JP2008064567A - リングレーザジャイロの光路長制御回路、角速度信号生成回路及びリングレーザジャイロ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】正確な光路長制御を行えるようにする。
【解決手段】デュアルフォトダイオードによって検出されるレーザ光干渉縞の検出出力φＡ，φＢを二乗して加算し、それを復調して積分した出力でミラートランスデューサ１９を駆動する光路長制御回路において、φＡとφＢの位相差誤差を補償すべく、φＢの位相を調整する位相調整回路５０と、その調整された出力φＢ’の振幅をφＢの振幅と等しくするＡＧＣ回路６０とを設ける。位相調整回路５０はφＢからφＡ’を減算してφＢ’を生成する減算器５４と、φＢ’とφＡを掛け算する掛算器５１と、掛算器５１の出力を積分する積分器５２と、積分器５２の出力とφＡを掛け算してφＡ’を生成する掛算器５３とによって構成される。
【選択図】図１

Description

この発明はリングレーザジャイロに関し、特に光路長制御回路及び角速度信号生成回路の改良に関する。

図６はリングレーザジャイロのジャイロブロック１０の構造を示したものであり、ガラス製のブロック１１内に三角形の通路１２が形成され、その通路１２の三角形の各頂点にミラー１３〜１５が配され、これらミラー１３〜１５によってリング状光路が構成されている。通路１２内にはレーザ媒質が封入され、通路１２の各辺には陽極１６，１７及び陰極１８が設けられている。
ミラー１４，１５は光路長制御用のミラーとされ、これらミラー１４，１５にはそれぞれミラートランスデューサ１９が配置されている。ミラートランスデューサ１９を駆動することによりミラー１４，１５は変位し、これにより光路長の制御を行えるものとなっている。なお、ロックイン現象の発生を防止すべく、ジャイロブロック１０に角振動を与えるディザ機構の図示は図６では省略している。

上記のような構成を有するジャイロブロック１０では陽極１６，１７と陰極１８との間に高電圧を印加し、プラズマ放電を発生させてレーザ媒質を励起し、リング状光路に互いに反対方向（時計回り，反時計回り）に進行する２つのレーザ光を発振させる。この状態でジャイロブロック１０にリング状光路の軸心を中心とする角速度が入力すると、２つのレーザ光に光路差が生じ、その光路差が２つのレーザ光間に発振周波数差を生じさせる。従って、これら２つのレーザ光を重ね合わせることにより干渉縞ができ、この干渉縞から入力角速度を検知するものとなっている。

レーザ光の取り出しはミラー１３がリードアウトミラーとされて、このミラー１３を介して行われる。図６中、２１は干渉縞（干渉光）を検出するためのデュアルフォトダイオードを示し、２２は一方のレーザ光の光路を変換して干渉縞を形成するためのプリズムを示す。デュアルフォトダイオード２１は２つのフォトダイオードが近接配置されたもので、２つのフォトダイオードは干渉縞の一波長λに対してλ／４だけ間隔を離して配置されており、これによりデュアルフォトダイオード２１は位相差が９０°の２つの干渉縞検出出力を出力する。なお、図６ではデュアルフォトダイオード２１及びプリズム２２をジャイロブロック１０と離して模式的に示しているが、これらデュアルフォトダイオード２１及びプリズム２２はジャイロブロック１０と固定一体化されている。

図７はデュアルフォトダイオード２１の検出出力を使用して光路長制御（Path Length Control：ＰＬＣ）を行う光路長制御回路の従来構成例を示したものであり、デュアルフォトダイオード２１の２つのフォトダイオード２１ａ，２１ｂの出力電流はそれぞれ電流電圧変換回路３１，３２に入力されて電圧に変換され、出力φＡ，φＢとされる。
これらレーザ光干渉縞の検出出力φＡ，φＢは下式のように表せる。
φＡ＝Ｅ(１＋ｍ・sinω_ｃｔ) sinＳ(Ω_ｉｔ＋Ω_ｄsinω_ｄｔ) …（１）
φＢ＝Ｅ(１＋ｍ・sinω_ｃｔ) cosＳ(Ω_ｉｔ＋Ω_ｄsinω_ｄｔ) …（２）
ここで、Ｅ：ＰＬＣの搬送波振幅
ｍ：振幅変調度
ω_ｃ：ＰＬＣの搬送波角周波数
Ｓ：角速度感度
Ω_ｉ：入力角速度
Ω_ｄ：ディザ角速度振幅
ω_ｄ：ディザ角周波数
なお、上式において、Ω_ｄ sinω_ｄｔはディザ振動を示し、Ｅ(１＋ｍ・sinω_ｃｔ)はＰＬＣの搬送波により振幅変調されていることを示す。

