JPH024149B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、レーザ角速度センサにデイザーをか
ける、すなわちバイアスをかけることにより、ロ
ツクイン現象を原因とするジヤイロ出力角誤差の
累積を減少させる改良した方法およびこの新規な
方法を実施する装置に関するものである。

〔従来技術〕

時にはリング・レーザ・ジヤイロと呼ばれる簡
単なレーザ角速度センサにおいては、回転速度を
検出すべき中心を成す入力軸を定める閉ループ路
にほぼ沿つて互いに逆向きに進む２つの単色光ビ
ームが発生される。入力軸を中心としてリング・
レーザ・ジヤイロが回転すると、一方のビームが
進む実効レーザ経路の長さが長くなり、他方のビ
ームが進む実効レーザ路が短くなる。２つのビー
ムの経路の長さが変化すると各ビームの振動数が
変化し、一方が高くなり、他方が低くなる。その
理由は、レーザ・ビームの振動数はレーザ経路の
長さに依存するからである。２つの波それぞれの
振動数、したがつて２つの波の振動数の差は閉ル
ープ路の回転の関数であり、回転の関数である位
相関係が２つの波の間に成立する。

２つのビームの振動数が異なるとそれらのビー
ムの間の位相Ψがその振動数の差に比例する率で
変化する。２つのビームの間の全位相変化ΔΨは
振動数差の時間積分に比例し、かつジヤイロの入
力軸を中心とする入力回転速度の時間積分に比例
する。したがつて、ある時間にわたる全位相変化
量は積分時間中の入力軸を中心とする全角度変位
を示し、２つの波の間の位相の変化率dΨ／dtは
ジヤイロの入力軸を中心とする回転速度を示す。

しかし、低回転速度では２つのビームの振動数
差は小さく、２つのビームは単一の振動数で振動
するように互いに共振すなわち「ロツクイン」し
ようとする。したがつて、簡単なレーザ・ジヤイ
ロにおいては低回転速度では振動数差は零である
から低回転速度を測定することは不可能となる。
それ以下では２つのビームの間の振動数差が零と
なるような回転速度は一般に「ロツクイン速度」
と呼ばれている。ジヤイロがロツクイン速度以下
で回転しており、かつビームがロツクインされて
いる時は、ジヤイロの出力角度誤差を生じる。も
ちろん、低回転速度を正確に測定できないと航行
装置におけるレーザ角速度センサの有効性が低下
することになる。したがつて、レーザ角速度セン
サを航行装置で一層効果的に使用できるように、
レーザ角速度センサの分野においては「ロツクイ
ン」の影響を小さくするか、なくすことを目的と
して多くの開発研究が行われている。

「ロツクイン」の影響を小さくするか、なくす
ための１つの技術が本出願人の所有する米国特許
第3373650号に開示されている。その米国特許に
開示のレーザ角度センサには、互いに逆向きに進
む２つの光ビームに振動数バイアスを導入するた
めの要素が設けられている。与えられる振動数バ
イアスは、「ロツクイン」直前に生ずる振動数差
より大きな振動数差を、互いに逆向きに進む２つ
の光ビームの間に大半の時間にわたつて存在させ
るようなものである。更に、導入される振動数差
の符号すなわち極性は、周期的に反転するバイア
スの完全な１サイクルの後では２つの光バイアス
の間の時間積分された振動数差がほぼ零であるよ
うに、周期的に反転させられる。バイアスの符号
すなわち向きが反転する時刻の附近では、振動数
差がロツクイン速度から零までの範囲にわたるか
ら、「ロツクイン」が生じる傾向にある。「ロツク
イン」の生じる時間は非常に短いから、その結果
としてジヤイロ出力角誤差が累積される可能性は
大幅に減少する。しかし、それでもジヤイロ出力
角信号中に誤差が累積され、やがてはその誤差は
面倒なレベルに達する。これは航行装置において
特に問題である。

前記米国特許に示されているバイアス装置の改
良が本願出願人の有する米国特許第3467472号に
開示されている。この米国特許には、前記米国特
許第3363650号に示されているバイアスを周期的
に変化させることに加えて、バイアスの反転が起
る時刻附近で生ずる小さなジヤイロ出力角度誤差
がランダム化されて平均累積誤差が小さくなるよ
うに、バイアスをランダム化して与えるバイアス
装置が開示されている。この改良は十分なもので
はあるが慣性航行装置にレーザ角速度センサを広
く応用させるためにはロツクイン誤差を一層小さ
くすることが求められている。

第１図は米国特許第3373650号と第3467472号に
示されている周知の典型的なリング・レーザ・ジ
ヤイロ１００を示すものである。レーザ発生媒体
１０がほぼ単一振動数の互いに逆向きに進む２本
のビーム１１，１２を生ずる。それらのビームは
反射鏡１３，１４，１５で形成された三角形状の
閉ループ路に沿つて進む。この閉ループ路は直交
基準軸（ここではジヤイロ入力軸と呼ぶ）２６を
囲んでいる様子が示されている。

閉ループ路はいくつかの方法で作ることができ
る。たとえば、反射鏡１３は希望によつては凹面
鏡１３′にできる。この凹面鏡により光路の位置
合わせを行うことができる。平面鏡である反射鏡
１４の位置はトランスデユーサ１４Ａにより制御
できる。レーザ発振を最適に行わせるために、互
いに逆向きに進む２つの光ビームの光路長を制御
するように反射鏡１４を位置させることができ
る。そのトランスデユーサは本願出願人の所有す
る米国特許第3581227号に開示されている。また、
光路長制御装置は本願出願人の所有する米国特許
第4152971号に開示されている。

反射鏡１５と、組合せプリズム２１と、検出器
２２との組合せによりレーザジヤイロ読出し器が
構成される。反射鏡１５は半透明平面鏡として示
されている。したがつて、光ビーム１１，１２の
エネルギーの一部はその反射鏡１５を透過でき
る。反射鏡１５を透過したビーム１１，１２の部
分は組合せプリズム２１に入射して、その組合せ
プリズム２１からの出力光ビーム１１′，１２′は
互いに微小な交叉角をもつて射出させられる。

それらの光ビーム１１′，１２′は、互いに逆向
きに進む２つの光ビーム１１，１２の振動数と位
相に関連する。それらの光ビーム１１′，１２′は
検出器２２に重畳して入射し、明暗の帯が交互に
並んで構成された干渉じまパターンを生ずる。そ
の干渉じまは互いに逆向きに進む２つの光ビーム
の間の瞬時位相関係のふるまいを示すものであ
る。互いに逆向きに進む２つの光ビームの振動数
が同じであれば互いに逆向きに進む２つの光ビー
ムの間の瞬時位相は一定であり、干渉じまパター
ンは一定である。しかし、互いに逆向きに進む２
つの光ビームの振動数が異なると、それらのビー
ムの瞬時位相関係は時間とともに変化し、２つの
ビームのうちのいずれの振動数が高いかに応じ
て、干渉じまパターンは右または左を動くように
見える。したがつて、２つの光ビームの間の瞬時
位相関係をモニタすることにより、入力軸２６を
中心とする回転運動の大きさと向きを決定でき
る。その運動の向きは位相変化の向き、すなわ
ち、どのビームの振動数が高いかにより決定さ
れ、回転の角度、すなわち、ある基準位置からの
閉ループ路の角変位は、しまの数の変化と、検出
器の固定基準マークを通るその部分により測定さ
れる。干渉じまの完全な変化のそれぞれ（すなわ
ち、最高輝度から最低輝度を経て最高輝度まで）
は、２つの光ビームの間の2πラジアンの位相変
化を表す。干渉じまの動きの変化率はレーザ・ジ
ヤイロ入力軸２６を中心とする回転速度を示す。

２つのレーザ・ビームのレーザ・ジヤイロ位相
を検出する装置の一例が第１ａ図に示されてい
る。この装置は組合せプリズム２１の出力側に、
干渉じまの間隔の約４分の１（λ／４）だけ隔て
て配置される２つの検出器２２ａ，２２ｂより成
る。この装置の物理的寸法はその装置における光
学的関係に依存する。検出器２２ａ，２２ｂは干
渉じまパターンの強さを示す出力信号を発生する
光検出器で構成できる。検出器２２ａ，２２ｂを
干渉じまの間隔の約４分の１だけ隔てることによ
り干渉じまの運動の向きと大きさをモニタできる
様な位相の光検出器の出力が得られる。ジヤイロ
が時計回りに回転させられると、干渉じまパター
ンは１方の向きに動き、ジヤイロが逆時計回りに
回転させられると、干渉じまパターンは逆の他方
の向きに動く。一方の検出器を通る干渉じまの動
き（明から暗）から生ずる輝度の最高と最低の数
を数えることにより回転速度は決定され、検出器
２２ａ，２２ｂにより与えられる２つの輝度信号
の向きの変化を比較することにより回転の向きが
決定される。各検出器により検出された輝度の値
は互いに逆向きに進む２つの光ビームの間の瞬時
位相を示す。後で説明するように、各光ビームは
異なるオフセツト角度βだけオフセツトされる。

各時刻ごとに各検出器は、第１ａ図に示されて
いるように、異なる輝度に応答する。各検出器の
出力は、パターンの輝度と瞬時位相Ψに対する検
出器の空間的な場所に依存するあるオフセツト位
置定数βだけオフセツトされている、ビームの間
の位相Ψに直接関連する。第１ａ図に示されてい
る実施例では、βの値はπ／２ラジアンである。
検出器が完全に位置させられているならば、その
βの値はλ／４に一致する。以下の説明では、β
の値はΨを含んでいる表現により示される。

