び前記磁気回転同位体の前記歳差運動を促進する光ビームを生成するように構成されたレーザと、
前記蒸気セルから出射する前記光ビームに相当する検出ビームの測定された特性に基づいて、前記受感軸周りの回転角を計算するように構成された角回転センサとを備え、
前記特性は、前記磁気回転同位体の前記歳差運動に関連する、システム。

【請求項2】

前記角回転センサは、
前記アルカリ金属による前記光ビームの吸収に対応する前記検出ビームの強度をモニタリングするように構成された光検出器を含み、
前記検出ビームは、
前記アルカリ金属の歳差運動周波数に相当する搬送波周波数を有する、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記光ビームは、前記磁場に対してオフセット角で前記蒸気セルを通して供給される、請求項１に記載のシステム。

【請求項4】

前記オフセット角は、前記アルカリ金属の歳差運動の全周期中の前記アルカリ金属による前記光ビームの最小吸収と最大吸収との最大信号対雑音比に関連する最適角に相当する、請求項３に記載のシステム。

【請求項5】

前記磁場源は、第１の磁場を生成するように構成された第１の磁場源であり、
前記システムは、
前記第１の磁場に対して直角な方向に第２の磁場を生成するように構成された第２の磁場源をさらに含み、
前記第２の磁場は、前記磁気回転同位体の共振周波数に相当する周波数を有する、請求項１に記載のシステム。

【請求項6】

前記角回転センサは、
前記検出ビームを復調する及び前記復調された検出ビームの特性に基づいて前記回転角を計算するように構成された回転検出コンポーネントを含む、請求項１に記載のシステム。

【請求項7】

前記回転検出コンポーネントは、前記アルカリ金属の歳差運動周波数に相当する周波数で前記検出ビームを復調するように構成される、請求項６に記載のシステム。

【請求項8】

前記復調された検出ビームの周波数は、前記磁気回転同位体の歳差運動周波数に相当する、請求項６に記載のシステム。

【請求項9】

前記回転検出コンポーネントは、
基準信号を生成するように構成された局所発振器をさらに含み、
前記回転検出コンポーネントは、前記磁気回転同位体の前記歳差運動周波数を前記基準信号と比較することに基づいて、前記回転角を計算するように構成される、請求項８に記載のシステム。

【請求項10】

請求項１に記載の前記ＮＭＲジャイロスコープシステムを含む、三軸ジャイロスコープシステム。

【請求項11】

核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムにおいて、受感軸周りの回転角を決定する方法であって、
アルカリ金属及び磁気回転同位体を包囲するように密封された蒸気セルを通して、前記ＮＭＲジャイロスコープシステムの前記受感軸とアライメントされた磁場を供給すること、
前記磁場に対してオフセット角で前記蒸気セルを通して光ビームを供給することにより、前記アルカリ金属を分極させて、前記磁場に反応した前記アルカリ金属及び前記磁気回転同位体の歳差運動を促進すること、
前記蒸気セルから出射する前記光ビームに相当する検出ビームの強度をモニタリングすること、
前記検出ビームの前記強度に基づいて、前記受感軸周りの前記回転角を計算することを備える、方法。

【請求項12】

前記回転角を計算することは、
前記アルカリ金属の歳差運動周波数に相当する周波数で前記検出ビームを復調することにより、前記磁気回転同位体の歳差運動周波数に相当する周波数を有する復調信号を生成することを含む、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記回転角を計算することは、
前記復調信号を所定の周波数を有する基準信号と比較すること、
前記復調信号と前記基準信号との差に基づいて、前記受感軸周りの前記回転角を計算することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

前記磁場を供給することは、
前記ＮＭＲジャイロスコープシステムの前記受感軸とアライメントされた第１の磁場を供給することを含み、
前記方法は、
前記第１の磁場に対して直角な方向に第２の磁場を供給することを備え、
前記第２の磁場は、前記磁気回転同位体の共振周波数に相当する周波数を有する、請求項１１に記載の方法。

【請求項15】

前記光ビームを供給することは、
前記光ビームを円偏光させる及び前記アルカリ金属の歳差運動の全周期中の前記アルカリ金属による前記光ビームの最小吸収と最大吸収との最大信号対雑音比に関連する最適角に相当するオフセット角に前記光ビームを方向付ける１組の光学系を通して前記光ビームを供給することを含む、請求項１１に記載の方法。

【請求項16】

核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムであって、
アルカリ金属及び磁気回転同位体を包囲するように密封された蒸気セルと、
前記ＮＭＲジャイロスコープシステムの受感軸とアライメントされた第１の磁場及び前記第１の磁場に対して直角の第２の磁場を生成するように構成された磁場源であって、前記第１及び第２の磁場は、前記蒸気セルを通して供給されることにより、前記アルカリ金属及び前記磁気回転同位体の歳差運動を生じさせる、前記磁場源と、
前記第１の磁場に対してオフセット角で前記蒸気セルを通して供給され、前記蒸気セル内の前記アルカリ金属を分極させることにより、前記アルカリ金属及び前記磁気回転同位体の前記歳差運動を促進する光ビームを生成するように構成されたレーザと、
光検出器によって測定される前記蒸気セルから出射する前記光ビームに相当する検出ビームの強度に基づいて、前記受感軸周りの回転角を計算するように構成された角回転センサとを備える、システム。

【請求項17】

前記オフセット角は、前記アルカリ金属の歳差運動の全周期中の前記アルカリ金属による前記光ビームの最小吸収と最大吸収との最大信号対雑音比に関連する最適角に相当する、請求項１６に記載のシステム。

【請求項18】

前記角回転センサは、
前記検出ビームを復調する及び前記復調された検出ビームの周波数に基づいて前記回転角を計算するように構成された回転検出コンポーネントを含む、請求項１６に記載のシステム。

【請求項19】

前記回転検出コンポーネントは、
前記アルカリ金属の歳差運動周波数に相当する周波数で前記検出ビームを復調して、前記磁気回転同位体の歳差運動周波数を有する復調検出信号を供給するように構成される、請求項１８に記載のシステム。

【請求項20】

前記回転検出コンポーネントは、
基準信号を生成するように構成された局所発振器をさらに含み、
前記回転検出コンポーネントは、前記磁気回転同位体の前記歳差運動周波数を前記基準信号と比較することに基づいて、前記回転角を計算するように構成される、請求項１９に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一般にセンサシステムに関し、特に核磁気共鳴ジャイロスコープシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

一般的な核磁気共鳴（NMR:nuclear magnetic resonance）ジャイロスコープは、核磁気モーメントを有する１つ又は２つの同位体の測定されたラーモア歳差運動周波数（Larmor precession frequency）又は位相のシフトに基づいて、受感軸周りの慣性角回転速度又は配向角を感知するという原理で動作する。ＮＭＲジャイロスコープシステムは、蒸気セル（vapor cell）と、例えば、光源、光検出器、及び信号処理回路を含む回転センサとを含み得る。一例として、蒸気セルは、磁場に反応して歳差運動させられる１つ又は２つの磁気回転同位体と共に、ルビジウム等の１つ又は複数のアルカリ金属を含み得る。信号処理回路は、１つ又は複数の磁気回転同位体のラーモア歳差運動周波数及び／又は位相情報を抽出できる。その結果、抽出されたラーモア歳差運動周波数及び位相情報に基づいて、受感軸周りのジャイロスコープ回転速度又は配向角を計算することができる。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0003】

一実施形態は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムを含む。このシステムは、アルカリ金属及び磁気回転同位体を包囲する蒸気セルを含む。このシステムは、ＮＭＲジャイロスコープシステムの受感軸とアライメントされ、蒸気セルを通して供給されることにより、アルカリ金属及び磁気回転同位体の歳差運動を生じさせる磁場を生成する磁場源も含む。このシステムは、蒸気セル内のアルカリ金属を分極させることにより、アルカリ金属及び磁気回転同位体の歳差運動を促進する光ビームを生成するレーザも含む。このシステムは、蒸気セルから出射する光ビームに相当する検出ビームの測定された特性に基づいて、受感軸周りの回転角を計算するように構成された角回転センサをさらに含み、この特性は、磁気回転同位体の歳差運動に関連する。

