JP6058323B2

JP6058323B2 - リングレーザジャイロ

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Publication number: JP6058323B2
Application number: JP2012199671A
Authority: JP
Inventors: 慶飯塚; 吉岡　和範; 和範吉岡; 山本　直樹; 直樹山本
Original assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Current assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2032-09-11
Also published as: US20140300899A1; EP2706324A3; EP2706324B1; EP2706324A2; JP2014055801A; US8994952B2

Description

本発明は、ディザ検出用圧電素子を用いないリングレーザジャイロに関する。

図１を参照して、従来のリングレーザジャイロを概説する。ガラス製のジャイロブロック１１の内部には三角形状の通路１２が形成されており、通路１２の各頂部にミラー１３，１４，１５が配置されていている。通路１２内にはレーザ媒質が封入されており、通路１２の各辺には陽極１６，１７および陰極１８が設けられている。陽極１６，１７と陰極１８との間に高電圧を印加することによってレーザ媒質を励起し、時計回りのレーザ光と反時計回りのレーザ光が発振する。時計回りのレーザ光と反時計回りのレーザ光はそれぞれ、ミラー１３，１４，１５で反射して、通路１２内にて三角リング状に周回する。以下、レーザ光の光路をリング状光路と呼称する。

この状態でジャイロブロック１１に角速度が入力すると、互いに反対方向（時計回りと反時計回り）に周回するレーザ光の間に光路差が生じる。この光路差が両レーザ光間に発振周波数差を生じさせる。従って、時計回りのレーザ光と反時計回りのレーザ光とを重ね合わせることによって干渉縞ができ、この干渉縞から角速度を検知することができる。

このため、ミラーリードアウト（半透過ミラー）であるミラー１３を通してレーザ光が取り出される。図１中、符号２１は干渉縞（干渉光）を検出するフォトセンサを示しており、符号２２は一方のレーザ光の光路を屈折させて他方のレーザ光との干渉縞を形成するためのプリズムを示している。また、符号２３はリング状光路の光路長制御を行うために、取り出されたレーザ光の強度（ビームインテンシティ）を測定するレーザ光強度測定器を示している。なお、図１では、レーザ光強度測定器２３によって測定されるビームインテンシティを一定に保つように光路長制御を行うミラートランスデューサの図示を省略している。

図１では、フォトセンサ２１、プリズム２２およびレーザ光強度測定器２３はジャイロブロック１１から離されて模式的に図示されているが、これらフォトセンサ２１、プリズム２２およびレーザ光強度測定器２３はジャイロブロック１１又はジャイロブロック１１が固定されているジャイロケースに取り付けられている。

ジャイロブロック１１の中央には開口部１９が形成されており、この開口部１９に、ロックイン現象を緩和するため、レーザ光の周回方向の振動、つまりリング状光路の軸心周りの振動をジャイロブロック１１に与えるディザ機構３１が取り付けられている。

ディザ機構３１は図２に示すように、円筒状の可動部３２と、その軸心から放射状に延伸されて可動部３２に至る３つの腕状変形部３３と、軸心位置においてこれら変形部３３と連結され、変形部３３で区切られた各空間に突出した３つの島状の取り付け部３４ａを有する固定部３４とを含み、各変形部３３の両側面には圧電素子３５がそれぞれ接着により取り付けられている。

３つの変形部３３に取り付けられた計３対（６個）の圧電素子３５のうち、２対はディザ駆動用に使用され、残る１対はディザ検出用に使用される。なお、取り付け部３４ａには、ディザ機構３１を具備するリングレーザジャイロを例えばジャイロケース上にネジ止め固定して搭載する際に使用するネジ用のザグリ穴３４ｂが形成されている。

ディザ制御部４３は、ディザ検出用圧電素子によって得られた電気信号（以下、ディザピックオフ信号という）の振幅が一定になるような振動をジャイロブロック１１に与えるようにディザ機構３１を駆動制御する。なお、ディザピックオフ信号は、バイアス信号除去部４２にも入力される。