再び第１図を参照して、検出器２２ａ，２２ｂ
の出力は、それらの検出器の出力を処理して角回
転、大きさ、向きおよび回転速度を決定するため
の周知の信号処理回路２４へ与えられる。この信
号処理回転２４の一例が本願出願人が所有する米
国特許第3373650号と第3627425号に示されてい
る。各検出器の出力は、増幅されてから相対的な
プラス・カウントとマイナス・カウントをモニタ
するデジタル・カウンタをトリガするために用い
られる。各カウントは入力端２６を中心として閉
ループ路に沿つて互いに逆向きに進む２つの光ビ
ームの2πラジアンの位相変化を表す。各カウン
トと、角速度センサとの角変位との関係は、入力
速度と光ビームの振動数差との間のセンサの関係
（すなわち、スケール・フアクタ）に依存する。
たとえば、１度／時（地球の回転速度の１／15）
慣性入力回転速度の関係を有するレーザ・ジヤイ
ロ（空胴内での２つの光ビームの間の振動数差が
１Hzにされる。）を作ることが可能である。１時
間当り１度というのは正確に時間の１秒当り１弧
秒である。したがつて、１秒間ごとに１弧秒の慣
性角度が発生され、２つのビームの間に2πラジ
アンの位相変化が生ずることになる。その理由
は、１秒の積分時間にわたる振動数差１Hzの時間
積分が2πラジアンだからである。そうすると各
カウントは１弧秒の重みを持つことになり、入力
軸を中心としてセンサが360度回転すなわち１回
転すると1296000カウントの出力が生ずることに
なる。ある１つの向きの回転ではそれらのカウン
トすなわちパルスを正と定め、逆向きの回転では
それらのパルスを負と定める。（論理はデジタル
増分角度エンコーダで用いられる論理に類似す
る。） 典型的には、第１図に示されている閉ループ路
は、ジヤイロの入力軸２６を中心とする回転を測
定するために、支持要素２５により支持される。
この図では検出器２２も支持要素２５により支持
されているが、検出器２２は支持要素２５の外部
に設けることができる。第１図ではレーザ発生媒
体が互いに逆向きに進む２つの光ビームの光路中
にあるが、本発明はそのような構造に限定される
ものではない。ビームが閉ループ路内で共振する
ように、レーザ発生媒体は支持要素２５により支
持されている閉ループ路に沿つて互いに逆向きに
進む２つの光ビームを発生するためにだけ求めら
れる。

次に、第１図に示すレーザ角速度センサの動作
を詳しく説明する。入力軸２６を中心とする回転
が存在しない時は、光ビーム１１，１２の振動数
は等しく、光ビーム１１′，１２′により検出器２
２上に作られるしまパターンは一定のままであ
る。支持装置２５が軸２６を中心として回転する
と、回転の向きに応じて一方の光ビームの振動数
が高くなり、他方の光ビームの振動数が低くな
る。それに対応して、ビーム１１′，１２′により
作られた検出器２２上のしまパターンは２つのビ
ーム１１，１２の振動数の差に比例する速さで動
き、いずれかの検出器２２ａ，２２ｂにより測定
される輝度は互いに逆向きに進むビーム１１と１
２の間の位相を示す。その位相の変化率は回転を
示すもので、数学的には次の(1)式で示すことがで
きる。

dΨ／dt＝Ψ〓＝Sωi＋Sω_LcosΨ (1) ここに、Ψ＝２つの光ビームの間の瞬時位相 Ｓ＝ジヤイロのスケール・フアクタ ωi＝ジヤイロの入力回転速度 ω_L＝ジヤイロのロツクイン速度 である。

(1)式は入力速度と観察できる位相関係の間のロ
ツクイン誤差関係を記述するものである。位相の
変化率は入力速度に直接関係するが、ジヤイロの
ロツクイン速度ω_Lを含む誤差項により変えられ
ることに注意すべきである。入力回転速度がω_L
より低い時は誤差項は非常に大きい。この誤差項
は通常はロツクイン誤差と呼ばれ、角回転の決定
に際してはとくに面倒なものとなる。

ビームの間の位相関係は干渉じまの間隔よりは
るかに小さな寸法の光検出器により観察できる。
干渉じまの間隔（すなわち最高の輝度）が検出器
を通つて動く速さを記録するだけで回転速度を測
定できる。その動く速さは振動数の差に比例す
る。１本のしまの間隔が記録される各時刻は２つ
のビームの間の2πラジアンの位相変化を表す。
ある時間にわたる振動数差の積分（しまの変化数
のカウント）は、前記したように、２つのビーム
の間の全位相変化量に比例し、したがつてジヤイ
ロ入力軸を中心とする閉ループ路の積分時間中に
おける全角変化量に比例する。これは数学的には
次式で表される。

ΔΨ＝∫^T2 _T1（f₂−f₁）dt ここに、ΔΨは振動数がf₂，f₁であるビーム１
１と１２の間の位相の積分時間中の全位相変化量
（ラジアン）で、その符号は回転の向きを示す。

１つのしまの間隔が検出される各時刻は「カウ
ント」と呼ぶことができる。カウントとその端数
の総数（位相変化の総計）にスケール・フアクタ
を乗じた値は積分時間中の角変位を示し、カウン
トの変化率は回転速度を示す。

(1)式は光検出器２２の出力カウントを用いて
種々の単位で表すことができ、かつ(2)式で示され
る。

dC／dt＝dI／dt＋F_Lcos（2πC） (2) ここに、 Ｉ＝カウントで表したセンサ入力角変位で、
dI／dtはカウント／秒で表されるセンサ入
力速度 F_L＝カウント／秒で表されるジヤイロのロツ
クイン速度 Ｃ＝カウントで表されるジヤイロの角変位出力
で、dC／dtはジヤイロ出力変化率である。
いずれもロツクイン誤差を含む。

ロツクインのために出力Ｃは実際の入力Ｉに等
しくないことがある。ジヤイロの出力角ロツクイ
ン誤差は、(3)式に示されるように、ロツクイン誤
差変量Ｅにより定めることができる。

Ｅ＝Ｃ−Ｉ (3) (3)式は、ジヤイロの出力角カウントは、（ジヤ
イロ入力軸を中心とする角回転で与えられる）入
力角変位に誤差を加えたものに等しいことを単に
示している。

Ｃ＝Ｉ＋Ｅ (4) (4)式を(2)式に代入するとジヤイロ出力カウント
で表される誤差式(5)が得られる。

dE／dt＝Ｅ〓＝F_Lcos｛2π（Ｉ＋Ｅ）｝ (5) (5)式は第１図に示されているような種類のリン
グ・レーザ角速度センサに固有のロツクイン誤差
を記述するものである。このセンサの出力はセン
サにより測定される慣性入力角に関連する信号で
あつて、信号処理装置２４により与えられる。こ
のセンサ出力は(5)式によりほぼ記述されるロツク
イン誤差を含む。以下の説明において、ロツクイ
ン誤差を含み、センサへの慣性入力に関連するセ
ンサ出力信号が存在するものと仮定している。本
発明の目的は、もちろん、通常のセンサ出力信号
に含まれるロツクイン誤差を最小にすることであ
る。(5)式の効用は以下の説明から明らかとなるで
あろう。

前記したように、米国特許第3373650号には、
互いに逆向きに進む２つの光ビーム相互間に、符
号が交番し時間的に変化する振動数差が大部分の
時間存在するように、それらの光ビームの振動数
に、周期的に反転するバイアスが与えられるレー
サ・ジヤイロが開示されている。その反転するバ
イアスは、それら２つの光ビーム相互間の振動数
差を、周期的に反転するバイアスの完全な１サイ
クルにわたつて時間積分するほぼ零であるような
性質のものである。（米国特許第3373650号に示さ
れているバイアスは周期的すなわち繰り返えし性
のものであるが、周期的にする必要はなく、た
だ、１秒間当りの反転回数を十分に大きくするだ
けでよい。）その米国特許に開示されているよう
に、バイアスの周期的な反転は、ジヤイロに実際
の回転運動を与えることにより機械的に、また
は、たとえば、レーザ発生光路すなわちレーザ発
生媒体に直接作用することにより、２つのビーム
の間の振動数の差を直接変化させることによつ
て、行うことができる。後者の方法は上記米国特
許においては「電気的に」バイアスを与えるもの
と呼ばれている。機械的にバイアスをかける方法
では、ロツクイン速度より高い実効ジヤイロ入力
回転速度を大部分の時間維持するように、レー
ザ・ジヤイロはジヤイロの入力軸を中心として単
に電気機械的に正逆転振動すなわちデイサーさせ
られ、入力回転速度が向きを周期的に反転するだ
けである。この機械的なバイアス法により加えら
れるジヤイロ入力軸を中心とする振動すなわちデ
イザー運動により各ビームの振動数が影響を受
け、１つの向きの振動では一方の振動数は高くな
り、他方の振動数は低くなり、他方の向きの振動
では振動数の逆の向きに変化する。振動運動の振
動数が十分に高く、その振動によりひき起された
実効回転速度が十分に高いと、ビームの間には変
化する振動数の差が大半の時間にわたつて存在す
るから、低い回転速度を測定する場合でもロツク
インの影響の大部分が避けられる。電気的にバイ
アスをかける方法では、レーザ発生光路中に変化
を起させてレーザ・ビームの振動数を直接分離す
ることにより、互いに逆向きに進んでいる２つの
ビームに振動数バイアスを加えるために、それら
のビームの光路中にフアラデー媒体のような電気
光学的な装置を使用する。米国特許第3373650号
に開示されている機械的にバイアスをかける方法
と電気的にバイアスをかける方法において、それ
らのビームのうちの少くとも一方のビームの振動
数がバイアスすなわち変えられて、それらのビー
ムの間に振動数差が大半の時間にわたつて存在す
るようにする。加えられるバイアスは周期的に反
転する、すなわち、振動数の差の「符号」を変え
るから、それら２つの光ビームの振動数差の時間
積分は、１つのバイアス・サイクルすなわちデイ
ザー・サイクルにわたつてはほぼ零である。

第１図には互いに逆向きに進む２つのビームの
振動数をバイアスするための周期的に反転するバ
イアスする装置３０が示されている。この装置は
導線３１を介してベース２５に結合される。機械
的なバイアス装置においてはバイアス装置３０
は、少くとも一方の振動数を変えるように、ジヤ
イロの入力軸２６を中心としてベース２５を正の
向きと逆の向きに機械的に回転させて、符号が交
番する変化する振動数のバイアスを導入するもの
であれば、どのような装置を用いることができ
る。実際的な意味では、バイアス装置３０は周期
的に反転する振動数のバイアスを通常生ずるが、
周期性は必ずしも要求されない、すなわち、有用
なロツクイン誤差減少を行うために振動数バイア
スは完全に繰り返し性のものである必要はない。