【0004】

本発明の別の実施形態は、ＮＭＲジャイロスコープシステムにおいて、受感軸周りの回転角を決定する方法を含む。この方法は、アルカリ金属及び磁気回転同位体を包囲するように密封された蒸気セルを通して、ＮＭＲジャイロスコープシステムの受感軸とアライメントされた磁場を供給するステップを含む。この方法は、磁場に対してオフセット角で蒸気セルを通して光ビームを供給することにより、アルカリ金属を分極させて、磁場に反応したアルカリ金属及び磁気回転同位体の歳差運動を促進するステップも含む。この方法は、蒸気セルから出射する光ビームに相当する検出ビームの強度をモニタリングするステップと、検出ビームの強度に基づいて、受感軸周りの回転角を計算するステップとをさらに含む。

【0005】

本発明の別の実施形態は、ＮＭＲジャイロスコープシステムを含む。このシステムは、アルカリ金属及び磁気回転同位体を包囲するように密封された蒸気セルを含む。このシステムは、ＮＭＲジャイロスコープシステムの受感軸とアライメントされた第１の磁場及び第１の磁場に対して直角の第２の磁場を生成するように構成された磁場源も含む。第１及び第２の磁場は、蒸気セルを通して供給されることにより、アルカリ金属及び磁気回転同位体の歳差運動を生じさせることができる。このシステムは、第１の磁場に対してオフセット角で蒸気セルを通して供給され、蒸気セル内のアルカリ金属を分極させることにより、アルカリ金属及び磁気回転同位体の歳差運動を促進する光ビームを生成するように構成されたレーザも含む。このシステムは、光検出器によって測定される蒸気セルから出射する光ビームに相当する検出ビームの強度に基づいて、受感軸周りの回転角を計算するように構成された角回転センサをさらに含む。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムの一例を示す。

【図2】ＮＭＲジャイロスコープシステムの別の一例を示す。

【図3】回転検出コンポーネントの一例を示す。

【図4】三軸ジャイロスコープシステムの一例を示す。

【図5】ＮＭＲジャイロスコープシステムにおける受感軸周りの回転角の決定方法の一例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0007】

本発明は、一般にセンサシステムに関し、特に核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムに関する。ＮＭＲジャイロスコープシステムは、アルカリ金属及び少なくとも１つの磁気回転同位体を有する蒸気セル（vapor cell）を含み得る。磁場源は、蒸気セルを通して供給される及びＮＭＲジャイロスコープシステムの受感軸とアライメントされた実質的に均一な磁場を生成することができる。レーザは、蒸気セルを通して供給されてアルカリ金属を分極させる光ビームを生成することができ、従って、磁場に反応したアルカリ金属及び磁気回転同位体の歳差運動が促進される。一例として、システムは、第１の磁場に対して直角の磁場を生成する第２の磁場源も含むことができ、従って、アルカリ金属及び磁気回転同位体の歳差運動を引き起こすように受感軸とミスアライメントされた（misaligned）正味磁場（net magnetic field）を供給する。例えば、第２の磁場は、磁気回転同位体の共振周波数に相当する周波数を有し得る。

【0008】

システムは、光ビームを円偏光させる及び第１の磁場に対してオフセット角で蒸気セルを通して光ビームを供給する１組の光学系も含み得る。一例として、オフセット角は、アルカリ金属の歳差運動の全周期中のアルカリ金属による光ビームの最小吸収と最大吸収との最大信号対雑音比（SNR:signal-to-noise ratio）に関連する最適角に相当し得る。従って、蒸気セルから出射する光ビームに相当する検出ビームは、アルカリ金属の歳差運動周波数によって変調された強度を有し得る。システムは、検出ビームの強度をモニタリングする光検出器を含む角回転センサを含み得る。角回転センサは、アルカリ金属の歳差運動周波数の検出ビームを復調し、磁気回転同位体の歳差運動にほぼ等しい周波数を有し得る復調信号を生成することができる。従って、角回転センサは、復調信号に基づいてＮＭＲジャイロスコープシステムの回転角を決定することができる。例えば、復調信号は、比較に基づいて（例えば、位相又は周波数差に基づいて）回転角を決定できるように、周波数基準と比較され得る。

【0009】

図１は、本発明の一態様による、核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステム１０の一例を示す。ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、様々な用途の何れかにおいて実装され得る。一例として、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、航空機及び／又は宇宙船用のナビゲーションシステムにおいて実装され得る。さらに、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、図４の例においてより詳細に示されるような多軸ジャイロスコープシステムの一部でもよい。

【0010】

ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、例えば、様々な形状及びサイズの何れかのガラスケースでもよい蒸気セル１２を含む。蒸気セル１２は、アルカリ金属１４及び磁気回転同位体（gyromagnetic isotope）１６を含む。一例として、アルカリ金属１４は、ルビジウム（Ｒｂ）又はセシウム（Ｃｓ）蒸気でもよく、磁気回転同位体１６は、ヘリウム−３、クリプトン−８３、キセノン−１２９、及び／又はキセノン−１３１等の様々な希ガス同位体の何れでもよい。ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、蒸気セル１２を通る正味磁場Ｂ_Ｚを生成するように構成された磁場源１８も含む。例えば、磁場Ｂ_Ｚは、蒸気セル１２を通して供給される及びＮＭＲジャイロスコープシステム１０の受感軸とアライメントされた交流変調された直流磁場を含み得る。一例として、磁場源１８は、蒸気セル１２を実質的に取り囲む磁気ソレノイドとして構成されてもよい。さらに、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、蒸気セル１２を実質的に取り囲み得る磁気シールド（不図示）を含んでもよく、従って、地磁場から等の外部磁場からの干渉が実質的に軽減される。

【0011】

ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、１組の光学系２２を介して蒸気セル１２を通して供給される光ビームＯＰＴを供給するレーザ２０も含む。例えば、レーザ２０は、電流信号（不図示）によって制御され得る垂直キャビティ面発光レーザ（vertical cavity surface-emitting laser : ＶＣＳＥＬ）として構成されて、光ビームＯＰＴの実質的に安定した波長を供給してもよい。一例として、光学系２２は、光ビームＯＰＴを円偏光させるように構成された４分の１波長板と、光ビームＯＰＴを実質的にコリメートし、磁場Ｂ_Ｚに対するオフセット角θで蒸気セル１２を通して光ビームＯＰＴを供給する１組のミラー及び／又はレンズとを含み得る。光ビームＯＰＴは、蒸気セル１２内のアルカリ金属１４を光ポンピングさせてアルカリ金属１４を分極させ、それによって、磁場Ｂ_Ｚの交流成分に基づいてアルカリ金属１４の歳差運動を促進するように構成され得る。さらに、磁気回転同位体１６もまた、磁気回転同位体１６をアルカリ金属１４にスピンアライメントさせるスピン交換プロセスにより歳差運動する。一例として、オフセット角θは、アルカリ金属１４の歳差運動の全周期中のアルカリ金属１４による光ビームＯＰＴの最小吸収と最大吸収との最大ＳＮＲに関連する最適角に相当し得る。

【0012】

具体的に、アルカリ金属１４の歳差運動する粒子は、歳差運動周期において光ビームＯＰＴと逆平行に近いほど、光ビームＯＰＴの光子を吸収する可能性が高く、歳差運動周期において光ビームＯＰＴと平行に近いほど、光ビームＯＰＴの光子を吸収する可能性が最も低い。従って、磁場Ｂ_Ｚ、従ってＮＭＲジャイロスコープシステム１０の受感軸から光ビームＯＰＴを分離させることに基づいて、アルカリ金属１４の歳差運動は、アルカリ金属１４の歳差運動の周期にわたって変化する光ビームＯＰＴの吸収プロファイルを定義し得る。光ビームＯＰＴは、アルカリ金属１４の歳差運動周期にわたる光ビームＯＰＴのフォトンの可変吸収に基づいたアルカリ金属１４の歳差運動周期にわたって変化する強度を有する検出ビームＯ_ＤＥＴとして、蒸気セル１２から出射する。さらに、以下により詳細に説明するように、磁気回転同位体１６の歳差運動は、アルカリ金属１４の歳差運動、従って検出ビームＯ_ＤＥＴの強度に影響を与え得る。その結果、検出ビームＯ_ＤＥＴの強度は、磁気回転同位体１６によって変化するようなアルカリ金属１４の歳差運動に対応する。従って、本明細書に記載されるように、検出ビームＯ_ＤＥＴの強度は、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転を示し得る。