フォトセンサ２１によって検知された干渉縞の情報（移動方向や速さなど）は、信号処理部４１に入力され、角速度情報へと変換される。信号処理部４１によって出力された角速度情報は、バイアス信号除去部４２の入力となる。

バイアス信号除去部４２は、ディザピックオフ信号を用いて、印加された周回方向のディザ振動に相当する振動角速度信号を角速度情報から除去し、この結果を角速度信号として出力する。この角速度信号が、リングレーザジャイロを備える機器などの運動における角速度を表すことになる。

このようなリングレーザジャイロは、例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３に開示されている。

特開2010-127686号公報特開2008-309704号公報特開2007-93551号公報

このような構成を持つリングレーザジャイロによると、ディザ機構の温度変化などの外乱によりディザ検出用圧電素子に歪みが発生し検出電圧に影響を与えるので、角速度信号の精度が劣化してしまう。

そこで、本発明は、ディザ検出用圧電素子を用いないリングレーザジャイロを提供することを目的とする。

本発明のリングレーザジャイロは、レーザ光発振用のジャイロブロックから取り出されたレーザ光を受けるレーザ光受光手段と、レーザ光受光手段が受けたレーザ光の強度を測定するレーザ光強度測定手段と、ジャイロブロックにレーザ光の周回方向の振動を与えるディザ機構と、ディザ機構を駆動させるディザ制御手段と、ジャイロブロックを収めているジャイロケースとを含んでおり、レーザ光受光手段はジャイロケースに固定されており、レーザ光受光手段は、ジャイロブロックからのレーザ光を受ける受光面を有しており、当該受光面上でのレーザ光の受光位置を検出して当該受光位置を表す位置情報を出力し、ディザ制御手段は、位置情報から得られる、受光位置の往復変化の振幅に基づいてディザ機構を駆動させることを特徴とする。

レーザ光受光手段は、位置情報として少なくとも二つの電流値または少なくとも二つの電圧値を出力する構成を採用できる。

また、レーザ光強度測定手段は、電流値または電圧値を加算することによってレーザ光の強度を測定するようにしてもよい。

本発明に拠れば、ジャイロケースに固定されているレーザ光受光手段が受光面上でのレーザ光の受光位置を検出して当該受光位置を表す位置情報を出力し、ディザ制御手段が位置情報から得られる受光位置の振幅に基づいてディザ機構を駆動させる。つまり、本発明では、ディザ検出用圧電素子を用いることなくディザ機構が駆動制御される。このため、ディザ機構の温度変化などの外乱がディザ検出用圧電素子に影響することがないので、角速度信号の精度が劣化することを防止できる。

従来のリングレーザジャイロの構成例。ディザ機構の平面図。実施形態のリングレーザジャイロの構成例。レーザ光受光部の一例であるＰＳＤの平面図。実施形態に含まれるディザ制御部の構成例。実施形態に含まれるディザ制御部の構成例。

図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。従来技術と共通の構成要素には同じ符号を割り当てて重複説明を省略し、本発明の実施形態と従来技術との差異を説明する。

図３に示す実施形態のリングレーザジャイロＡは、従来のリングレーザジャイロが具備するレーザ光強度測定器２３に替えて、レーザ光発振用のジャイロブロック１１から取り出されたレーザ光を受けるレーザ光受光部６０と、レーザ光受光部６０が受けたレーザ光の強度を測定するレーザ光強度測定部７０を含んでおり、レーザ光受光部６０は、ジャイロブロック１１を収めているジャイロケース５０に固定されている。また、リングレーザジャイロＡは、従来のリングレーザジャイロが具備するディザ制御部４３に替えて、ディザ制御部８０を含む。