バイアス装置３０によりひき起される回転運動
のことをここではデイザー運動と呼ことにする。

ジヤイロで決定すべき実際の回転は慣性運動入
力として定義される。したがつて、ジヤイロがジ
ヤイロ入力軸２６を中心として実際に測定するセ
ンサ入力運動Ｉは慣性入力運動とデイザー運動の
和である。したがつて、慣性入力運動だけを示す
出力信号を得るためには、慣性入力運動とデイザ
ー運動を弁別する手段を設けねばならない。その
ような弁別手段は周知のものであるから第１図に
は示していない。そのような弁別技術の一例が前
記米国特許第3373650号に示されている。

前記したように、互いに逆向きに進む２つのビ
ームの間にロツクインが起る振動数差よりも高い
振動数差をそれらの２つのビームが、低い回転速
度状態のほとんどの期間において維持するように
バイアスが加えられる。機械的なバイアスが向き
を反転する時刻附近では、振動数の差の符号が変
り、それらのビームの間の位相Ψの変化率dΨ／
dtは零となる。それらの時刻はここでは「零変化
率通過点」と呼び、ロツクイン誤差の増大を記述
するのに重要である。電気的ないし電気光学的な
バイアス装置においても、振動数の差の符号が反
転した時に「零変化率通過点」が起る。

ジヤイロ出力角速度の超越関数式(1)，(2)は、互
いに逆向きに進む２つのビームの間の瞬時位相角
と、センサ・ロツクイン速度と、位相角測定値オ
フセツトとの関数である。ロツクイン速度の実際
の量を得るように(1)式を解くために値ΨまたはＣ
に対する時間的に変化する式がまず得られる。そ
れは変化するバイアスによつて与えることができ
る。

次に、米国特許第3373650号と第3467472号に開
示されているバイアス装置に類似する装置につい
て説明する。機械的なバイアス装置においては、
リング・レーザ・ジヤイロ１００のベース２５が
ある向きと、それとは逆の向きに周期的に回転さ
せられて、互いに逆向きに進む２つのビームの振
動数の差が正弦波状に変えられ、その符号が周期
的に交番させられることになる。このような状況
においては、ベース２５が１つの向きに回転する
と、それらのビームの間の瞬時位相角の大きさは
時間の経過につれて連続して大きくなる。ベース
２５の回転の向きが変わる時点（零変化率通過
点）で、時間的に変化する振動数の差は零へ向か
う。各零変化率通過点は、二次微分d²Ψ／dt²に、
特に回転角の向きに対応する二次微分の符号に関
係をもつ。

第１１図は、回転の向きが反転する零変化率通
過点領域におけるデイザーされているジヤイロに
対する、(5)式で示されている関係から生ずる誤差
を示すグラフである。カーブ４１２はジヤイロ速
度出力と時間との関係を示すグラフで、時刻T0
における零変化率通過点の前における振動数の低
下と、その後における振動数の上昇とを示すもの
である。カーブ４１２のほぼ一定である振幅はセ
ンサのロツクイン速度ω_LまたはF_L（単位はカウン
ト）に依存する。カーブ４１３はジヤイロ角出力
誤差Ｅを示すものであつて、カーブ４１２を積分
することにより得られるものである。この誤差Ｅ
は向きの変化の前後で変化する周波数と振幅で振
動しており、何れの向きにも増加し全体で誤差角
Eiのステツプを示すものである。第１１図からわ
かるように、(5)式で与えられる誤差は常に存在
し、その最も大きな影響は零速度交差の付近で生
じる。正弦波状に周期的にデイザーさせられるリ
ング・レーザ・ジヤイロの場合には、そのような
変化はデイザー・サイクルごとに２回起り、零変
化率通過点ごとにカーブ４１３に示されているよ
うな誤差が起る。不幸なことに、従来のバイアス
装置では、それらのロツクイン誤差の大きさは必
ずしも等しくなく、かつ符号が常に逆ではなく、
そのためにジヤイロの出力中に誤差が累積するこ
とになる。これはランダム・ドリフトまたはラン
ダム・ウオークと呼ばれることがある。

以上の説明は機械的にデイザーされるジヤイロ
についての問題がある。しかし、光学的または電
気的にデイザーされるジヤイロの特性は前記した
特性に類似するから、説明を省略する。

〔発明の概要〕

本発明は、ロツクインの影響を大幅に小さくす
る、レザ角速度センサ用のデイザー装置すなわち
バイアスを加える装置を提供するものである。本
発明に従つて振動数バイアスが変えられ、互いに
逆向きに進む２つの光ビームの振動数と、それら
のビーム間の位相とが所定のやり方で作用を受け
て、少くとも２つの引き続くバイアス期間すなわ
ちデイザー・サイクルの間に累積された誤差をほ
ぼ零に近づけるものである。振動数バイアスの振
幅を変える技術はランダム・バイアスの原理を用
いるか否かにかかわらず実施できる。

レーザ・ジヤイロ・アセンブリはほぼ単一振動
数の２つの電磁エネルギー波、ここでは光ビーム
と呼ぶを与えるレーザ発生媒体と、閉ループ路す
なわち囲まれた領域を形成する複数の反射鏡とで
構成される。その囲まれた領域に垂直な軸は一般
にジヤイロ入力軸として定義される。２本の光ビ
ームは閉ループ路に沿つて互いに逆の向きに進
む。すなわち、それらのビームは逆向きのビーム
である。互いに逆向きに進む２つの光ビームの間
の振動数差をモニタするために読出し装置が設け
られる。その読出し装置は、互いに逆向きに進む
２つの光ビームの間の瞬時位相を検出し、ジヤイ
ロ入力軸を中心とする閉ループ路の対応する時計
回りと逆時計回りの慣性回転を区別するために、
２つの検出器を用いて正と負の位相変化を識別す
るものである。２つのビームの間の位相の変化率
は回転速度を示すが、その零速度はロツクインま
たは零回転速度を示すものであることを注意され
たい。

〔実施例〕

本発明のバイアス装置においては、ある引き続
くデイザーの数サイクルにわたつて累積される誤
差がほぼ零となるように、互いに逆向きに進む２
つのビームの間の瞬時位相を引き続く零変化率通
過点に変えるために振動数バイアスが制御され
る。次に、本発明の新規なバイアス装置について
説明する。

慣性入力回転速度が零で、センサ回転速度はレ
ーザ・ジヤイロの入力軸２６を中心とするデイザ
ー運動のみにより与えられ、そのデイザー運動は
入力軸２６を中心として正弦波状に正回転と逆回
転の向きに与えられる状況を仮定する。第２図は
そのような状況を示すグラフである。第２図には
実際の入力デイザー角度、すなわち、ジヤイロ入
力軸２６を中心とする真のジヤイロ入力角Ｉ（カ
ウント）を、数サイクルにわたる時間に対して示
している。そこでのデイザー運動は完全に正弦波
状である。「カウント」は2πラジアンの位相角変
化に直接対応することに注意すべきである。ジヤ
イロのロツクイン速度がない場合には、デイザ
ー・サイクルの完全な１サイクル後ではジヤイロ
出力角Ｃは零であるから誤差またはその累積は生
じない。これを表す別の方法は、互いに逆向きに
進む２つの光ビームの振動数差のデイザー・サイ
クルの周期中にわたる時間積分は零である、とい
うことである。しかし、第１１図を参照して説明
したように、ロツクインのために累積出力角誤差
Ｅが生ずることになる。

第２図に示すデイザーは正弦波状であるが、ジ
ヤイロ出力角誤差Ｅの累積におけるデイザーの役
割は、デイザーを放物線状と考えることにより適
切に表すことができる。すなわち、正のデイザー
半サイクルの場合には最大デイザー角がθ₁である
上に凸のー放物線とし、負のデイザー半サイクル
の場合には最大デイザー角がθ₂である下に凸の放
物線と考えることができる。したがつて、正のデ
イザー角放物線（すなわち、ジヤイロ慣性入力
角）は次式で表すことができ、 I⁺＝θ₁−θ¨₁t²／２ (6) また、負のデイザー角放物線は次式で表すこと
ができる。

I^-＝θ¨₂t²／２−θ₂ (7) 以下の説明では、デイザー角の振幅は、「カウ
ント」を単位とし、したがつて、互いに逆向きに
進む２つのビームの間の位相変化の対応する単位
を有することに注意されたい。正のデイザー角は
d²Ψ／dt²またはd²C／dt²の第１の極性に対応し、
負のデイザー角は第２の極性、すなわち、正のデ
イザー角でのd²Ψ／dt²の極性とは逆の極性に対
応する。

まず、正のデイザー角の放物線について説明す
る。(6)式を誤差式(5)に代入すると、 Ｅ〓⁺＝F_Lcos｛2π（Ｅ＋θ₁−θ¨₁t²／２）｝ (8) が得られる。

レーザ・ジヤイロの品質が許容できないほど低
いものでなければ、いくつかのデイザー半サイク
ルにわたる誤差Ｅの変化は非常に小さい。したが
つて、(8)式の右辺のＥは一定であると考えること
ができる。そうすると、(8)式をマイナス無限大か
らプラス無限大にわたつて時間積分することによ
り、正のデイザー角の放物線に対して増大する出
力角誤差を表す式(9)を得ることができる。

上の積分はフレネル積分特性を基にしているも
のである。

同様に、負のデイザー角の放物線に対する増大
する誤差の式は同様のやり方で(11)式のように求め
ることができる。

実際的な目的のためには、θ¨₁とθ¨₂はほぼ等し
いから単にθ¨と表すことができる。しかし、θ₁と
θ₂の間の小さな差でも三角関数では大きな違いを
生ずることがあるから、両者の差は記憶しておか
ねばならない。