【0013】

ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、角回転センサ２４をさらに含む。角回転センサ２４は、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０の受感軸周りの回転角を計算するために検出ビームＯ_ＤＥＴに基づいて磁気回転同位体１６の歳差運動角を測定するように構成され得る。角回転センサ２４は、光検出器２６及び回転検出コンポーネント２８を含む。光検出器２６は、蒸気セル１２から出射する光ビームＯＰＴに相当する検出ビームＯ_ＤＥＴの強度をモニタリングするように構成される。前述のように、検出ビームＯ_ＤＥＴの変調強度は、磁気回転同位体１６によって変化するようなアルカリ金属１４の歳差運動に対応する。従って、回転検出コンポーネント２８は、磁気回転同位体１６の歳差運動を決定するために検出ビームＯ_ＤＥＴを復調するように構成され得る。それにより、復調された検出信号Ｏ_ＤＥＴにおいて検出されるような磁気回転同位体１６の歳差運動角の変化を処理して、回転運動に対応した受感軸周りの配向の変化を決定することができる。

【0014】

例えば、回転検出コンポーネント２８は、磁気回転同位体１６の測定された歳差運動角に基づいてＮＭＲジャイロスコープシステム１０の受感軸周りの回転角を計算するように構成された機械化プロセッサを含み得る。一例として、回転検出コンポーネント２８は、復調された検出信号Ｏ_ＤＥＴによって示される磁気回転同位体１６の測定された歳差運動角に基づいて蒸気セル１２の受感軸周りの回転角を計算するように構成され得る。例えば、磁気回転同位体１６の検出された歳差運動角は、安定した磁場Ｂ_Ｚにおける磁気回転同位体１６の予想歳差運動角に相当する所定の基準信号と比較され得る。従って、蒸気セル１２の回転は、磁気回転同位体１６の測定された歳差運動角と基準信号との差（例えば、位相又は周波数差）から計算することができる。

【0015】

図１の例において記載したように、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０の受感軸周りの回転角は、一般的なＮＭＲジャイロスコープシステムの場合と比較してより単純化した方法で決定することができる。具体的には、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０の受感軸とアライメントされた磁場Ｂ_Ｚに対するオフセット角で光ビームＯＰＴを供給するという実装に基づいて、光ビームＯＰＴは、アルカリ金属１４を光ポンピング及び分極させるポンプビームとして、及び受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転を決定するプローブビームとして動作する。その結果、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、２つ以上のレーザとは対照的に、単一レーザのみを用いて実装され得る。さらに、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転を決定するための検出ビームＯ_ＤＥＴの処理は、その処理が直線偏光信号のファラデー回転に基づくのではなく、一般的なＮＭＲジャイロスコープシステムに対して行われるので、より単純化した費用効率の高い方法で実装され得る。従って、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、例えば案内及びナビゲーション用途用に、単純化したより費用効果の高いジャイロスコープとして実装され得る。

【0016】

ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、図１の例に限定されることを意図されていないことを理解されたい。一例として、蒸気セル１２は、合計で２つ又は３つの磁気回転同位体等の、磁気回転同位体１６を超える追加の磁気回転同位体を含み得る（例えば、磁場Ｂ_Ｚを安定化する及び／又は受感軸周りの回転の計算を行うため）。さらに、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、追加のコンポーネントがＮＭＲジャイロスコープシステム１０に含まれ得るように、図１の例において簡潔さのために単純化して示されていることを理解されたい。例えば、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、磁場源１８及び／又はレーザ２０を安定化させる追加のコンポーネント及び光学系も含み得る。従って、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、様々な方法で構成され得る。

【0017】

図２は、本発明の一態様による、ＮＭＲジャイロスコープシステム５０の別の例を示す。ＮＭＲジャイロスコープシステム５０は、図１の例におけるＮＭＲジャイロスコープシステム１０と実質的に同様に構成され得る。具体的には、ＮＭＲジャイロスコープシステム５０は、図２の例ではＺ軸として示される受感軸５２周りの回転角ＲＯＴを測定するように構成され得る。従って、ＮＭＲジャイロスコープシステム５０は、図１の例において前述したのと同様に、航空機及び／又は宇宙船用のナビゲーションシステムにおいて、及び／又は多軸ジャイロスコープシステムの一部として実装され得る。従って、図２の例の以下の説明において、図１の例が参照される。

【0018】

ＮＭＲジャイロスコープシステム５０は、立方体、円筒形、又は球状等の様々な形状の何れかで配置され得る蒸気セル５４を含む。蒸気セル５４は、アルカリ金属１４及び磁気回転同位体１６（例えば、さらに少なくとも１つの追加の磁気回転同位体）を含む。ＮＭＲジャイロスコープシステム５０は、Ｚ軸に沿って、つまり、受感軸５２と実質的に平行な方向に蒸気セル５４を通る実質的に均一な磁場Ｂ_Ｚを生成する第１の磁場源５６も含む。図１の例における上記の説明と同様に、磁場源５６は、蒸気セル５４を実質的に取り囲む磁気ソレノイドとして構成されてもよい。

【0019】

さらに、ＮＭＲジャイロスコープシステム５０は、磁場Ｂ_Ｚに対して実質的に直角な方向に（例えば、Ｘ軸に沿って）刺激磁場Ｂ_Ｘを生成するように構成された第２の磁場源５７を含む。一例として、磁場Ｂ_Ｘは、磁場Ｂ_Ｚの交流成分の周波数よりもずっと低くなり得る、磁気回転同位体１６の共振周波数に実質的に合わせられた（すなわち、アルカリ金属１４の歳差運動周波数を決定づけ得る）周波数を持つ交流成分を有し得る。さらに、ＮＭＲジャイロスコープシステム５０は、磁場Ｂ_Ｚに対するオフセット角θで光学系６０（例えば、光信号ＯＰＴを円偏光させる４分の１波長板を含む）を通るように方向付けられ、検出ビームＯ_ＤＥＴとして蒸気セル５４から出射する光信号ＯＰＴを生成するように構成されたレーザ５８を含む。一例として、オフセット角θは、アルカリ金属１４の歳差運動の全周期中のアルカリ金属１４による光ビームＯＰＴの最小吸収と最大吸収との最大ＳＮＲに関連する最適角に相当し得る。例えば、オフセット角θは、アルカリ金属１４の分極が磁場Ｂ_Ｚに平行な光信号ＯＰＴのベクトル成分の強度に正比例する場合のＮＭＲジャイロスコープシステム５０の構成において、約２６．５６°となり得る。従って、検出ビームＯ_ＤＥＴの強度は、磁気回転同位体１６によって変化するようなアルカリ金属１４の歳差運動に対応する。従って、本明細書に記載されるように、検出ビームＯ_ＤＥＴの強度は、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転を示し得る。

【0020】

光信号ＯＰＴは、磁場Ｂ_Ｚ及び刺激磁場Ｂ_Ｓに反応した受感軸５２周りのアルカリ金属１４の歳差運動を促進するように、アルカリ金属１４をスピン分極し得る。光学的にスピン分極されたアルカリ金属１４は、磁場Ｂ_Ｚ、つまり受感軸５２と実質的に平行となり得る局所正味磁場（Ｂ_Ｌ）を生じさせる。一例として、光学的にスピン分極されたアルカリ金属１４からの局所磁場Ｂ_Ｌは、実質的に均一な磁場Ｂ_Ｚと同じ又は反対の方向（例えば、光ポンプビームＯＰＴの円偏光方向に応じて）を有し得る。スピン交換プロセスは、磁気回転同位体１６に同様に正味スピン分極を得させる及び蒸気セル５４において同様に歳差運動を行わせる。局所磁場Ｂ_Ｌは、磁気回転同位体１６の歳差運動周波数に対して正味の影響を持ち得る。例えば、磁気回転同位体１６の質量は、磁気回転同位体１６に対する局所磁場の影響を決定するものとなり得る。一例として、磁気回転同位体１６及び少なくとも１つの他の磁気回転同位体の異なる質量は、アルカリ金属１４と磁気回転同位体１６との結合（互いに短寿命分子で結合される）における質量シフトの低下を生じさせ得る。従って、磁気回転同位体１６及び少なくとも１つの他の磁気回転同位体は、それぞれの光学的にスピン分極されたアルカリ金属１４との相互作用の差により、異なる見かけ上の局所磁場Ｂ_Ｌを受け得る。