レーザ光受光部６０は、ジャイロブロック１１からのレーザ光を受ける受光面６１を有しており、受光面６１上でのレーザ光の受光位置を検出して受光位置を表す情報（以下、位置情報という）を出力する。レーザ光受光部６０は、位置情報を、例えばアナログ信号として出力する。レーザ光は、ミラーリードアウト（半透過ミラー）であるミラー１３を通してジャイロブロック１１から取り出される。ミラー１３を通してジャイロブロック１１から取り出されたレーザ光が、直接、レーザ光受光部６０の受光面６１を照射する構成でも、ミラー１３を通してジャイロブロック１１から取り出された後にプリズムによって光路を屈曲されたレーザ光が、レーザ光受光部６０の受光面６１を照射する構成でもよい。

ジャイロブロック１１はディザ機構３１によってレーザ光の周回方向の振動が加えられているため、受光面６１上でのレーザ光の受光位置は時間の進行と共に往復変化する。実施形態によると、この往復変化の振幅を求めて、この振幅が一定になるような振動をジャイロブロック１１に与えるようにディザ機構３１が駆動制御される。

レーザ光受光部６０として、ＣＭＯＳイメージセンサ（Complementary Metal Oxide Semiconductor Image Sensor）、ＣＣＤイメージセンサ（Charge Coupled Device Image Sensor）、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）などを採用できる。ＰＳＤは、フォトダイオードの表面抵抗を利用して受光位置の位置情報を出力する。この実施形態では、レーザ光受光部６０をＰＳＤとする。

ＰＳＤであるレーザ光受光部６０は、位置情報として少なくとも二つの電流値または少なくとも二つの電圧値を出力する。図４は、１次元の位置情報として二つの電流値I_X1,I_X2を出力するＰＳＤの一例の平面図である。図示しない共通電極の位置を原点として、二つの出力電極X1，X2からレーザ光の受光位置に応じた光電流I_X1,I_X2が出力される。例えば、矩形状の受光面６１の幅（受光面６１を照射するレーザ光が直線状の往復軌跡を描く方向の長さ、つまり受光位置が往復変化する方向の長さ）をL_Xとし、原点から受光位置までの距離をｘとすると、ｘ＝L_X(I_X2-I_X1)/2(I_X2+I_X1)で与えられる。ただし、この例では、受光位置が原点よりも出力電極X2側に在る場合にｘの値が正となるように定めている。

レーザ光強度測定部７０は、レーザ光受光部６０が受けたレーザ光の強度を測定し、レーザ光強度信号を出力する。例えば、レーザ光受光部６０が出力した信号（例えば電流値または電圧値であり、図示の例では、光電流I_X1,I_X2である）を加算することによってレーザ光の強度を測定し、具体的には、レーザ光受光部６０が出力した信号（ただし、レーザ光受光部６０が出力した電流値または電圧値そのものに限定されず、この電流値または電圧値が増幅された値や、後述するように光電流I_X1,I_X2がI-V変換された電圧値V_X1,V_X2であってもよい）を加算した結果をレーザ光強度信号として出力する。

また、レーザ光受光部６０が出力した位置情報、つまり、レーザ光受光部６０が出力した信号は、ディザ制御部８０に入力される。ディザ制御部８０は、入力された位置情報から受光位置の往復変化の振幅を表す情報を求め、この情報に基づいてディザ機構３１を駆動させるディザ駆動信号を出力する。

ディザ制御部８０の構成例を図５に示す。レーザ光受光部６０が光電流I_X1,I_X2を出力する場合はI-V変換回路６５によって電圧値V_X1,V_X2に変換されて、これら電圧値V_X1,V_X2がレーザ光強度測定部７０およびディザ制御部８０に入力される。レーザ光受光部６０が電圧を出力する場合はI-V変換回路６５は必要ない。なお、レーザ光強度測定部７０は、電圧値V_X1と電圧値V_X2の加算結果（レーザ光強度信号）を出力する。このレーザ光強度信号は図示しないミラー制御部とディザ制御部８０の入力となり、ミラー制御部はビームインテンシティを一定に保つようにミラー１４，１５を駆動してリング状光路の光路長を制御する。