完全な１デイザー・サイクルにわたる全誤差増
分は、正のデイザー角の放物線の間に累積された
誤差と、負のデイザー角の放物線の間に累積され
た誤差の和として表すことができる。その和は、 である。ここに、 A₁＝θ₁＋１／８ A₂＝θ₂＋１／８ である。簡単な三角法の公式を用いると(12)式は次
のようになる。

この（13）式により表わされるのは、ジヤイロ
入力軸２６を中心とする慣性回転がデイザー運動
のみであると仮定の下で、完全な１デイザー・サ
イクル中に累積される全増加ジヤイロ出力角誤差
△Ｅのカウントである。

（13）式で表される誤差のために、完全な１デ
イザー・サイクル中にジヤイロ入力軸２６を中心
とする角変化が零であつても、ジヤイロがある角
度だけ回転したことを示すジヤイロ出力角が生じ
る。航行装置においては、これはある角度回転と
して示される。これは、もちろん誤りとなる。そ
の理由は、デイザー運動以外のセンサ運動がない
と、と（13）式を定める際に仮定したのだからで
ある。各デイザー・サイクルにおける各零速度交
差はロツクイン誤差の源を構成する。したがつ
て、各デイザー半サイクルから生ずるジヤイロ出
力角誤差は累積されることになる。その結果
（13）式で示される累積された誤差は、先にラン
ダム・ドリフトまたはランダム・ウオークと呼ん
だロツクイン誤差の増大をもたらす。レーザ・ジ
ヤイロを連続動作させた場合に累積誤差が過大に
なると精密な航行装置に使用できなくなり、した
がつて累積誤差を最小に抑えるか、誤差を全くな
くすことが必要である。

本発明では、式(12)または（13）で表される各デ
イザー・サイクルごとの累積ジヤイロ出力誤差角
は、互いに逆向きに進む２つのビームの間の瞬時
位相差を、順ぐりの零変化率通過点において、所
定値だけ変えることにより大幅に減少できる。前
記した機械的にバイアスされる装置では、正と負
の最大のデイザー振幅を、順ぐりの零変化率通過
点において、予め選択した量だけ変えることによ
り瞬時位相差を操作できる。

第３図には本発明の原理を用いた誤差打ち消し
バイアス装置の一実施例のブロツク図が示されて
いる。リング・レーザ・ジヤイロ１００が第１図
に示されているのと類似の結合要素３１を介して
バイアス装置３０に結合される。このバイアス装
置３０は機械的および電気的のいずれのやり方で
も構成できる。説明の便宜上、バイアス装置３０
と結合要素３１は、リング・レーザ・ジヤイロ１
００をその入力軸２６を中心として振動させ、リ
ング・レーザ・ジヤイロ１００内の互いに逆向き
に進む２つのビームの振動数バイアスを周期的に
反転させることができる機械的な構成のものと仮
定する。これは、たとえば、ベース２５に結合さ
れるモータを用いて行うことができる。バイアス
装置３０はバイアス制御信号発生器３２により与
えられたバイアス制御信号により制御される。

バイアス制御信号発生器３２から接続要素３３
へ与えられるバイアス制御信号は、 Asin（2πFdt） の形の出力（Fdは所望のデイザー周波数）を生
ずる第１の信号発生器３４の第１信号成分と、 Ksin（2πF_xｔ） の形の出力を生ずる第２の信号発生器３５の第２
信号成分との和である。

加算器３６は第１、第２信号発生器３４，３５
からそれぞれ発せられる第１、第２信号成分を加
合せる。加算器３６で加え合わされたそれらの信
号出力はバイアス装置３０を制御するバイアス制
御信号である。Fx＝Fd／２であると、バイアス
制御信号は正と負の最大振幅が周期的に変わるほ
ぼ正弦波信号となる。バイアス制御信号の振幅の
周期的な変化は、選択された振幅Ｋと選択された
周波数Fxを有する第２の信号発生器３５により
ほぼ決定される。正弦波状変化の周波数はFdに
より決定される。

第４図は、通常のセンサ出力中のロツクイン誤
差を大幅に減少する本発明の誤差打消しバイア
ス・デイザー運動を示すグラフである。第４図は
第３図に示す本発明の実施例により与えられるデ
イザー運動のグラフを示す。第３図のバイアス装
置３０により与えられる最大バイアス角振幅は、
バイアス制御信号発生器３２により与えられるバ
イアス制御信号により決定される予め選択された
値だけ、周期的に変えられる。Fx＝Fd／２の場
合には、第４図に示す最初の正弦波状デイザー角
は正の最大デイザー角振幅θ₁と、負の最大デイザ
ー角振幅θ₂を有する。第２の正弦波状デイザー・
サイクルの正と負の最大振幅はそれぞれθ₃，θ₄で
ある。第３のデイザー・サイクルでは第１のデイ
ザー・サイクルと同じである等である。連続する
２つのデイザー・サイクルから生ずる全増分ジヤ
イロ出力角誤差は、各デイザー・サイクルの各半
サイクルにおける各増分誤差の和であり、式(9)，
(11)を第４図に示す引き続く２つのデイザー・サイ
クルに適用することにより求めることができ、次
の（14）式で表すことができる。

△Ｅ（２サイクル）＝△Ｅ（θ₁）＋△Ｅ（θ₂）＋Ｅ
（θ₃）＋△Ｅ（θ₄） （14） 引き続く２つのデイザー・サイクルに対して
（14）式により記述されている全増分ジヤイロ出
力角誤差は、次の式で示される関係を成立させる
ことにより、ほぼ零にすることができる。

sin｛2π（θ₁＋Ｅ＋８／１）｝＝−sin｛2π（θ₃
−Ｅ＋１／８）｝（15） sin｛2π（θ₂−Ｅ＋８／１）｝＝−sin｛2π（θ₄
−Ｅ＋１／８）｝（16） 前と同様に引き続く数サイクルの間はＥは小さ
くてほぼ一定であると仮定している。

（15），（16）式で示されている関係は θ₁−θ₃＝Ｎ±１／２カウント （17） θ₂−θ₄＝Ｎ±１／２カウント （18） であれば成立する。これらの式でＮは任意の整数
である。

式（17），（18）は、正の最大デイザー角θ₁，θ₃
がカウントの±１／２という単数部分だけ異な
り、負の最大デイザー角θ₂，θ₄が±１／２カウン
トだけ異るものとすると、この関係を有する引き
続く２つのデイザー・サイクルに対する得られた
増大ジヤイロ出力角誤差はほぼ零であることを示
す。すなわち、センサ出力に関連するロツクイン
誤差は前記のようにほぼ零にされる。最大デイザ
ー振幅の間のカウントの端数のみが意味をもつ点
は重要である。その理由は、カウントの整数部分
が２つのビームの間の2πの位相変化の整数部に
一致し、ロツクイン誤差の減少に何の影響も及ぼ
さないからである（式（14），（15），（16）で示し
た三角関係を参照）。

再び第３図を参照して第１の信号発生器３４
は、第２の信号発生器３５と関係なく動作した時
に、リング・レーザ・ジヤイロ１００の最大の正
と負のデイザー角振幅がＡとなるように、バイア
ス装置３０を制御できる。第２の信号発生器３５
は、第１の信号発生器と関係なく動作させられた
時に、レーザ・ジヤイロ１００の最大デイザー角
振幅が１／２√２となるようにバイアス装置３０
を制御できるように、第２の信号発生器３５の出
力の振幅が選択される。第１と第２の信号発生器
３４，３５の出力の和はバイアス制御信号発生器
のバイアス制御信号を構成する。このバイアス制
御信号により、レーザ・ジヤイロ１００の回転を
正と逆の向きに振動させることによつて、デイザ
ー角の振幅Ａを１カウントの１／４（π／２）だ
け交互に大きくしたり、小さくしたりして、引き
続く正の最大デイザー振幅と引き続く負の最大デ
イザー振幅との間の差を希望の値である１カウン
トの１／２（π）にし、それにより式（15），（16）
で示されている等式が満足され、引き続く２つの
デイザー・サイクルにわたつて累積されたジヤイ
ロ出力角誤差がほぼ零となるようにバイアス装置
３０を制御する。

バイアス装置３０と結合要素３１の一例は、米
国特許第3373650号に開示されている、ばねにと
りつけられた電磁石である。電磁石にパルスが与
えられるとばねにトルクが加えられ、そのために
レーザ・ジヤイロ１００が加えられたパルスの大
きさと極性に比例したデイザー動作すなわち震動
を行う。このばね−電磁石系は高いＱを示すか
ら、１個のパルスが加えられると数サイクルのデ
イザー運動が行われる。各パルスは非常に軽くダ
ンピングされた正弦波状リンギングを生ずる。パ
ルスを正弦波状のデイザー信号に組合わせられる
と、主デイザー振動数で、非常に軽くダンピング
された正弦波状リンギングのデイザー角振幅が発
生される。そのような系が本発明の他の実施例と
して第５図に示されている。

第５図は、本発明の原理を用いた誤差打ち消し
バイアス装置の他の実施例を示す。第５図は、第
３図のバイアス信号発生器３２の代りにバイアス
信号発生器５３２が用いられていることを除い
て、第３図に類似する。第２の信号発生器３５の
代りにパルス発生器５３７が用いられていること
を除き、バイアス信号発生器５３２はバイアス信
号発生器３２に類似する。第５ａ図に示されてい
るように、パルス発生器５３７は、振幅がＰで、
第１の信号発生器３４により発生される主デイザ
ー信号と同相関係にある正と負のパルスを交互に
発生できる。第５ａ図で、カーブ５００は第１の
信号発生器３４により発生された信号によりひき
起されるデイザー運動を表し、カーブ５１０はパ
ルス発生器５３７により発生されたパルスにより
ひき起されるデイザー運動を示す。それらの２つ
のデイザー運動を組合わせて得られたデイザー運
動が、周期的に強められる振幅Ｃにより示されて
いる。第２の信号発生器５３７により発生される
パルスを適切に形成することにより、第３図のバ
イアス装置により行われるのとほぼ同じデイザー
運動が発生される。すなわち、バイアス装置３０
はレーザ・ジヤイロ１００を第４図に示すように
振動させる。この振動で、デイザー角の振幅４分
の１カウントだけ交互に増大させられたり、減少
させられたりする。そのように状況においては、
引き続く正の最大デイザー角振幅と、引き続く負
の最大デイザー角振幅の間のカウントの半分の希
望の差が達成されて、引き続く２つのデイザー・
サイクルにわたつて累積されたジヤイロ出力角誤
差がほぼ零にされる。