【0021】

一例として、光ビームＯＰＴによってポンピングされると、アルカリ金属１４を構成する原子は、それぞれの電子分極が急速に失われ、その結果、実質的にランダムに配向され得る。ランダム配向は、例えばＣｓ−Ｘｅスピン交換衝突プロセスに基づいて、例えば他の原子との衝突、磁場Ｂ_Ｚとアライメントされていない原子との衝突、及び／又は磁場Ｂ_Ｚとアライメントされた他の原子との衝突の結果として生じ得る。アルカリ金属１４がポンプビームＯＰＴとの相互作用の結果、特定の状態及びエネルギー準位に達すると、アルカリ金属１４は、アルカリ金属１４を実質的に均一な磁場Ｂ_Ｚにアライメントさせる力を受ける。例えば関連の磁気シールド（図２の例では不図示）によって軽減され得る受感軸５２を横断する磁場が存在しない場合、Ｘｅ等の磁気回転同位体１６のスピン交換光学的ポンピング原子は、コヒーレントグループとして歳差運動を行わず、正味の横磁場歳差運動をもたらさない場合がある。しかしながら、前述のように、Ｘ軸に沿って設けられた磁場Ｂ_Ｘを、磁気回転同位体１６の共振ラーモア周波数に合わせることができ、従って、磁気回転同位体１６の原子に受感軸５２の周りでグループとして歳差運動をさせる。その結果、磁場Ｂ_Ｘの振動特性に基づいて、それぞれの固有ラーモア周波数と共鳴状態となり得る磁気回転同位体１６のスピンに対して正味トルクが働き、従って、磁気回転同位体１６のスピンアライメントされた原子に同相での歳差運動をさせ得る。アルカリ金属１４の完全にポンピングされた原子の電子スピンに対するトルクの大きさは、各ポンピングされた原子の磁気モーメントと、実質的に均一な磁場Ｂ_Ｚとの角度、並びに磁場Ｂ_Ｘの大きさの関数となり得る。

【0022】

ＮＭＲジャイロスコープシステム５０は、図１の例では各々が角回転センサ２４の一部であり得る光検出器６２及び回転検出コンポーネント６４を含む。光検出器６２は、蒸気セル５４から出射する光ビームＯＰＴに相当する検出ビームＯ_ＤＥＴの強度をモニタリングするように構成され、従って、歳差運動信号ＰＲＥ_ＣＲを生成する。前述のように、検出ビームＯ_ＤＥＴの変調強度は、磁気回転同位体１６によって変化するようなアルカリ金属１４の歳差運動に対応する。従って、歳差運動信号ＰＲＥ_ＣＲは、アルカリ金属１４の歳差運動に対応する搬送波周波数と、搬送波周波数よりも大幅に低い周波数を有する、従って磁気回転同位体１６の歳差運動に対応する交流信号成分とを有する電気信号でもよい。従って、回転検出コンポーネント６４は、磁気回転同位体１６の歳差運動を決定するために歳差運動信号ＰＲＥ_ＣＲを復調するように構成され得る。その結果、復調された歳差運動信号ＰＲＥ_ＣＲにおいて検出されるような磁気回転同位体１６の歳差運動角の変化を処理して、ＮＭＲジャイロスコープシステム５０の角回転ＲＯＴに対応した受感軸周りの配向の変化を決定することができる。

【0023】

図３は、回転検出コンポーネント１００の一例を示す。回転検出コンポーネント１００は、図２の例における回転検出コンポーネント６４に対応し得る。従って、図３の例の以下の説明において、図２の例が参照される。

【0024】

回転検出コンポーネント１００は、光検出器６２によって供給された歳差運動信号ＰＲＥ_ＣＲを復調するように構成された復調器１０２を含む。一例として、復調器１０２は、磁場Ｂ_Ｚの交流成分に対応する周波数、つまり、アルカリ金属１４の歳差運動周波数で歳差運動信号ＰＲＥ_ＣＲを復調するように構成され得る。従って、復調器１０２は、歳差運動信号ＰＲＥ_ＣＲの搬送波周波数を除去して、磁気回転同位体１６の歳差運動に対応する交流成分を有し得る信号ＰＲＥ_ＤＭを生成するように構成される。

【0025】

回転検出コンポーネント１００は、局所発振器１０４及び信号処理部１０６を含む。局所発振器１０４は、所定の周波数を有した基準信号ＬＯを生成するように構成される。例えば、基準信号ＬＯの所定の周波数は、安定した磁場Ｂ_Ｚにおける磁気回転同位体１６の予想歳差運動周波数に相当し得る。信号ＰＲＥ_ＤＭ及び基準信号ＬＯは、それぞれ信号処理部１０６に供給される。信号処理部１０６は、信号ＰＲＥ_ＤＭ及び基準信号ＬＯを比較するように構成され得る。一例として、信号処理部１０６は、信号ＰＲＥ_ＤＭ及び基準信号ＬＯの各々の位相及び／又は周波数を比較し得る。比較の結果、信号処理部１０６は、信号ＰＲＥ_ＤＭ及び基準信号ＬＯの位相及び／又は周波数間の差に相当する差信号ＤＩＦＦを生成し得る。回転検出コンポーネント１００は、信号ＰＲＥ_ＤＭと基準信号ＬＯとの差に基づいて、ＮＭＲジャイロスコープシステム５０の受感軸周りの回転角ＲＯＴを計算するように構成された機械化プロセッサ１０８をさらに含む。従って、本明細書に説明されるように、受感軸５２周りのＮＭＲジャイロスコープシステム５０の回転は、アルカリ金属１４を分極することによってアルカリ金属１４及び磁気回転同位体１６の歳差運動を促進するように蒸気セル５４を通して供給される円偏光光ビームＯＰＴに相当する検出ビームＯ_ＤＥＴの強度に基づいて決定され得る。

【0026】

図４は、本発明の一態様による、三軸ジャイロスコープシステム１５０の一例を示す。一例として、三軸ジャイロスコープシステム１５０は、航空機及び／又は宇宙船用等の様々なナビゲーション制御システム又はヨー、ピッチ、及びロール回転運動情報をモニタリングするデバイスの何れかにおいて実装され得る。

【0027】

三軸ジャイロスコープシステム１５０は、Ｘ軸ジャイロスコープシステム１５２、Ｙ軸ジャイロスコープシステム１５４、及びＺ軸ジャイロスコープシステム１５６を含む。図４の例では、Ｘ軸ジャイロスコープシステム１５２は、Ｘ軸に関する受感軸を有し、Ｙ軸ジャイロスコープシステム１５４は、Ｙ軸に関する受感軸を有し、Ｚ軸ジャイロスコープシステム１５６は、Ｚ軸に関する受感軸を有し得る。各ＮＭＲ蒸気セル１５８、１６０、及び１６２の回転軸は、図４の例においてデカルト座標システム１６４によって示される。一例として、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸ジャイロスコープシステム１５２、１５４、及び１５６の各々は、図２の例におけるＮＭＲジャイロスコープシステム５０と実質的に同様に構成され得る。従って、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸ジャイロスコープシステム１５２、１５４、及び１５６の各々は、アルカリ金属を分極することによって内部のアルカリ金属及び磁気回転同位体の歳差運動を促進するように各蒸気セル１５８、１６０、及び１６２を通して供給される各円偏光光ビームＯＰＴに相当する各検出ビームＯ_ＤＥＴの強度に基づいて、Ｘ、Ｙ、及びＺ軸周りのそれぞれの回転角ＲＯＴ_Ｘ、ＲＯＴ_Ｙ、及びＲＯＴ_Ｚを決定するように構成され得る。