出力φＡ，φＢはそれぞれ二乗回路３３，３４に入力されて二乗され、それら二乗された出力φＡ^２，φＢ^２が加算器３５で加算されてφＡ^２＋φＢ^２となる。φＡ^２＋φＢ^２は、
φＡ^２＋φＢ^２
＝[Ｅ(１＋ｍ・sinω_ｃｔ) sinＳ(Ω_ｉｔ＋Ω_ｄsinω_ｄｔ)]^２
＋[Ｅ(１＋ｍ・sinω_ｃｔ) cosＳ(Ω_ｉｔ＋Ω_ｄ sinω_ｄｔ)]^２
＝[Ｅ(１＋ｍ・sinω_ｃｔ)] ^２
＝Ｅ^２｛１＋２ｍ・sinω_ｃｔ＋ｍ^２（１−cos２ω_ｃｔ）／２｝ …（３）
となる。振幅変調度ｍは１に対して小さいので、２倍波の周波数成分は無視することができ、よってφＡ^２＋φＢ^２は、
φＡ^２＋φＢ^２≒Ｅ^２＋２ｍＥ^２ sinω_ｃｔ …（４）
となる。なお、図７には示していないが、ローパスフィルタで２倍波の周波数成分を除去するようにしてもよい。

加算器３５の出力φＡ^２＋φＢ^２は復調器３６に入力され、出力φＡ^２＋φＢ^２を復調することにより光のパワーが分かる。復調器３６にはＰＬＣ搬送波がＰＬＣ搬送波発生回路３７から入力される。
復調器３６の出力は積分器３８に入力されて積分され、この積分器３８の出力で光が最大となるようにミラートランスデューサ１９を駆動することにより光路長制御が行われる。なお、積分器３８の出力は加算器３９によりＰＬＣ搬送波に加算されてミラートランスデューサ１９に入力される（例えば、特許文献１参照）。

一方、図８は角速度信号生成回路の従来構成例を示したものであり、レーザ光干渉縞の検出出力φＡ，φＢはそれぞれ比較器４１，４２に入力されて波形整形され、入力角速度に応じたＵＰパルス及びＤＯＷＮパルスが生成される。入力角速度はこれらＵＰパルス、ＤＯＷＮパルスの立ち上がり、立ち下がりをそれぞれカウンタ（図示せず）で読み取り、そのカウント値により求めることができる（例えば、特許文献２参照）。
米国特許第４３２０９７４号明細書 特許第３６０３１３７号公報

上述したように、デュアルフォトダイオード２１の２つの出力φＡ，φＢを使用して入力角速度を検出し、また光路長制御を行うリングレーザジャイロにおいては、高精度な角速度検出及び光路長制御を行うために、２つの出力φＡ，φＢの位相差は誤差なく、正確に９０°であることが求められる。
しかしながら、実際には例えばブロック１１の加工精度等に起因してデュアルフォトダイオード２１の２つの出力φＡ，φＢの位相差は９０°に対して誤差をもつ。
出力φＡとφＢの位相差が９０°ではなく、出力φＡに対して出力φＢが位相差誤差θをもつ時、φＢは、
φＢ＝Ｅ(１＋ｍ・sinω_ｃｔ) cos｛Ｓ(Ω_ｉｔ＋Ω_ｄsinω_ｄｔ)＋θ｝ …（５）
となる。この場合、φＡ^２＋φＢ^２は、
φＡ^２＋φＢ^２≒（Ｅ^２＋２ｍＥ^２ sinω_ｃｔ）｛１−sin^２θcos２Ｓ（Ω_ｉｔ＋Ω_ｄsinω_ｄｔ）−sinθcosθsin２Ｓ(Ω_ｉｔ＋Ω_ｄ sinω_ｄｔ)｝ …（６）
となり、搬送波信号成分２ｍＥ^２ sinω_ｃｔの振幅に変化を与えるため、復調した時に誤差が発生する。