(9)〜（18）式に関して行つた以上の解析は、Ｍ
個のデイザー・サイクルより成るサイクル群に対
して累積されたジヤイロ出力角誤差をほぼ零にす
るような条件を記述するためにより一般化でき
る。式（15），（16）における数学的表現が、Ｍ個
のデイザー・サイクルより成る群に対しては
（19）式に示されている表現により一般的な形で
示されている。この（19）式において、θ_pは前記
デイザー・サイクル群における個々の引き続く最
大の正デイザー角振幅（カウント）、θ_oは同じデ
イザー・サイクル群における個々の引き続く最大
の負のデイザー角振幅（カウント）であり、Ｅは
小さいと仮定され、Ｍ個のデイザー・サイクルに
わたつてほぼ一定であると仮定される。

〓〓sin｛2π（θ_p＋Ｅ＋８／１）｝ ＝〓〓sin｛2π（θ_o−Ｅ＋８／１）｝＝０ 〓〓cos｛2π（θ_p＋Ｅ＋８／１）｝ ＝〓〓cos｛2π（θ_o−Ｅ＋８／１）｝＝０ （19） （19）式を満すあるデイザー・サイクル群の正
と負の最大デイザー角振幅の所定の値が、引き続
くデイザー・サイクル群それぞれでの増分誤差の
和をほゞ零にできることを（19）式は示す。たと
えば、正と負の最大デイザー角振幅を、引き続く
デイザー・サイクルごとにカウントの４分の１だ
け単調かつ部分的に増大させると、８つのデイザ
ー・サイクルにわたると累積誤差が零になる。前
と同様に、この例では、引き続く最大デイザー角
振幅の間のカウントの４分の１の部分差だけが、
三角関数関係のために重要なものである。もちろ
ん、上記の結果を達成するためには、零変化率通
過点における８つの正の最大デイザー角振幅と８
つの負の最大デイザー角振幅は（19）式に示され
ている関係を満足させれば良く、したがつて単調
増大である必要はない。（19）式を満す正と負の
８つのデイザー角振幅は次式から見出すことがで
きる。

A_i＝Ａ＋（ｉ−１）／ｍカウント＋ｎカウント ここに、 ｎ＝任意の整数 Ａ＝カウントで表わしたある一定振幅 Ｍ＝選択された群内のデイザー・サイクルの
数 ｉ＝群Ｍのｉ番目のデイザー・サイクル である。したがつて、引き続くデイザー・サイク
ルの群に対する最大デイザー・サイクルを変えら
れる多くの可能性を、引き続く各デイザー・サイ
クル群に対する累積誤差をほぼ零にするために、
利用できる。

前記したように、（19）式におけるθ_pとθ_oは、
前記したように、正と負の引き続く零変化率通過
点に、互いに逆向きに進む２のビームの間の瞬時
位相差に直接関係する。したがつて、上記の考察
は、振動数バイアスを機械的な回転を用いずに与
える、前記電気的バイアス装置にも適用できる。

前記式で用いられる振幅はデイザー・サイクル
の最大振幅であることにも注意すべきである。し
かし、より重要なのは、ジヤイロ入力軸２６を中
心とするセンサ入力速度が零近くであることに対
応するdΨ／dtがほぼ零の時、すなわち、振動数
差が零であつて、符号を変える時のデイザー角振
幅である。センサ入力速度dΨ／dtはデイザー運
動プラス慣性入力運動である。

第３，５図に示すバイアス装置と、それによる
対応する解析により、式（15），（16），（19）が満
されるように最大の正と負のデイザー角振幅を完
全に制御する。しかし、引き続くデイザー・サイ
クル対における非常に小さい摂動
（perterbatoin）のために、先に説明した数学的
解析に含まれていない別の誤差が生ずる。それら
の摂動はランダムでないこともあり、選択された
バイアス装置の結果のこともある。それらの摂動
をランダムにするために、前記米国特許第
3467472号に示されているランダム信号発生器に
類似するランダム信号発生器を用いることができ
る。第６図には、本発明の原理と米国特許第
3464472号に開示されている発明の原理を用いる
誤差打ち消しバイアス装置を示す本発明の別の実
施例を示すものである。

第６図には、第３図に示されているバイアス信
号発生器３２の代りにバイアス制御信号発生器６
３２を用いていることを除き、第３図に示すバイ
アス装置に類似するバイアス装置が示されてい
る。第３図の信号発生器３４の代りに、ランダム
振幅発生器６４３ｂと正弦関数発生器６３４ａを
含む第１の信号発生器６３４が用いられているこ
とを除き、バイアス信号発生器６３２はバイアス
信号発生器３２に類似する。第１の信号発生器６
３４は、引き続くデイザー・サイクルに対する振
幅がランダムに変化することを除き、第１の信号
発生器に類似の正弦関数を生ずる。第１の信号発
生器６３４は、第５図に示されているバイアス装
置の第１の信号発生器３４の代りに第１の信号発
生器６３４を同様に使用できる。

動作時には、第６図に示すデイザー装置は、あ
る任意のランダムな最大の正と負のデイザー角振
幅で、ジヤイロを２つのデイザー・サイクルの間
デイザーする。そのデイザー角振幅は、第２の信
号発生器により行われることを除いてほぼ一定で
ある。その第２の信号発生器は、引き続く２つの
正の最大デイザー角振幅と引き続く２つの負の最
大デイザー角振幅が２分の１カウントだけ異るよ
うに、最大のデイザー角振幅を変える。次に、第
１の信号発生器６３４ａの振幅がランダムに変え
られ、次の２つのデイザー・サイクルの間一定に
保たれる、等である。このように、バイアス装置
における摂動から生ずる誤差を、その平均値が大
幅に小さくなるように、ランダムにする。

以上の説明においては、レーザ・ジヤイロはデ
イザー運動だけを有し、慣性入力運動は零である
と仮定した。ここで、レーザ・ジヤイロの入力軸
を中心とするセンサ入力運動が一定の回転速度Ib
を有する慣性入力運動を含み、引き続く２つのデ
イザー・サイクルの間の振幅が前記したようにカ
ウントの２分の１だけ異なるようなデイザー運動
をレーザ・ジヤイロが受けるような状況について
考えることにする。この状況を第７図にグラフで
示す。このグラフにおいて、ベース運動は次の
（20）式に従う一定の回転速度Ibである。

Ib＝ｉ×4Fd （20） ここに、Fdは周期的に反転するデイザーの周
波数、「ｉ」はデイザー・サイクルの４分の１に
おける慣性入力回転の角度増分である。

第７図において、引き続く２つの正の最大入力
角振幅は数学的には次の式で記述できる。

A1＝Ａ＋１／４＋Ｉ−3i （21） A3＝Ａ−１／４＋Ｉ＋ｉ ここに、Ｉはデイザー・サイクルの中間におけ
る角度回転であり、Ａは1/4カウントだけ強めら
れそして弱められる正常入力デイザー角振幅であ
る。また、引き続く負の最大位相角振幅は次式で
表すことができる。

A2＝Ａ＋１／４−Ｉ＋ｉ （22） A4＝Ａ−１／４−Ｉ−3i （21），（22）式を（13）式に代入してから、引
き続く２つのデイザー・サイクル期間にわたり誤
差を加え合わせると、引き続く２つのデイザー・
サイクルから生じた累積誤差（カウント）につい
て次のような式が得られる。

三角法の定理から（23）式は次のようになる。

（24）式は、ベース運動が存在している時に２
つ以上の引き続くデイザー・サイクルの間に累積
された誤差は慣性入力運動の関数となることを示
している。ベース運動の速度が低い時は、第３，
５，６図に示すバイアス装置は従来の装置よりは
るかに優れている。一方、ベース運動の速度が比
較的高い時は、本発明の誤差打ち消しバイアス装
置により、全ての△Ｅの和である全ロツクイン誤
差は慣性入力速度が高くなるにつれて大きくな
る。これは高速慣性入力速度においては望ましく
ない。その理由は、前記誤差打ち消し装置により
加えられるバイアスの開ループ制御に慣性入力速
度が及ぼす影響を考慮に入れていないからであ
る。

第８図には本発明の誤差打ち消しバイアス装置
の別の実施例のブロツク図が示されている。この
実施例は閉ループ制御を用いている。第８図に示
す装置は慣性入力速度の影響を考慮に入れて希望
のバイアス制御を行うものである。第８図で、レ
ーザ・ジヤイロ１００が結合要素３１を介してバ
イアス装置３０に結合される。バイアス装置３０
はバイアス制御信号発生器８３２により与えられ
るバイアス制御信号により制御される。レーザ・
ジヤイロ１００には、位相角検出器８００が結合
要素８０１を介して結合されるとともに、位相角
変化率検出器８０２が結合要素８０３を介して結
合される。この位相角変化率検出器８０２は、ジ
ヤイロ１００の光ビームの間の位相角変化率が零
を通る（dΨ／dt＝０）時に、出力信号を常に生
ずる。したがつて、その出力信号は「零変化率通
過点」を示す。この「零変化率通過点」は先に述
べたものと同じである。

位相角検出器８００の出力信号は誤差信号要素
９００により処理される。この誤差信号要素９０
０はサンプル・ホールド回路８０４を含む。この
サンプル・ホールド回路は、位相角変化率検出器
８０２の出力信号により零変化率通過点が示され
た時に、位相角検出器８００の出力値を標本化し
て保持する。位相角変化率検出器８０２は結合要
素８０５を介してサンプル・ホールド回路８０４
へゲート信号を与える。誤差信号要素９００は信
号処理器８７５を含む。この信号処理器８７５は
サンプル・ホールド回路８０４から与えられる出
力に応答する。誤差信号要素９００の出力は結合
要素８１０を介してバイアス制御信号発生器８３
２へ与えられる。このバイアス制御信号発生器８
３２はそれに与えられた信号に応答してバイアス
制御信号を発生する。