【0028】

図４の例では、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸ジャイロスコープシステム１５２、１５４、及び１５６の各々は、それぞれの回転角ＲＯＴ_Ｘ、ＲＯＴ_Ｙ、及びＲＯＴ_Ｚを含む信号を運動センサ１６６に出力するものとして示される。従って、運動センサ１６６は、三軸ジャイロスコープシステム１５０を含む関連の乗り物又はデバイスの総三軸回転運動を決定するように構成され得る。従って、三軸ジャイロスコープシステム１５０を含む関連の乗り物又はデバイスのヨー、ピッチ、及びロールを決定することができる。従って、運動センサ１６６は、三軸ジャイロスコープシステム１５０を含む関連の乗り物又はデバイスの三軸回転運動を表示、出力、及び／又は通知するように構成され得る。

【0029】

上記の前述の構造的及び機能的特徴を考慮して、本発明の様々な態様による方法は、図５を参照することにより、より理解されるであろう。説明を簡単にするために、図５の方法を順に実行するものとして図示及び説明するが、本発明による一部の態様は、本明細書に図示及び説明されたものとは異なる順序で及び／又は他の態様と同時に実行し得るので、本発明は例示された順序に限定されないことを理解及び認識されたい。さらに、本発明の一態様による方法を実装するために、全ての例示された特徴が必要とは限らない場合がある。

【0030】

図５は、ＮＭＲジャイロスコープシステム（例えば、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０）における受感軸周りの回転角（例えば、信号ＲＯＴ）を決定する方法２００の一例を示す。２０２において、ＮＭＲジャイロスコープシステムの受感軸（例えば、受感軸５２）とアライメントされた磁場（例えば、磁場Ｂ_Ｚ）は、アルカリ金属（例えば、アルカリ金属１４）及び磁気回転同位体（例えば、磁気回転同位体１６）を包囲するように密封された蒸気セル（例えば、蒸気セル１２）を通して供給される。２０４において、光ビーム（例えば、光ビームＯＰＴ）は、アルカリ金属を分極することによって、磁場に反応したアルカリ金属及び磁気回転同位体の歳差運動を促進するように、磁場に対してオフセット角（例えば、オフセット角θ）で蒸気セルを通して供給される。２０６において、蒸気セルから出射する光ビームに相当する検出ビーム（例えば、検出ビームＯ_ＤＥＴ）の強度がモニタリングされる。２０８において、受感軸周りの回転角は、検出ビームの強度（例えば、光検出器２６によってモニタリングされるような）に基づいて計算される。

【0031】

上記は本発明の例である。もちろん、本発明を説明する目的で、構成要素又は方法の考えられるあらゆる組み合わせを記載することは不可能であるが、当業者であれば、本発明の多くのさらなる組み合わせ及び置換が可能であることを認識するであろう。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲に入る全てのそのような変更形態、改変形態、及び変形形態を包含するものとする。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【手続補正書】

【提出日】2015年7月10日

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一般にセンサシステムに関し、特に核磁気共鳴ジャイロスコープシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

一般的な核磁気共鳴（NMR:nuclear magnetic resonance）ジャイロスコープは、核磁気モーメントを有する１つ又は２つの同位体の測定されたラーモア歳差運動周波数（Larmor precession frequency）又は位相のシフトに基づいて、受感軸周りの慣性角回転速度又は配向角を感知するという原理で動作する。ＮＭＲジャイロスコープシステムは、蒸気セル（vapor cell）と、例えば、光源、光検出器、及び信号処理回路を含む回転センサとを含み得る。一例として、蒸気セルは、磁場に反応して歳差運動させられる１つ又は２つの磁気回転同位体と共に、ルビジウム等の１つ又は複数のアルカリ金属を含み得る。信号処理回路は、１つ又は複数の磁気回転同位体のラーモア歳差運動周波数及び／又は位相情報を抽出できる。その結果、抽出されたラーモア歳差運動周波数及び位相情報に基づいて、受感軸周りのジャイロスコープ回転速度又は配向角を計算することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】米国特許第７３５９０５９号明細書

【特許文献2】米国特許第７８６３８９４号明細書

【特許文献3】米国特許第８０５４０７４号明細書

【特許文献4】米国特許第８４０５３８９号明細書

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0004】

一実施形態は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムを含む。このシステムは、アルカリ金属及び磁気回転同位体を包囲する蒸気セルを含む。このシステムは、ＮＭＲジャイロスコープシステムの受感軸とアライメントされ、蒸気セルを通して供給されることにより、アルカリ金属及び磁気回転同位体の歳差運動を生じさせる磁場を生成する磁場源も含む。このシステムは、蒸気セル内のアルカリ金属を分極させることにより、アルカリ金属及び磁気回転同位体の歳差運動を促進する光ビームを生成するレーザも含む。このシステムは、蒸気セルから出射する光ビームに相当する検出ビームの測定された特性に基づいて、受感軸周りの回転角を計算するように構成された角回転センサをさらに含み、この特性は、磁気回転同位体の歳差運動に関連する。

【0005】

本発明の別の実施形態は、ＮＭＲジャイロスコープシステムにおいて、受感軸周りの回転角を決定する方法を含む。この方法は、アルカリ金属及び磁気回転同位体を包囲するように密封された蒸気セルを通して、ＮＭＲジャイロスコープシステムの受感軸とアライメントされた磁場を供給するステップを含む。この方法は、磁場に対してオフセット角で蒸気セルを通して光ビームを供給することにより、アルカリ金属を分極させて、磁場に反応したアルカリ金属及び磁気回転同位体の歳差運動を促進するステップも含む。この方法は、蒸気セルから出射する光ビームに相当する検出ビームの強度をモニタリングするステップと、検出ビームの強度に基づいて、受感軸周りの回転角を計算するステップとをさらに含む。

【0006】

本発明の別の実施形態は、ＮＭＲジャイロスコープシステムを含む。このシステムは、アルカリ金属及び磁気回転同位体を包囲するように密封された蒸気セルを含む。このシステムは、ＮＭＲジャイロスコープシステムの受感軸とアライメントされた第１の磁場及び第１の磁場に対して直角の第２の磁場を生成するように構成された磁場源も含む。第１及び第２の磁場は、蒸気セルを通して供給されることにより、アルカリ金属及び磁気回転同位体の歳差運動を生じさせることができる。このシステムは、第１の磁場に対してオフセット角で蒸気セルを通して供給され、蒸気セル内のアルカリ金属を分極させることにより、アルカリ金属及び磁気回転同位体の歳差運動を促進する光ビームを生成するように構成されたレーザも含む。このシステムは、光検出器によって測定される蒸気セルから出射する光ビームに相当する検出ビームの強度に基づいて、受感軸周りの回転角を計算するように構成された角回転センサをさらに含む。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムの一例を示す。

【図2】ＮＭＲジャイロスコープシステムの別の一例を示す。

【図3】回転検出コンポーネントの一例を示す。

【図4】三軸ジャイロスコープシステムの一例を示す。

【図5】ＮＭＲジャイロスコープシステムにおける受感軸周りの回転角の決定方法の一例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0008】

本発明は、一般にセンサシステムに関し、特に核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステムに関する。ＮＭＲジャイロスコープシステムは、アルカリ金属及び少なくとも１つの磁気回転同位体を有する蒸気セル（vapor cell）を含み得る。磁場源は、蒸気セルを通して供給される及びＮＭＲジャイロスコープシステムの受感軸とアライメントされた実質的に均一な磁場を生成することができる。レーザは、蒸気セルを通して供給されてアルカリ金属を分極させる光ビームを生成することができ、従って、磁場に反応したアルカリ金属及び磁気回転同位体の歳差運動が促進される。一例として、システムは、第１の磁場に対して直角の磁場を生成する第２の磁場源も含むことができ、従って、アルカリ金属及び磁気回転同位体の歳差運動を引き起こすように受感軸とミスアライメントされた（misaligned）正味磁場（net magnetic field）を供給する。例えば、第２の磁場は、磁気回転同位体の共振周波数に相当する周波数を有し得る。