図９及び１０は出力φＡとφＢの位相差が９０°の場合（理想的な場合）及び出力φＡとφＢの位相差が８４°の場合（位相差誤差６°がある場合）の光路長制御における各動作波形（ＰＬＣ搬送波、φＡ、φＢ、φＡ^２＋φＢ^２、復調器出力）の一例をそれぞれ示したものであり、位相差誤差がある場合は図１０に示したように復調器３６の出力に誤差が発生する。従って、この復調器３６の出力を積分してミラートランスデューサ１９を駆動した場合、誤差が生じ、正確な光路長制御を行えないものとなる。

一方、入力角速度の検出においてはＵＰパルス、ＤＯＷＮパルスの立ち上がり、立ち下がりをそれぞれカウンタで読み取っている。例えば、ＵＰパルスの立ち上がりからＤＯＷＮパルスの立ち上がりまでの時間をｔ１とし、ＤＯＷＮパルスの立ち上がりからＵＰパルスの立ち下がりまでの時間をｔ２とすると、ｔ１とｔ２は出力φＡとφＢの位相差が９０°の場合は同じ（ｔ１＝ｔ２）であるが、位相差が９０°でなくなるとｔ１とｔ２のどちらかが短くなり、他方が長くなる（ｔ１＜ｔ２又はｔ１＞ｔ２）。

ここで、ｔ１とｔ２はそれぞれ入力角速度の大きさに反比例して小さくなるので、入力角速度が大きくなると、ｔ１，ｔ２は小さくなり、入力角速度が大きい条件下で、出力φＡとφＢに位相差誤差が生じていると、ｔ１あるいはｔ２のいずれかが更に小さくなり、正常なパルスカウントが出来なくなる。
従って、入力角速度が大きくなると、出力φＡとφＢの位相差誤差がＵＰ・ＤＯＷＮパルスのカウント誤差を生じさせ、角速度出力に誤差が発生してしまうこととなる。
なお、このような出力φＡとφＢの位相差誤差をなくすため、従来においては、プリズム２２の９０°の角度の部分を変えたものを何種類か用意して、それを選択することによって出力φＡとφＢの位相差が９０°になるように調整するといったことが行われているものの、このような調整作業は手間がかかり、その分製造コストが増加するものとなっていた。

また、このようなプリズム２２の選択による調整では位相差がちょうど９０°になるものを選択しえない場合もあり、さらには例えば温度変化によって位相差が変化してしまうという問題もある。
この発明の目的はこれら従来の問題に鑑み、ブロックの加工誤差等に起因して発生するデュアルフォトダイオードの２つの出力φＡ，φＢの位相差誤差を補償することにより、正確な光路長制御を行えるようにした光路長制御回路を提供することにあり、さらには角速度出力の誤差をなくすことができるようにした角速度信号生成回路を提供することにある。

請求項１の発明によれば、デュアルフォトダイオードによって検出されるレーザ光干渉縞の検出出力φＡ及びφＢをそれぞれ二乗する２つの二乗回路と、それら二乗回路の出力を加算する加算器と、その加算器出力を復調する復調器と、その復調器出力を積分する積分器とを有し、その積分器出力でミラートランスデューサを駆動して光路長を制御するように構成されたリングレーザジャイロの光路長制御回路において、出力φＡとφＢの位相差誤差を補償すべく、出力φＡに対する出力φＢの位相差が９０°となるように、出力φＢの位相を調整し、その調整した出力φＢ’を出力する位相調整回路と、出力φＢ’の振幅を出力φＢの振幅と等しくして前記二乗回路へ出力する自動利得制御回路とを設ける。位相調整回路は出力φＢから出力φＡ’を減算して出力φＢ’を生成する減算器と、出力φＢ’とφＡとを掛け算する掛算器と、その掛算器出力を積分する積分器と、その積分器出力と出力φＡとを掛け算して出力φＡ’を生成する掛算器とによって構成される。

請求項２の発明によれば、デュアルフォトダイオードによってレーザ光干渉縞を検出し、それら検出出力φＡ及びφＢを比較器でそれぞれ波形整形して角速度信号を生成するリングレーザジャイロの角速度信号生成回路において、出力φＡとφＢの位相差誤差を補償すべく、出力φＡに対する出力φＢの位相差が９０°となるように、出力φＢの位相を調整し、その調整した出力φＢ’を前記比較器へ出力する位相調整回路を設ける。位相調整回路は出力φＢから出力φＡ’を減算して出力φＢ’を生成する減算器と、出力φＢ’とφＡとを掛け算する掛算器と、その掛算器出力を積分する積分器と、その積分器出力と出力φＡとを掛け算して出力φＡ’を生成する掛算器とによって構成される。