本発明の原理を述べた式(12)，（13），（24）につ
いての説明において、累積されるジヤイロ出力誤
差は、零変化率通過点の時に２つの光ビームの間
の瞬時位相角がプラス・マイナスπラジアンの選
択された値だけ異なるものとすると、大幅に小さ
くされることを述べた。第８図に示されている閉
ループ・バイアス装置は式（17），（18），（19）に
より説明した本発明の原理を適用するものであつ
て、互いに逆向きに進む２つのビームの間の瞬時
位相角の引き続く零変化率通過点における値は、
二次微分d²Ψ／dt²の極性と同じ極性を有し、か
つ、引き続く２つのデイザー・サイクルすなわち
バイアス反転サイクルにわたつて累積されるロツ
クイン誤差がほぼ零となるように、プラス・マイ
ナスπラジアンの選択された値だけ異なる（二次
微分の極性は、機械的なバイアス装置の例におい
てはデイザー角の極性に一致する）。したがつて、
センサ出力に含まれるロツクイン誤差は零まで実
質的に減少させられる。第８図に示す閉ループバ
イアス装置を実現するための閉ループ制御の原理
を第９図のグラフに示す。この原理を説明するた
めに、機械的なバイアス装置を再び用いることに
するが、電気的なバイアス装置も同様に用いるこ
とができる。このバイアス装置は電気機械的に動
作させられる装置であつて、結合要素３１は１つ
またはそれ以上の板ばねまたはその他の類似の結
合要素を備え、それにより、レーザ・ジヤイロ１
００はジヤイロ入力軸２６を中心として正の向き
と逆の向きに振動させられ、デイザー運動を構成
する。そのような系は前記したＱの高いばね―質
量系と仮定される。

ある一定の入力ベース運動速度が存在し、かつ
ある一定のデイザー角振幅増大速度が存在するも
のと仮定する。入力ベース運動速度をデイザー・
サイクル当りＲカウントとし、振幅増大速度をデ
イザー・サイクル当りＭカウントする。そうする
と、米国特許第3373650号に開示されているよう
な、完全に正弦波状にデイザーさせられるジヤイ
ロが、次のような引き続く最大と最小のデイザー
角振幅A₁／A₃，A₂／A₄を２サイクルにわたつて
呈する。

A₁＝Ｒ−３／４（Ｒ＋Ｍ） A₂＝Ｎ＋１／４（Ｒ−Ｍ） A₃＝Ｐ＋１／４（Ｒ＋Ｍ） A₄＝Ｎ＋３／４（Ｍ−Ｒ） ここに、Ｐ，Ｎは正と負の公称の最大デイザー
角振幅（カウント）を表す。

ここで、第９図に示されるようにパルスが加え
られるものとする。それらのパルスの大きさＸと
Ｙがデイザー角振幅をＸ，Ｙだけ常に増大させ
る。これは、バイアス装置が前記したＱの高いば
ね―質量系である場合の状況にほぼ類似する。

第９図に示されているように、パルスＸ，Ｙが
２つのデイザー・サイクルに同期して与えられ
る。振幅が「＋Ｘ」のパルスが点１で、すなわち
正のデイザー・サイクルのスタート時に与えら
れ、振幅「−Ｘ」のパルスが引き続く第２の正の
デイザー・サイクルのスタート時である点３で与
えられる。更に、第１のデイザー・サイクルの負
の部分のスタート時である点２で振幅が「＋Ｙ」
のパルスが与えられ、引き続く第２のデイザー・
サイクルの負の部分のスタート時である点４で振
幅が「−Ｙ」のパルスが与えられる。前記したＱ
の高いばね―質量系においては、摂動すなわちラ
ンダムな誤差がないと、デイザー運動は、パルス
ＸとＹの大きさに依存する選択された値だけ異な
る値の間で交互に現われるピーク振幅を示す。Ｘ
とＹが適切に選択されるならば、２つのビームの
間の瞬時位相角は、d²Ψ／dt²の同じ極性（同じ
デイザー角極性）での引き続く２つの零変化率通
過点に対して所定の量、たとえば±πラジアンだ
け異ならせることができる。

引き続く４つの零変化率通過点における引き続
く４つの（前に指定した）最大振幅A₁，A₂，
A₃，A₄は、パルスＸ，Ｙが組合わせられると数
学的に次のように表される。

A′₁＝Ｐ−３／４（Ｒ＋Ｍ）＋Ｘ A′₂＝Ｎ＋１／４（Ｒ−Ｍ）＋Ｘ−Ｙ A′₃＝Ｐ＋１／４（Ｒ＋Ｍ）＋Ｘ−Ｙ−Ｘ＝Ｐ＋
１／４（Ｒ＋Ｍ）−Ｙ A′₄＝Ｎ＋３／４（Ｍ−Ｒ）＋（Ｘ−Ｙ−Ｘ＋Ｙ）
＝Ｎ＋３／４（Ｍ−Ｒ） （25） 本発明の原理を適用すると、累積されるジヤイ
ロ出力角誤差Ｅは、それらの最大振幅がカウント
１／２だけ異なるとすると、引き続く２つのデイザ
ー・サイクルに対して零まで大幅に小さくでき
る。最大振幅A′₁，A′₂，A′₃，A′₄の間の関係は A′₃＝A′₁−１／２ A′₄＝A′₂−１／２ （26） 上記の条件を真として（25）式をＸ，Ｙについ
て解くと Ｘ＋Ｙ＝Ｍ＋Ｒ＋１／２ Ｘ−Ｙ＝Ｍ−Ｒ＋１／２ （27） これから Ｘ＝Ｍ＋１／２ Ｙ＝Ｒ （28） となる。

パルスＸとＹの振幅は広い変化範囲を有する必
要はないことに注意されたい。その理由は、それ
らのパルスの強さはカウントの任意の整数だけ変
えられることができるからである。重要なのはそ
れらのカウントの端数部分だけである。したがつ
て、ＸとＹの大きさの−１／２カウントから＋
１／２カウントの範囲で十分である。

次に、（27）式が慣性入力運動とデイザー角振
幅変化の速度とのうちの少くとも一方にあてはま
るように、パルスＸとＹの振幅が変調されると仮
定する。ＸとＹのパルス発生器を変調するのに用
いる適当な誤差信号を決定する必要がある。とく
に、ＸとＹには量「ｘ」と「ｙ」だけ誤差がある
と仮定すると、（28）式は次式のように変る。

Ｘ＝Ｍ＋１／２＋ｘ Ｙ＝Ｒ＋ｙ （29） そうすると、 A″₁＝Ｐ＋１／４（Ｍ−3R）＋１／２＋ｘ A″₂＝Ｎ＋３／４（Ｍ−Ｒ）＋ｘ−ｙ＋１／２ A″₃＝Ｐ＋１／４（Ｍ−3R）−ｙ （30） A″₄＝Ｎ＋３／４（Ｍ−Ｒ） が得られる。

その結果として、 A″₃−A″₁＝−１／２−（ｘ＋ｙ） A″₄−A″₂＝−１／２−（ｘ−ｙ）
（31） が得られる。そして、変調誤差「ｘ」，「ｙ」が導
入されるから、（26）式で表される等式ではなく
なる。（31）式の両辺の正弦をとると、 sin2π（A″₃−A″₁）＝sin2π（ｘ＋ｙ） （32） sin2π（A″₄−A″₂）＝sin2π（ｘ−ｙ） Ａ＝Ｉまたはθ＋１／８であるから、(4)式が等
しいということを用いて、 A″₁＝C₁−Ｅ＋１／８ A″₂＝−C₂＋Ｅ＋１／８ A″₃＝C₃−Ｅ＋１／８ A″₄＝−C₄＋Ｅ＋１／８ となる。ここに、C₁，C₂，C₃，C₄は４つの引き
続く零変化率通過点における瞬時ジヤイロ出力位
相角を表す。これを（32）式に代入すると次式が
得られる。

sin2π（C3−C1）＝sin2π（ｘ＋ｙ） （32a） sin2π（C4−C2）＝sin2π（ｙ−ｘ） （32b） これらの式の左辺を展開すると、 （sin2πC3）（cos2πC1）−（cos2πC3）
（sin2πC1） ＝sin2π（ｘ＋ｙ） （sin2πC4）（cos2πC2）−（cos2πC4）
（sin2πC2） ＝sin2π（ｙ−ｘ） （33） が得られる。

（33式）により、引き続く４回の零変化率通過
点における、互いに逆向きに進む光ビームの間の
位相角の正弦値と余弦値に依存する誤差変量
「ｘ」と「ｙ」を決定するための一対の連立方程
式が得られる。C₁，C₂，C₃，C₄の三角関数の値
が、第１図に示されているように、検出器２２
ａ，２２ｂの出力端子に得られる。それらの検出
器は干渉じまの間隔の1/4だけ隔てられている。
この間隔により、一方の検出器は光ビームの間の
位相角の正弦値を表し、他方の検出器はその位相
角の余弦値を表す。もちろん、その干渉じめの間
隔の４分の１という値にはある許容誤差があり、
そのために無視できる程度の小さな誤差が生じ
る。

ここで、検出器２２ａの出力が２つのビームの
間の位相角の正弦値を表し、検出器２２ｂの出力
がその同じ位相角の余弦値を表すものと仮定し、
それらの出力が次式で表されるものとする。