【0009】

システムは、光ビームを円偏光させる及び第１の磁場に対してオフセット角で蒸気セルを通して光ビームを供給する１組の光学系も含み得る。一例として、オフセット角は、アルカリ金属の歳差運動の全周期中のアルカリ金属による光ビームの最小吸収と最大吸収との最大信号対雑音比（SNR:signal-to-noise ratio）に関連する最適角に相当し得る。従って、蒸気セルから出射する光ビームに相当する検出ビームは、アルカリ金属の歳差運動周波数によって変調された強度を有し得る。システムは、検出ビームの強度をモニタリングする光検出器を含む角回転センサを含み得る。角回転センサは、アルカリ金属の歳差運動周波数の検出ビームを復調し、磁気回転同位体の歳差運動にほぼ等しい周波数を有し得る復調信号を生成することができる。従って、角回転センサは、復調信号に基づいてＮＭＲジャイロスコープシステムの回転角を決定することができる。例えば、復調信号は、比較に基づいて（例えば、位相又は周波数差に基づいて）回転角を決定できるように、周波数基準と比較され得る。

【0010】

図１は、本発明の一態様による、核磁気共鳴（ＮＭＲ）ジャイロスコープシステム１０の一例を示す。ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、様々な用途の何れかにおいて実装され得る。一例として、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、航空機及び／又は宇宙船用のナビゲーションシステムにおいて実装され得る。さらに、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、図４の例においてより詳細に示されるような多軸ジャイロスコープシステムの一部でもよい。

【0011】

ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、例えば、様々な形状及びサイズの何れかのガラスケースでもよい蒸気セル１２を含む。蒸気セル１２は、アルカリ金属１４及び磁気回転同位体（gyromagnetic isotope）１６を含む。一例として、アルカリ金属１４は、ルビジウム（Ｒｂ）又はセシウム（Ｃｓ）蒸気でもよく、磁気回転同位体１６は、ヘリウム−３、クリプトン−８３、キセノン−１２９、及び／又はキセノン−１３１等の様々な希ガス同位体の何れでもよい。ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、蒸気セル１２を通る正味磁場Ｂ_Ｚを生成するように構成された磁場源１８も含む。例えば、磁場Ｂ_Ｚは、蒸気セル１２を通して供給される及びＮＭＲジャイロスコープシステム１０の受感軸とアライメントされた交流変調された直流磁場を含み得る。一例として、磁場源１８は、蒸気セル１２を実質的に取り囲む磁気ソレノイドとして構成されてもよい。さらに、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、蒸気セル１２を実質的に取り囲み得る磁気シールド（不図示）を含んでもよく、従って、地磁場から等の外部磁場からの干渉が実質的に軽減される。

【0012】

ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、１組の光学系２２を介して蒸気セル１２を通して供給される光ビームＯＰＴを供給するレーザ２０も含む。例えば、レーザ２０は、電流信号（不図示）によって制御され得る垂直キャビティ面発光レーザ（vertical cavity surface-emitting laser : ＶＣＳＥＬ）として構成されて、光ビームＯＰＴの実質的に安定した波長を供給してもよい。一例として、光学系２２は、光ビームＯＰＴを円偏光させるように構成された４分の１波長板と、光ビームＯＰＴを実質的にコリメートし、磁場Ｂ_Ｚに対するオフセット角θで蒸気セル１２を通して光ビームＯＰＴを供給する１組のミラー及び／又はレンズとを含み得る。光ビームＯＰＴは、蒸気セル１２内のアルカリ金属１４を光ポンピングさせてアルカリ金属１４を分極させ、それによって、磁場Ｂ_Ｚの交流成分に基づいてアルカリ金属１４の歳差運動を促進するように構成され得る。さらに、磁気回転同位体１６もまた、磁気回転同位体１６をアルカリ金属１４にスピンアライメントさせるスピン交換プロセスにより歳差運動する。一例として、オフセット角θは、アルカリ金属１４の歳差運動の全周期中のアルカリ金属１４による光ビームＯＰＴの最小吸収と最大吸収との最大ＳＮＲに関連する最適角に相当し得る。

【0013】

具体的に、アルカリ金属１４の歳差運動する粒子は、歳差運動周期において光ビームＯＰＴと逆平行に近いほど、光ビームＯＰＴの光子を吸収する可能性が高く、歳差運動周期において光ビームＯＰＴと平行に近いほど、光ビームＯＰＴの光子を吸収する可能性が最も低い。従って、磁場Ｂ_Ｚ、従ってＮＭＲジャイロスコープシステム１０の受感軸から光ビームＯＰＴを分離させることに基づいて、アルカリ金属１４の歳差運動は、アルカリ金属１４の歳差運動の周期にわたって変化する光ビームＯＰＴの吸収プロファイルを定義し得る。光ビームＯＰＴは、アルカリ金属１４の歳差運動周期にわたる光ビームＯＰＴのフォトンの可変吸収に基づいたアルカリ金属１４の歳差運動周期にわたって変化する強度を有する検出ビームＯ_ＤＥＴとして、蒸気セル１２から出射する。さらに、以下により詳細に説明するように、磁気回転同位体１６の歳差運動は、アルカリ金属１４の歳差運動、従って検出ビームＯ_ＤＥＴの強度に影響を与え得る。その結果、検出ビームＯ_ＤＥＴの強度は、磁気回転同位体１６によって変化するようなアルカリ金属１４の歳差運動に対応する。従って、本明細書に記載されるように、検出ビームＯ_ＤＥＴの強度は、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転を示し得る。

【0014】

ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、角回転センサ２４をさらに含む。角回転センサ２４は、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０の受感軸周りの回転角を計算するために検出ビームＯ_ＤＥＴに基づいて磁気回転同位体１６の歳差運動角を測定するように構成され得る。角回転センサ２４は、光検出器２６及び回転検出コンポーネント２８を含む。光検出器２６は、蒸気セル１２から出射する光ビームＯＰＴに相当する検出ビームＯ_ＤＥＴの強度をモニタリングするように構成される。前述のように、検出ビームＯ_ＤＥＴの変調強度は、磁気回転同位体１６によって変化するようなアルカリ金属１４の歳差運動に対応する。従って、回転検出コンポーネント２８は、磁気回転同位体１６の歳差運動を決定するために検出ビームＯ_ＤＥＴを復調するように構成され得る。それにより、復調された検出信号Ｏ_ＤＥＴにおいて検出されるような磁気回転同位体１６の歳差運動角の変化を処理して、回転運動に対応した受感軸周りの配向の変化を決定することができる。

【0015】

例えば、回転検出コンポーネント２８は、磁気回転同位体１６の測定された歳差運動角に基づいてＮＭＲジャイロスコープシステム１０の受感軸周りの回転角を計算するように構成された機械化プロセッサを含み得る。一例として、回転検出コンポーネント２８は、復調された検出信号Ｏ_ＤＥＴによって示される磁気回転同位体１６の測定された歳差運動角に基づいて蒸気セル１２の受感軸周りの回転角を計算するように構成され得る。例えば、磁気回転同位体１６の検出された歳差運動角は、安定した磁場Ｂ_Ｚにおける磁気回転同位体１６の予想歳差運動角に相当する所定の基準信号と比較され得る。従って、蒸気セル１２の回転は、磁気回転同位体１６の測定された歳差運動角と基準信号との差（例えば、位相又は周波数差）から計算することができる。

【0016】

図１の例において記載したように、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０の受感軸周りの回転角は、一般的なＮＭＲジャイロスコープシステムの場合と比較してより単純化した方法で決定することができる。具体的には、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０の受感軸とアライメントされた磁場Ｂ_Ｚに対するオフセット角で光ビームＯＰＴを供給するという実装に基づいて、光ビームＯＰＴは、アルカリ金属１４を光ポンピング及び分極させるポンプビームとして、及び受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転を決定するプローブビームとして動作する。その結果、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、２つ以上のレーザとは対照的に、単一レーザのみを用いて実装され得る。さらに、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転を決定するための検出ビームＯ_ＤＥＴの処理は、その処理が直線偏光信号のファラデー回転に基づくのではなく、一般的なＮＭＲジャイロスコープシステムに対して行われるので、より単純化した費用効率の高い方法で実装され得る。従って、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、例えば案内及びナビゲーション用途用に、単純化したより費用効果の高いジャイロスコープとして実装され得る。