請求項３の発明によれば、リングレーザジャイロ装置は請求項１記載の光路長制御回路を具備するものとされる。
請求項４の発明によれば、リングレーザジャイロ装置は請求項２記載の角速度信号生成回路を具備するものとされる。

この発明による光路長制御回路によれば、ブロックの加工誤差等に起因して発生するデュアルフォトダイオードの２つの検出出力φＡ，φＢの位相差誤差を補償することができ、よって誤差のない正確な光路長制御が可能となる。
また、この発明による角速度信号生成回路によれば、検出出力φＡ，φＢの位相差誤差が補償されるため、角速度出力の誤差をなくすことができる。
従って、これらの点からこの発明によれば良好な温度特性を有し、優れた性能のリングレーザジャイロ装置を実現することができ、加えてプリズムの選択といった極めて面倒な作業も不要となることから、その分安価に製造することができる。

この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１はこの発明による光路長制御回路の一実施例の構成を示したものであり、図７に示した従来の構成と対応する部分には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
この例では出力φＡに対する出力φＢの位相差が９０°となるように、出力φＢの位相を調整し、その調整した出力φＢ’を出力する位相調整回路５０が設けられ、さらに自動利得制御（以下、ＡＧＣと言う）回路６０が設けられる。
位相調整回路５０は出力φＡとφＢ’とを掛け算する掛算器５１と、その掛算器５１の出力を積分する積分器５２と、その積分器５２の出力と出力φＡとを掛け算して出力φＡ’を生成する掛算器５３と、出力φＢから出力φＡ’を減算して出力φＢ’を生成する減算器５４とによって構成されている。

出力φＡとφＢとに位相差誤差がなく、位相差が９０°の場合（理想的な場合）、φＡ×φＢは前記した式（１）と（２）より、
φＡ・φＢ＝｛Ｅ^２(１＋ｍ・sinω_ｃｔ)^２sin２Ｓ(Ω_ｉｔ＋Ω_ｄ sinω_ｄｔ)｝／２ …（７）
となる。図２はこの場合の各動作波形（ＰＬＣ搬送波、φＡ、φＢ、φＡ×φＢ）の一例を示したものである。
式（７）のφＡ×φＢは積分すると０となり、よって位相調整回路５０において積分器５２の出力＝０、掛算器５３の出力φＡ’＝０、減算器５４の出力φＢ’＝φＢとなり、φＢ’の位相はφＢの位相と同じとなって変化しない。

一方、出力φＡとφＢの位相差が９０°ではなく、位相差誤差θがある場合、前記した式（１）と（５）よりφＡ×φＢは、
φＡ・φＢ＝Ｅ^２（１＋ｍ・sinω_ｃｔ）^２｛−sinθ＋cosθsin２Ｓ（Ω_ｉｔ＋Ω_ｄsinω_ｄｔ）＋sinθcos２Ｓ(Ω_ｉｔ＋Ω_ｄ sinω_ｄｔ)｝／２ …（８）
となる。
出力φＡとφＢの位相差の絶対値が９０°より小さい場合（θ＜０の場合）、式（８）のφＡ×φＢは積分すると正の電圧となる。図３は一例として出力φＡとφＢの位相差が８４°の場合の各動作波形（ＰＬＣ搬送波、φＡ、φＢ、φＡ×φＢ）を示したものである。

積分器５２の出力（正の電圧）は掛算器５３で出力φＡに掛け合わされてφＡ’となり、掛算器５３の出力φＡ’はφＡの振幅が異なった波形となる。出力φＡ’は減算器５４で出力φＢから減算され、φＢはφＡ’を減算することで位相が進み、φＡとの位相差が９０°になるように制御される。
このように出力φＢは位相調整回路５０を通過することにより、出力φＡとの位相差が９０°となるように位相調整された出力φＢ’となる。出力φＢ’は振幅がφＢと異なっているため、ＡＧＣ回路６０に入力されて振幅がφＢの振幅と等しくされ、振幅がφＢと等しくされたφＢ’’がＡＧＣ回路６０から二乗回路３４へ出力される。