Un＝Asin2π（Cn＋α） Vn＝Bcos2π（Cn＋β） ここに、ｎは引き続く零変化率通過点における
振幅番号１，２，３，４である。

各目上はＡ＝Ｂ、α＝βである。ここに、Ａ，
Ｂは検出器２２ａ，２２ｂの利得値を表し、α，
βは1/4干渉じま間隔についての位相角での許容
誤差を表す。ここで、判別式関数U₃V₁−U₁V₃と
U₄V₂−U₂V₄について考えることにする。Ａ，
Ｂ，α，βには制限がないから、 S₁＝U₃V₁−U₁V₃＝AB｛sin2π（C3＋α）cos2π
（C1＋β）−sin2π（C1＋α）cos2π（C3＋β）｝ S₂＝U₄V₂−U₂V₄＝AB｛sin2π（C4＋α）cos2π
（C2＋β）−sin2π（C2＋α）cos2π（C4＋β） 三角関数の公式から、S₁とS₂のそれぞれの右辺
は次のようになる。

S₁＝ABsin2π（C3−C1）cos2π（α−β） S₂＝ABsin2π（C4−C2）cos2π（α−β） したがつて、式（32a），（32b）を代入すると、 S₁＝ABcos2π（α−β）sin2π（C3−C1） ＝ABcos2π（α−β）sin2π（ｘ＋ｙ） S₂＝ABcos2π（α−β）cos2π（C4−C2） ABcos2π（α−β）sin2π（ｙ−ｘ） となる。ここで、ｙとｘがかなり小さいものとす
ると S₁＝Ｋ（ｘ＋ｙ） S₂＝Ｋ（ｙ−ｘ） と書くことができる。ここに、Ｋ＝2πABcos2π
（α−β） である。したがつて、 ｘ＝（S₁−S₂）／2K ｙ＝（S₁＋S₂）／2K となる。

ｘとｙはＸとＹにおける誤差を表すから、（27）
式で表される左右両辺を等しく保ち、引き続く２
つのデイザー・サイクルにわたつて累積されたジ
ヤイロ出力角誤差がほぼ零であるように、正しい
パルス振幅Ｘ，Ｙを得るためにはＸ，Ｙからそれ
ぞれｘ，ｙを差し引かねばならない。すなわち、 X′＝Ｘ−ｘ＝Ｘ−（S₁−S₂）／2K Y′＝Ｙ−ｙ＝Ｙ−（S₁−S₂）／2K このことは、誤差が零の信号の場合にはＸとＹ
は一定値に保たれ、それ以外の場合には、誤差信
号により指令されてパルス振幅Ｘ，Ｙを変調する
ためにＸ，Ｙはｘ，ｙを加算させたり、減算され
たりして修正されることを意味する。

誤差信号S₁とS₂は三角函数の一義的でないこと
によるあいまいさ（trigonometric multivalue
ambiguity）を有することに注意されたい。すな
わち、誤差信号は、２つの振幅（S₁の場合には
C₃とC₁で、S₂の場合にはC₄とC₂である）が1/2カ
ウント異なる時ばかりでなく、両方の振幅が等し
い時も誤差信号はなくなる。いいかえると、ｘ，
ｙのための零誤差信号も、1/2カウントの誤差が
ある時は戻される。したがつて、時には誤差信号
を1/2カウントだけ大きくする必要がある。この
あいまいさは、別のアナログ計算を行うことによ
つて識別できる。すなわち、 Ｇ＝｜U₁＋U₃｜＋｜V₁＋V₃｜ Ｈ＝｜U₂＋U₄｜＋｜V₂＋V₄｜ Ｇがあるしきい値をこえた（たとえば、Ｇ＞
１／２（Ａ＋Ｂ））とするとS₁に1/2カウントを加
え、Ｈがあるしきい値をこえたとするとS₂に1/2
カウントを加える。

第１０図は本発明の原理を用いている閉ループ
誤差打ち消しバイアス装置の第８図より詳しいブ
ロツク図である。この閉ループ誤差打し消しバイ
アス装置は第８図に示すバイアス装置と同様に動
作し、第９図を参照して説明した、（25）式に基
づく制御技法を利用する。第１０図に示す閉ルー
プ・バイアス装置は、第５，８図に示されている
のに類似のＱの高いばね―質量系を示す電気機械
的なバイアス装置であると仮定する。第１０図に
おいて、リング・レーザ・ジヤイロ８００はバイ
アス装置３０から結合要素３１を介して機械的に
バイアスされる。バイアス装置３０はバイアス制
御信号発生器８３２から与えられるバイアス制御
信号により制御される。第１０図の閉ループバイ
アス装置１０は誤差信号発生器９００を含む。こ
の誤差信号発生器９００は、ジヤイロ出力の互い
に逆向きに進む２つのビームの間の位相角関係に
応答して誤差信号をバイアス制御信号発生器８３
２へ与える。このように閉ループが構成される。

バイアス制御信号発生器８３２は加算器８３６
と、Ｘパルス発生器８３５と、Ｙパルス発生器８
３７とで構成される。加算器８３６は、第３図の
第１の信号発生器３４に類似する信号発生器８３
４からの出力信号を加え合わせる。Ｘパルス発生
器８３５とＹパルス発生器８３７はパルス信号を
発生する。それらのパルス信号は加算器８３６に
よりデイザー信号発生器８３４の出力信号に加え
合わされる。加算器８３６の出力はバイアス制御
信号発生器８３２からのバイアス制御信号であつ
て、バイアス装置３０に与えられる。

バイアス制御信号発生器８３２は誤差信号発生
器９００から誤差信号を受ける。この誤差信号発
生器９００は信号処理器８７５と、サンプル・ホ
ールド・ゲート８０４ａ，８０４ｂと、信号格納
装置８０７ａ，８０７ｂを含む。信号処理器８７
５は、互いに逆向きに進む２つの光ビームの間の
位相角に応答して位相角データを処理し、Ｘパル
ス発生器８３５を変調する出力誤差信号ｘと、Ｙ
パルス発生器８３７を変調する誤差信号ｙを発生
する。

第１０図のバイアス装置は第８図に示されてい
るバイアス装置と同様に、互いに逆向きに進む２
つの光ビームのほぼ零変化率通過点における位相
角Ψの値を必要とする。更に、第１０図の装置で
用いられる前記制御法は、零変化率通過点におけ
る位相角の正弦値と余弦値を利用する。第１０図
で、レーザ・ジヤイロ１００（第１図）に類似す
るレーザ・ジヤイロ８００には光検出器２２ａ，
２２ｂが設けられる。光検出器２２ａ，２２ｂは
干渉じまパターンの間隔の1/4の距離だけ互いに
隔てられて、２つのビームの間の位相角の正弦値
と余弦値を示す信号を発生する位相角検出器を構
成する。光検出器２２ａの出力端子は時間微分回
路８４５ａを介して窓比較器８４１に結合され、
光検出器２２ｂの出力端子は時間微分回路８４５
ｂを介して窓比較８４３に結合される。これらの
窓比較器の出力端子はアンド回路８４４により論
理的に結合される。窓比較器８４１と８４３、微
分器８４５ａと８４５ｂ、およびアンド・ゲート
回路８４４は第８図に示されている位相角変化率
検出器８０２の機能を行う。

第１０図に示されているように、誤差信号発生
器９００のサンプル・ホールド回路８０４ａ，８
０４ｂはアンドゲート８４４の出力によりゲート
制御される。サンプル・ホールド回路８０４ａへ
は光検出器２２ａの出力が与えられ、サンプル・
ホールド回路８０４ｂへは光検出器２２ｂの出力
が与えられる。各サンプル・ホールド回路８０４
ａ，８０４ｂの出力は一時的な格納装置８０７
ａ，８０７ｂへそれぞれ与えられる。それらのサ
ンプル・ホールド回路と一時的な格納装置はアナ
ログ型、デジタル型またはその組合わせで構成で
きるが、ここでは説明のために、サンプル・ホー
ルド回路８０４ａ，８０４ｂの出力は光検出器２
２ａ，２２ｂの出力をデジタル化したものと考え
ることにする。格納装置８０７ａ，８０７ｂは通
常のデジタル・メモリ回路と仮定する。

一時的格納装置８０７ａ，８０７ｂの出力は誤
差信号発生器の信号処理器８７５により処理され
る。信号処理器８７５は、（25）式におけるｘと
ｙを示す誤差信号をとり出すために、（25）式に
ついて先に説明した計算を行う。誤差信号ｘ，ｙ
はＸパルス発生器８３５とＹパルス発生器８３７
にそれぞれ与えられる。誤差信号ｘ，ｙは、前記
したように、Ｘパルス発生器８３５とＹパルス発
生器８３７の出力パルス信号の大きさをそれぞれ
変調するための閉ループ制御のための誤差信号で
ある。

窓比較器８４１，８４３は互いに類似している
から窓比較器８４１だけを説明する。第１０ａ図
に示されているのは窓比較器を構成するための一
実施例である。第１０ａ図を参照して、窓比較器
８４１は比較器８４２ａと８４２ｂで構成され
る。比較器８４２ａ，８４２ｂは２つの信号のレ
ベルを比較するために簡単な比較器として用いら
れる通常の演算増幅器その他の装置とすることが
できる。比較器８４２ａの正入力端子には微分器
８４５ａの出力端子が接続される。微分器８４５
ａの出力は比較器８４２ｂの反転入力端子へも接
続される。比較器８４２ａの反転入力端子は基準
電圧「＋」に接続され、比較器８４２ｂの非反転
入力端子は基準電圧「−」に接続される。比較器
８４２ａ，８４２ｂの出力はノアゲート８４６に
組合わされる。

次に、窓比較器８４１の動作を説明する。光ビ
ームの間に十分な変化率（dΨ／dt）の絶えず変
化する位相が存在する限りは、微分器８４５ａの
出力は正または負であり、その大きさは、十分に
小さい量であるεのような予め選択された値より
も大きい。この状況においては、比較器８４２
ａ，８４２ｂのいずれか一方（ただし双方ではな
い）の出力は、論理「１」に対応する高い電圧レ
ベルであるノアゲート８４６の出力は、この状況
においては論理「０」である。一方、零変化率通
過点の際すなわちdΨ／dtが零である間は、微分
器８４５ａの出力は正または負のεの値より低い
値まで低下し、比較器８４２ａと８４２ｂの出力
は「０」となる。この状況においてはノアゲート
２１０の出力は「１」となる。