【0017】

ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、図１の例に限定されることを意図されていないことを理解されたい。一例として、蒸気セル１２は、合計で２つ又は３つの磁気回転同位体等の、磁気回転同位体１６を超える追加の磁気回転同位体を含み得る（例えば、磁場Ｂ_Ｚを安定化する及び／又は受感軸周りの回転の計算を行うため）。さらに、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、追加のコンポーネントがＮＭＲジャイロスコープシステム１０に含まれ得るように、図１の例において簡潔さのために単純化して示されていることを理解されたい。例えば、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、磁場源１８及び／又はレーザ２０を安定化させる追加のコンポーネント及び光学系も含み得る。従って、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０は、様々な方法で構成され得る。

【0018】

図２は、本発明の一態様による、ＮＭＲジャイロスコープシステム５０の別の例を示す。ＮＭＲジャイロスコープシステム５０は、図１の例におけるＮＭＲジャイロスコープシステム１０と実質的に同様に構成され得る。具体的には、ＮＭＲジャイロスコープシステム５０は、図２の例ではＺ軸として示される受感軸５２周りの回転角ＲＯＴを測定するように構成され得る。従って、ＮＭＲジャイロスコープシステム５０は、図１の例において前述したのと同様に、航空機及び／又は宇宙船用のナビゲーションシステムにおいて、及び／又は多軸ジャイロスコープシステムの一部として実装され得る。従って、図２の例の以下の説明において、図１の例が参照される。

【0019】

ＮＭＲジャイロスコープシステム５０は、立方体、円筒形、又は球状等の様々な形状の何れかで配置され得る蒸気セル５４を含む。蒸気セル５４は、アルカリ金属１４及び磁気回転同位体１６（例えば、さらに少なくとも１つの追加の磁気回転同位体）を含む。ＮＭＲジャイロスコープシステム５０は、Ｚ軸に沿って、つまり、受感軸５２と実質的に平行な方向に蒸気セル５４を通る実質的に均一な磁場Ｂ_Ｚを生成する第１の磁場源５６も含む。図１の例における上記の説明と同様に、磁場源５６は、蒸気セル５４を実質的に取り囲む磁気ソレノイドとして構成されてもよい。

【0020】

さらに、ＮＭＲジャイロスコープシステム５０は、磁場Ｂ_Ｚに対して実質的に直角な方向に（例えば、Ｘ軸に沿って）刺激磁場Ｂ_Ｘを生成するように構成された第２の磁場源５７を含む。一例として、磁場Ｂ_Ｘは、磁場Ｂ_Ｚの交流成分の周波数よりもずっと低くなり得る、磁気回転同位体１６の共振周波数に実質的に合わせられた（すなわち、アルカリ金属１４の歳差運動周波数を決定づけ得る）周波数を持つ交流成分を有し得る。さらに、ＮＭＲジャイロスコープシステム５０は、磁場Ｂ_Ｚに対するオフセット角θで光学系６０（例えば、光信号ＯＰＴを円偏光させる４分の１波長板を含む）を通るように方向付けられ、検出ビームＯ_ＤＥＴとして蒸気セル５４から出射する光信号ＯＰＴを生成するように構成されたレーザ５８を含む。一例として、オフセット角θは、アルカリ金属１４の歳差運動の全周期中のアルカリ金属１４による光ビームＯＰＴの最小吸収と最大吸収との最大ＳＮＲに関連する最適角に相当し得る。例えば、オフセット角θは、アルカリ金属１４の分極が磁場Ｂ_Ｚに平行な光信号ＯＰＴのベクトル成分の強度に正比例する場合のＮＭＲジャイロスコープシステム５０の構成において、約２６．５６°となり得る。従って、検出ビームＯ_ＤＥＴの強度は、磁気回転同位体１６によって変化するようなアルカリ金属１４の歳差運動に対応する。従って、本明細書に記載されるように、検出ビームＯ_ＤＥＴの強度は、受感軸周りのＮＭＲジャイロスコープシステム１０の回転を示し得る。

【0021】

光信号ＯＰＴは、磁場Ｂ_Ｚ及び刺激磁場Ｂ_Ｓに反応した受感軸５２周りのアルカリ金属１４の歳差運動を促進するように、アルカリ金属１４をスピン分極し得る。光学的にスピン分極されたアルカリ金属１４は、磁場Ｂ_Ｚ、つまり受感軸５２と実質的に平行となり得る局所正味磁場（Ｂ_Ｌ）を生じさせる。一例として、光学的にスピン分極されたアルカリ金属１４からの局所磁場Ｂ_Ｌは、実質的に均一な磁場Ｂ_Ｚと同じ又は反対の方向（例えば、光ポンプビームＯＰＴの円偏光方向に応じて）を有し得る。スピン交換プロセスは、磁気回転同位体１６に同様に正味スピン分極を得させる及び蒸気セル５４において同様に歳差運動を行わせる。局所磁場Ｂ_Ｌは、磁気回転同位体１６の歳差運動周波数に対して正味の影響を持ち得る。例えば、磁気回転同位体１６の質量は、磁気回転同位体１６に対する局所磁場の影響を決定するものとなり得る。一例として、磁気回転同位体１６及び少なくとも１つの他の磁気回転同位体の異なる質量は、アルカリ金属１４と磁気回転同位体１６との結合（互いに短寿命分子で結合される）における質量シフトの低下を生じさせ得る。従って、磁気回転同位体１６及び少なくとも１つの他の磁気回転同位体は、それぞれの光学的にスピン分極されたアルカリ金属１４との相互作用の差により、異なる見かけ上の局所磁場Ｂ_Ｌを受け得る。

【0022】

一例として、光ビームＯＰＴによってポンピングされると、アルカリ金属１４を構成する原子は、それぞれの電子分極が急速に失われ、その結果、実質的にランダムに配向され得る。ランダム配向は、例えばＣｓ−Ｘｅスピン交換衝突プロセスに基づいて、例えば他の原子との衝突、磁場Ｂ_Ｚとアライメントされていない原子との衝突、及び／又は磁場Ｂ_Ｚとアライメントされた他の原子との衝突の結果として生じ得る。アルカリ金属１４がポンプビームＯＰＴとの相互作用の結果、特定の状態及びエネルギー準位に達すると、アルカリ金属１４は、アルカリ金属１４を実質的に均一な磁場Ｂ_Ｚにアライメントさせる力を受ける。例えば関連の磁気シールド（図２の例では不図示）によって軽減され得る受感軸５２を横断する磁場が存在しない場合、Ｘｅ等の磁気回転同位体１６のスピン交換光学的ポンピング原子は、コヒーレントグループとして歳差運動を行わず、正味の横磁場歳差運動をもたらさない場合がある。しかしながら、前述のように、Ｘ軸に沿って設けられた磁場Ｂ_Ｘを、磁気回転同位体１６の共振ラーモア周波数に合わせることができ、従って、磁気回転同位体１６の原子に受感軸５２の周りでグループとして歳差運動をさせる。その結果、磁場Ｂ_Ｘの振動特性に基づいて、それぞれの固有ラーモア周波数と共鳴状態となり得る磁気回転同位体１６のスピンに対して正味トルクが働き、従って、磁気回転同位体１６のスピンアライメントされた原子に同相での歳差運動をさせ得る。アルカリ金属１４の完全にポンピングされた原子の電子スピンに対するトルクの大きさは、各ポンピングされた原子の磁気モーメントと、実質的に均一な磁場Ｂ_Ｚとの角度、並びに磁場Ｂ_Ｘの大きさの関数となり得る。