従って、図１に示した光路長制御回路によれば、位相調整回路５０とＡＧＣ回路６０とによって位相と振幅が適切に制御され、出力φＡに対して出力φＢの位相差誤差θがあってもその位相差誤差θが補償されて正確な光路長制御を行えるものとなる。
なお、出力φＡとφＢの位相差の絶対値が９０°より大きい場合（θ＞０の場合）は式（７）のφＡ×φＢを積分すると負の電圧となり、よって掛算器５３の出力φＡ’はφＡと逆位相となり、減算器５４で出力φＢはφＡ’を減算することで位相が遅れ、φＡとの位相差が９０°になるように制御される。

図４は図１におけるＡＧＣ回路６０の具体的構成例を示したものであり、ＡＧＣ回路６０はゲイン調整回路６１と整流器６２，６３と減算器６４と積分器６５とによって構成することができる。
次に、角速度信号生成回路について説明する。
図５はこの発明による角速度信号生成回路の一実施例の構成を示したものであり、図８に示した従来の角速度信号生成回路に対し、上述した位相調整回路５０を設けることによって出力φＡとφＢの位相差が９０°になるように制御されるため、角速度出力の誤差をなくすことができ、高精度な角速度検出を行えるものとなる。

この発明による光路長制御回路の一実施例の構成を示すブロック図。 図１の各動作波形の一例を示す図（出力φＡとφＢの位相差が９０°の場合）。 図１の各動作波形の一例を示す図（出力φＡとφＢの位相差が８４°の場合）。 図１におけるＡＧＣ回路の具体的構成例を示すブロック図。 この発明による角速度信号生成回路の一実施例の構成を示すブロック図。 リングレーザジャイロのジャイロブロックの構造を説明するための図。 光路長制御回路の従来構成例を示すブロック図。 角速度信号生成回路の従来構成例を示すブロック図。 図７の各動作波形の一例を示す図（出力φＡとφＢの位相差が９０°の場合）。 図７の各動作波形の一例を示す図（出力φＡとφＢの位相差が８４°の場合）。

Claims (4)

1. デュアルフォトダイオードによって検出されるレーザ光干渉縞の検出出力φＡ及びφＢをそれぞれ二乗する２つの二乗回路と、それら二乗回路の出力を加算する加算器と、その加算器出力を復調する復調器と、その復調器出力を積分する積分器とを有し、その積分器出力でミラートランスデューサを駆動して光路長を制御するように構成されたリングレーザジャイロの光路長制御回路において、
   前記出力φＡとφＢの位相差誤差を補償すべく、出力φＡに対する出力φＢの位相差が９０°となるように、出力φＢの位相を調整し、その調整した出力φＢ’を出力する位相調整回路と、
   前記出力φＢ’の振幅を前記出力φＢの振幅と等しくして前記二乗回路へ出力する自動利得制御回路とを設け、
   前記位相調整回路は、
   前記出力φＢから出力φＡ’を減算して前記出力φＢ’を生成する減算器と、
   前記出力φＢ’とφＡとを掛け算する掛算器と、
   その掛算器出力を積分する積分器と、
   その積分器出力と前記出力φＡとを掛け算して前記出力φＡ’を生成する掛算器とによって構成されていることを特徴とするリングレーザジャイロの光路長制御回路。
2. デュアルフォトダイオードによってレーザ光干渉縞を検出し、それら検出出力φＡ及びφＢを比較器でそれぞれ波形整形して角速度信号を生成するリングレーザジャイロの角速度信号生成回路において、
   前記出力φＡとφＢの位相差誤差を補償すべく、出力φＡに対する出力φＢの位相差が９０°となるように、出力φＢの位相を調整し、その調整した出力φＢ’を前記比較器へ出力する位相調整回路を設け、
   前記位相調整回路は、
   前記出力φＢから出力φＡ’を減算して前記出力φＢ’を生成する減算器と、
   前記出力φＢ’とφＡとを掛け算する掛算器と、
   その掛算器出力を積分する積分器と、
   その積分器出力と前記出力φＡとを掛け算して前記出力φＡ’を生成する掛算器とによって構成されていることを特徴とするリングレーザジャイロの角速度信号生成回路。
3. 請求項１記載の光路長制御回路を具備することを特徴とするリングレーザジャイロ装置。
4. 請求項２記載の角速度信号生成回路を具備することを特徴とするリングレーザジャイロ装置。

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