ディザ制御部８０では、減算器８１が電圧値V_X2から電圧値V_X1を引いた減算結果を出力し、変位演算器８２が、減算器８１からの減算結果とレーザ光強度測定部７０からの加算結果を入力として、ｘ＝L_X(V_X2-V_X1)/2(V_X2+V_X1)なる演算処理を行い、変位ｘを表す信号を出力する。変位ｘを表す信号はハイパスフィルタ８３に通され、ハイパスフィルタ８３の出力は、振幅検出回路８４の入力となる。また、ハイパスフィルタ８３の出力は、ディザ振幅信号として従来のディザピックオフ信号に替えてバイアス信号除去部４２にも入力される。振幅検出回路８４は、入力値の変動範囲に基づき、上記受光位置の往復変化の振幅を表す信号を出力する。減算器８５によって、基準電圧発生回路９０から出力される基準値の出力から、振幅検出回路８４の出力が減算され、この減算結果はPIDコントローラ８６に入力される。PIDコントローラ８６は、入力された減算結果に基づき、往復変化の振幅が一定になるように、ハイパスフィルタ８３の出力に対してフィードバック制御を行う。PIDコントローラ８６の出力とハイパスフィルタ８３の出力との乗算結果が乗算器８７から出力され、乗算器８７の出力は位相調整回路８８によって位相調整され、さらに昇圧回路８９によって昇圧されてディザ駆動信号となり、このディザ駆動信号がディザ機構３１における駆動用の圧電素子３５に供給される。なお、バイアス信号除去部４２は、入力されたディザ振幅信号を用いて、印加された周回方向のディザ振動に相当する振動角速度信号を角速度情報から除去し、この結果を角速度信号として出力する。

ディザ制御部８０の他の構成例を図６に示す。レーザ光受光部６０が光電流I_X1,I_X2を出力する場合はI-V変換回路６５によって電圧値V_X1,V_X2に変換されて、これら電圧値V_X1,V_X2がレーザ光強度測定部７０およびディザ制御部８０に入力される。レーザ光受光部６０が電圧を出力する場合はI-V変換回路６５は必要ない。なお、レーザ光強度測定部７０は、電圧値V_X1と電圧値V_X2の加算結果（レーザ光強度信号）を出力する。このレーザ光強度信号は図示しないミラー制御部とディザ制御部８０の入力となり、ミラー制御部はビームインテンシティを一定に保つようにミラー１４，１５を駆動してリング状光路の光路長を制御する。

ディザ制御部８０では、減算器８１が電圧値V_X2から電圧値V_X1を引いた減算結果を出力し、変位演算器８２が、減算器８１からの減算結果とレーザ光強度測定部７０からの加算結果を入力として、ｘ＝L_X(V_X2-V_X1)/2(V_X2+V_X1)なる演算処理を行い、変位ｘを表す信号を出力する。変位ｘを表す信号はハイパスフィルタ８３に通され、ハイパスフィルタ８３の出力は、振幅検出回路８４の入力となる。また、ハイパスフィルタ８３の出力は、ディザ振幅信号として従来のディザピックオフ信号に替えてバイアス信号除去部４２にも入力される。振幅検出回路８４は、入力値の変動範囲に基づき、上記受光位置の往復変化の振幅を表す信号を出力する。減算器８５によって、基準電圧発生回路９０から出力される基準値から振幅検出回路８４の出力が減算され、この減算結果はPIDコントローラ８６に入力される。PIDコントローラ８６は、入力された減算結果に基づき、往復変化の振幅が一定になるように、正弦波生成器９１に対してフィードバック制御を行う。正弦波生成器９１は、PIDコントローラ８６の出力に基づいて所定の振幅を持つ正弦波信号を出力する。正弦波信号は昇圧回路８９によって昇圧されてディザ駆動信号となり、このディザ駆動信号がディザ機構３１における駆動用の圧電素子３５に供給される。なお、バイアス信号除去部４２は、入力されたディザ振幅信号を用いて、印加された周回方向のディザ振動に相当する振動角速度信号を角速度情報から除去し、この結果を角速度信号として出力する。