【0023】

ＮＭＲジャイロスコープシステム５０は、図１の例では各々が角回転センサ２４の一部であり得る光検出器６２及び回転検出コンポーネント６４を含む。光検出器６２は、蒸気セル５４から出射する光ビームＯＰＴに相当する検出ビームＯ_ＤＥＴの強度をモニタリングするように構成され、従って、歳差運動信号ＰＲＥ_ＣＲを生成する。前述のように、検出ビームＯ_ＤＥＴの変調強度は、磁気回転同位体１６によって変化するようなアルカリ金属１４の歳差運動に対応する。従って、歳差運動信号ＰＲＥ_ＣＲは、アルカリ金属１４の歳差運動に対応する搬送波周波数と、搬送波周波数よりも大幅に低い周波数を有する、従って磁気回転同位体１６の歳差運動に対応する交流信号成分とを有する電気信号でもよい。従って、回転検出コンポーネント６４は、磁気回転同位体１６の歳差運動を決定するために歳差運動信号ＰＲＥ_ＣＲを復調するように構成され得る。その結果、復調された歳差運動信号ＰＲＥ_ＣＲにおいて検出されるような磁気回転同位体１６の歳差運動角の変化を処理して、ＮＭＲジャイロスコープシステム５０の角回転ＲＯＴに対応した受感軸周りの配向の変化を決定することができる。

【0024】

図３は、回転検出コンポーネント１００の一例を示す。回転検出コンポーネント１００は、図２の例における回転検出コンポーネント６４に対応し得る。従って、図３の例の以下の説明において、図２の例が参照される。

【0025】

回転検出コンポーネント１００は、光検出器６２によって供給された歳差運動信号ＰＲＥ_ＣＲを復調するように構成された復調器１０２を含む。一例として、復調器１０２は、磁場Ｂ_Ｚの交流成分に対応する周波数、つまり、アルカリ金属１４の歳差運動周波数で歳差運動信号ＰＲＥ_ＣＲを復調するように構成され得る。従って、復調器１０２は、歳差運動信号ＰＲＥ_ＣＲの搬送波周波数を除去して、磁気回転同位体１６の歳差運動に対応する交流成分を有し得る信号ＰＲＥ_ＤＭを生成するように構成される。

【0026】

回転検出コンポーネント１００は、局所発振器１０４及び信号処理部１０６を含む。局所発振器１０４は、所定の周波数を有した基準信号ＬＯを生成するように構成される。例えば、基準信号ＬＯの所定の周波数は、安定した磁場Ｂ_Ｚにおける磁気回転同位体１６の予想歳差運動周波数に相当し得る。信号ＰＲＥ_ＤＭ及び基準信号ＬＯは、それぞれ信号処理部１０６に供給される。信号処理部１０６は、信号ＰＲＥ_ＤＭ及び基準信号ＬＯを比較するように構成され得る。一例として、信号処理部１０６は、信号ＰＲＥ_ＤＭ及び基準信号ＬＯの各々の位相及び／又は周波数を比較し得る。比較の結果、信号処理部１０６は、信号ＰＲＥ_ＤＭ及び基準信号ＬＯの位相及び／又は周波数間の差に相当する差信号ＤＩＦＦを生成し得る。回転検出コンポーネント１００は、信号ＰＲＥ_ＤＭと基準信号ＬＯとの差に基づいて、ＮＭＲジャイロスコープシステム５０の受感軸周りの回転角ＲＯＴを計算するように構成された機械化プロセッサ１０８をさらに含む。従って、本明細書に説明されるように、受感軸５２周りのＮＭＲジャイロスコープシステム５０の回転は、アルカリ金属１４を分極することによってアルカリ金属１４及び磁気回転同位体１６の歳差運動を促進するように蒸気セル５４を通して供給される円偏光光ビームＯＰＴに相当する検出ビームＯ_ＤＥＴの強度に基づいて決定され得る。

【0027】

図４は、本発明の一態様による、三軸ジャイロスコープシステム１５０の一例を示す。一例として、三軸ジャイロスコープシステム１５０は、航空機及び／又は宇宙船用等の様々なナビゲーション制御システム又はヨー、ピッチ、及びロール回転運動情報をモニタリングするデバイスの何れかにおいて実装され得る。

【0028】

三軸ジャイロスコープシステム１５０は、Ｘ軸ジャイロスコープシステム１５２、Ｙ軸ジャイロスコープシステム１５４、及びＺ軸ジャイロスコープシステム１５６を含む。図４の例では、Ｘ軸ジャイロスコープシステム１５２は、Ｘ軸に関する受感軸を有し、Ｙ軸ジャイロスコープシステム１５４は、Ｙ軸に関する受感軸を有し、Ｚ軸ジャイロスコープシステム１５６は、Ｚ軸に関する受感軸を有し得る。各ＮＭＲ蒸気セル１５８、１６０、及び１６２の回転軸は、図４の例においてデカルト座標システム１６４によって示される。一例として、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸ジャイロスコープシステム１５２、１５４、及び１５６の各々は、図２の例におけるＮＭＲジャイロスコープシステム５０と実質的に同様に構成され得る。従って、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸ジャイロスコープシステム１５２、１５４、及び１５６の各々は、アルカリ金属を分極することによって内部のアルカリ金属及び磁気回転同位体の歳差運動を促進するように各蒸気セル１５８、１６０、及び１６２を通して供給される各円偏光光ビームＯＰＴに相当する各検出ビームＯ_ＤＥＴの強度に基づいて、Ｘ、Ｙ、及びＺ軸周りのそれぞれの回転角ＲＯＴ_Ｘ、ＲＯＴ_Ｙ、及びＲＯＴ_Ｚを決定するように構成され得る。

【0029】

図４の例では、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸ジャイロスコープシステム１５２、１５４、及び１５６の各々は、それぞれの回転角ＲＯＴ_Ｘ、ＲＯＴ_Ｙ、及びＲＯＴ_Ｚを含む信号を運動センサ１６６に出力するものとして示される。従って、運動センサ１６６は、三軸ジャイロスコープシステム１５０を含む関連の乗り物又はデバイスの総三軸回転運動を決定するように構成され得る。従って、三軸ジャイロスコープシステム１５０を含む関連の乗り物又はデバイスのヨー、ピッチ、及びロールを決定することができる。従って、運動センサ１６６は、三軸ジャイロスコープシステム１５０を含む関連の乗り物又はデバイスの三軸回転運動を表示、出力、及び／又は通知するように構成され得る。

【0030】

上記の前述の構造的及び機能的特徴を考慮して、本発明の様々な態様による方法は、図５を参照することにより、より理解されるであろう。説明を簡単にするために、図５の方法を順に実行するものとして図示及び説明するが、本発明による一部の態様は、本明細書に図示及び説明されたものとは異なる順序で及び／又は他の態様と同時に実行し得るので、本発明は例示された順序に限定されないことを理解及び認識されたい。さらに、本発明の一態様による方法を実装するために、全ての例示された特徴が必要とは限らない場合がある。

【0031】

図５は、ＮＭＲジャイロスコープシステム（例えば、ＮＭＲジャイロスコープシステム１０）における受感軸周りの回転角（例えば、信号ＲＯＴ）を決定する方法２００の一例を示す。２０２において、ＮＭＲジャイロスコープシステムの受感軸（例えば、受感軸５２）とアライメントされた磁場（例えば、磁場Ｂ_Ｚ）は、アルカリ金属（例えば、アルカリ金属１４）及び磁気回転同位体（例えば、磁気回転同位体１６）を包囲するように密封された蒸気セル（例えば、蒸気セル１２）を通して供給される。２０４において、光ビーム（例えば、光ビームＯＰＴ）は、アルカリ金属を分極することによって、磁場に反応したアルカリ金属及び磁気回転同位体の歳差運動を促進するように、磁場に対してオフセット角（例えば、オフセット角θ）で蒸気セルを通して供給される。２０６において、蒸気セルから出射する光ビームに相当する検出ビーム（例えば、検出ビームＯ_ＤＥＴ）の強度がモニタリングされる。２０８において、受感軸周りの回転角は、検出ビームの強度（例えば、光検出器２６によってモニタリングされるような）に基づいて計算される。

【0032】

上記は本発明の例である。もちろん、本発明を説明する目的で、構成要素又は方法の考えられるあらゆる組み合わせを記載することは不可能であるが、当業者であれば、本発明の多くのさらなる組み合わせ及び置換が可能であることを認識するであろう。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲に入る全てのそのような変更形態、改変形態、及び変形形態を包含するものとする。

【外国語明細書】

2015163875000001.pdf