実施形態の構成に拠ると、ディザ機構３１によって印加されたジャイロブロック１１の振動をディザ機構３１の温度変化等の影響を受けやすい圧電素子を用いて計測するのではなく、ジャイロブロック１１から取り出されたレーザ光がレーザ光受光部６０の受光面６１を照射する位置（つまり、受光面６１上の受光位置）の変化によって、ディザ機構３１によって印加されたジャイロブロック１１の振動を計測している。この受光位置の変化はディザ機構３１によって印加されたジャイロブロック１１の実際の振動を正確に反映している。また、レーザ光受光部６０は、ディザ機構３１による振動の影響を受けないジャイロケース５０に固定されている。従って、実施形態の構成に拠ると、ディザ機構３１によって印加されたジャイロブロック１１の実際の振動を高い精度で計測できる。また、高精度に計測されたディザ機構３１による振動に相当する振動角速度を、フォトセンサ２１によって検知された干渉縞の情報（移動方向や速さなど）を信号処理して得られる角速度情報から除去できるので、リングレーザジャイロの出力精度も向上する。

また、従来のディザ機構３１では、複数対の圧電素子３５のうち、少なくとも１対はディザ検出用に使用されていた。このため、残りのディザ駆動用圧電素子に印加する電圧を高く設定しないとディザ機構３１の所望の駆動を実現できなかった。しかし、実施形態に拠ると、ディザ検出用圧電素子が不要であるため、全ての圧電素子をディザ駆動用に使用することができる。つまり、各圧電素子に印加する電圧を従来よりも低く設定でき、ディザ機構３１の駆動に必要な電源回路の規模を小さくでき、電源回路の低コスト化が可能となる。

さらに、従来のリングレーザジャイロでは、ディザ検出用圧電素子の構成はレーザ光強度測定用の構成から独立していた。他方、実施形態に拠ると、レーザ光受光部６０の出力を用いることで、レーザ光受光部６０によりディザ検出とレーザ光強度測定の両方が可能となり、ディザ駆動用圧電素子を従来と同じ２対とした場合はディザ検出用圧電素子が不要となるため、従来と比較して部品点数を減らすことができる。このため、リングレーザジャイロの故障率の低下と低コスト化も可能となっている。

本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。

Ａリングレーザジャイロ
１１ジャイロブロック
３１ディザ機構
３５圧電素子
４２バイアス信号除去部
５０ジャイロケース
６０レーザ光受光部
６１受光面
７０レーザ光強度測定部
８０ディザ制御部
８１減算器
８２変位演算器
８３ハイパスフィルタ
８４振幅検出回路
８５減算器
８６ PIDコントローラ
８７乗算器
８８位相調整回路
８９昇圧回路
９０基準電圧発生回路
９１正弦波生成器

Claims

レーザ光発振用のジャイロブロックから取り出されたレーザ光を受けるレーザ光受光手段と、
上記レーザ光受光手段が受けたレーザ光の強度を測定するレーザ光強度測定手段と、
上記ジャイロブロックにレーザ光の周回方向の振動を与えるディザ機構と、
上記ディザ機構を駆動させるディザ制御手段と、
上記ジャイロブロックを収めているジャイロケースと
を含み、
上記レーザ光受光手段は、上記ジャイロケースに固定されており、
上記レーザ光受光手段は、上記ジャイロブロックからのレーザ光を受ける受光面を有しており、当該受光面上でのレーザ光の受光位置を検出して当該受光位置を表す位置情報を出力し、
上記ディザ制御手段は、上記位置情報から得られる、上記受光位置の往復変化の振幅に基づいて上記ディザ機構を駆動させる
ことを特徴とするリングレーザジャイロ。
請求項１に記載のリングレーザジャイロであって、
上記レーザ光受光手段は、上記位置情報として少なくとも二つの電流値または少なくとも二つの電圧値を出力する
ことを特徴とするリングレーザジャイロ。
請求項２に記載のリングレーザジャイロであって、
上記レーザ光強度測定手段は、上記電流値または上記電圧値を加算することによって上記レーザ光の強度を測定する
ことを特徴とするリングレーザジャイロ。