窓比較器８４３は微分器８４５ｂの出力端子に
接続される。この窓比較器８４３は光検出器２２
ｂの出力に応答して、窓比較器８４３について述
べたのと同様な動作を行う。すなわち、光ビーム
の間の位相角の変化率が窓比較器のしきい値より
も高い時には窓比較器８４３の出力は常に「０」
であり、位相角の変化率がしきい値εより低い時
は「１」である。

次に、第１０図に示す閉ループ・バイアス装置
の動作について説明する。光検出器２２ａ，２２
ｂが干渉じまパターンの間隔の約1/4だけ隔てて
配置される。光検出器２２ａの出力は互いに逆向
きに進む２つの光ビームの間の位相角の正弦値と
考えることができ、光検出器２２ｂの出力は同じ
光ビームの間の位相角の余弦値を表すものと考え
ることができる。

零変化率通過点においては、比較器８４１，８
４３の出力は「１」である。その理由は、その位
相角の時間変化率が零であり、従つて＋εと−ε
の間の値となるからである。この状況では、窓比
較器８４１，８４３の各出力が「１」であるか
ら、アンドゲート８４４の出力は「１」である。
しかし、他の全ての状況においては、デイザー運
動が常時与えられているとすると、アンドゲード
８４４の出力は「０」である。アンドゲート８４
４の出力が「０」から「１」へ変化すると、サン
プル・ホールド回路８０４ａ，８０４ｂがゲート
制御され、その入力端子に何が与えられてもその
入力は標本化され、次の零変化率通過時における
次のゲート制御まで一時的に保持される。したが
つて、サンプル・ホールド回路が、零変化率通過
点が到来するたびに、光ビームの間の位相角の正
弦値と余弦値をそれぞれ表す光検出器２２ａ，２
２ｂの出力を標本化する。サンプル・ホールド回
路８０４ａ，８０４ｂの出力は格納装置８０７
ａ，８０７ｂに格納され、その後で信号処理器８
７５により適切に処理される。

誤差信号発生器９００は、引き続く零変化率通
過点において光検出器２２ａ，２２ｂからの瞬時
位相角を組合わせて、（34）式を参照して説明し
たようにして、誤差信号ｘとｙを与える。信号処
理器８７５は、式（33）について説明した時に連
立方程式の解について説明したような算術演算を
行えるものであれば、アナログ型とデジタル型の
いずれの型でもよい。

更に、互いに逆向きに進む２つのビームの間
の、デイザー・サイクルの前後の各半部における
瞬時位相角に関連する零変化率通過点の「極性」
を識別することは重要である。以後、引き続く正
での零変化率通過点のことをd²Ψ／dt²が正の零
変化率通過点と呼び、負での零変化率通過点を
d²Ψ／dt²が負の零変化率通過点と呼ぶことにす
る。機械的なバイアス装置においては、正と負の
零変化率通過点は回転の向きが第１の向きから第
２の向きへ変化する時刻と、回転の向きが第２の
向きから第１の向きへ変化する時刻にそれぞれ一
致する。第９図を参照して、たとえば、引き続く
正の零変化率通過点はデイザー角振幅A₁，A₃に
対応し、引き続く負の零変化率通過点はデイザー
角振幅A₂，A₄に対応する。

ここで、慣性入力運動が無く、バイアス制御信
号発生器８３２がバイアス制御信号をバイアス装
置３０へ与えて、引き続く同符号の２つの各零変
化率通過点（すなわち、正または負の零変化率通
過点）における２つのビームの間の瞬時位相角が
正確に２分の１カウント、すなわち±πラジアン
だけ異なるようにする。この状況においては、出
力信号ｘ，ｙは零であり、Ｘパルス発生器８３５
とＹパルス発生器８３７の動作は一定に保たれ、
第３図を参照して、累積ジヤイロ出力角誤差がほ
ぼ零であるような第３図に関連する式について先
に述べたように動作する。

ここで、いくらかの慣性入力運動が存在するよ
うな状況での、第１０図に示す閉ループ・バイア
ス装置の応答を説明する。この状況においては、
同じ符号の引き続く２つの零変化率通過点での２
つの光ビーム間の瞬時位相角の相違はもはや±π
ラジアンではない。そうすると、誤差信号発生器
９００はＸパルス発生器８３５のＸの値と、Ｙパ
ルス発生器８３７のＹの値を変調するために適切
なｘ信号値とｙ信号値を迅速に与えるから、ｘと
ｙの値は再び零にされる。したがつて、同じ符号
の引き続く零変化率通過点での光ビームの間の位
相角が±πラジアンだけ異つて、２つのデイザ
ー・サイクルにわたつて累積された全誤差がほぼ
零になるように、レーザ・ジヤイロのためのバイ
アス装置を閉ループ動作させるために必要とされ
る閉ループ誤差信号をｘとｙは与える。もちろ
ん、これは、センサの出力に含まれるロツクイン
誤差も零までほぼ減少させられることを意味す
る。

（25）式等により記述され、第１０図に示す実
施例に含まれている制御技術は、本発明の原理を
実施するための帰還バイアス装置の所期の機能を
得ることが可能な各種の制御技術のうちの一例に
するぎないことに注意すべきである。とくに、誤
差信号発生器９００とバイアス制御信号発生器８
３２との組合わせは、以前に起きた、時計回りの
ピーク位相角における瞬時位相角と、逆時計回り
のビーク位相角における瞬時位相角を基にして、
それらの瞬時位相角を制御しなければならない。
誤差信号発生器９００は、その制御機能により、
リング・レーザ・ジヤイロに通常伴う出力信号中
のロツクイン誤差を大幅に小さくするように、引
き続く零変化率通過点で、（19）式に従つて所定
の値を呈する。更に、以上説明した実施例では機
械的バイアス技術を用いるものについて説明した
が、ロツクイン誤差減少に前記したように電気光
学的技術を用いることもできる。以上説明したロ
ツクイン誤差減少は零変化率通過点での位相角情
報を用いるものについて説明したが、他の選択さ
れた位相変化率の時点も選択できる。

簡単に要約すれば、デイザーさせられ、または
バイアスさせられるリング・レーザ角速度センサ
のロツクイン誤差特性は、引き続く零変化率通過
点における、互いに逆向きに進む２本の光ビーム
の間の瞬時の位相角すなわち位相差を制御するこ
とにより、ほぼ打ち消される。とくに、機械的に
バイアスをかけられる種類のものにおいては、バ
イアス機構により生じさせられる回転振動の時計
回りと逆時計回りのピークの振幅すなわち最大振
幅を変えることにより取り扱うことができる。第
８図は、零変化率通過点における実際の位相角が
検出され、閉ループ制御装置の入力および同期の
ために利用される閉ループ制御装置を示すもので
ある。第１０図は第８図に示されている制御装置
の詳しいブロツク図である。この装置において
は、リング・レーザ角速度センサを正転および逆
転させるためのバイアス装置に、正弦波運動を行
わせる信号と、零変化率通過点において位相角を
希望どおりに制御する一連の制御パルスが与えら
れる。

第１２，１３図には、第１０，８図に示されて
いる装置により行われるのとほぼ同じ閉ループ制
御誤差打消しバイアスをかける、リング・レーザ
角速度センサ装置が示されている。しかし、第１
２，１３図に示す装置は光検出器２２ａ，２２ｂ
を含む位相角モニタ装置から位相角情報を直接求
めず、その代りに速度情報信号とバイアス情報信
号の組合せを利用する。

第１２図には、検出器２２と組合せプリズム２
１を含む検出器部品（第１図）がセンサのリン
グ・レーザ部分から分離されていることを除き、
第１図に示されているのとほぼ同じであるリン
グ・レーザ角速度センサ１１００が示されてい
る。レーザ媒体１０により供給されて、反射鏡１
３，１４，１５により構成されている閉ループ路
に沿つて伝播する波１１，１２を支持機構１１０
１が支持する。ベース１１２５には組合せプリズ
ム２１′と検出器２２′が固定される。この検出器
２２′の出力は信号処理器１１２４へ与えられる。
この信号処理器は、支持機構１１０１とベース１
１２５およびそれらに関連する部品で構成されて
いる角速度センサ装置１１００全体の回転速度を
示す出力信号を発生する。

支持機構１１０１とベース１１２５には、入力
軸２６にほぼ平行なピボツト軸を定める基準軸
（図示せず）をほぼ中心として、支持機構１１０
１をベース１１２５に対して回転モードで振動さ
せる回転振動機構１１３０が結合される。

これまで説明してきた第１２図に示す装置は米
国特許第3373650号に示されている装置とほぼ同
じであり、ケース内に装置された読出しリング・
レーザジヤイロ装置と呼ばれることがある。その
ような装置においては、信号処理器１１２４は全
体の装置１１００の回転速度を示す信号を発生す
る。その信号は、回転振動機構１１３０によりひ
き起される回転運動を通常は含まない。この種の
装置はこの分野では周知のものである。

第１２図には回転振動検出器１１４０も示され
ている。この回転振動検出器１１４０の出力信号
はバイアス制御信号発生器１１５０へ接続要素１
１４１を介して与えられる。このバイアス制御信
号発生器１１５０へは、信号処理器１１２４の出
力信号も接続要素１１４２を介して与えられる。
バイアス制御信号発生器１１５０は回転振動機構
１１３０へバイアス制御信号を接続要素１１５１
を介して与える。

回転振幅検出器１１４０が、支持機構１１０１
のベース１１２５に対する回転運動に応じ、（運
動しない基準、すなわち、回転振動の誘導を受け
ない基準として任意に定められる）一定の基準軸
を中心とする、時計回りの回転振幅と逆時計回り
の回転振幅を示す信号を発生する。

以下に説明するように、バイアス制御信号発生
器１１５０は、誤差打消しバイアスを与えるた
め、先に説明したのと類似のやり方で、引き続く
零変化率通過点の位相角を正確に制御するように
して回転振動機構１１３０を制御するように、信
号処理器１１２４からの速度情報を示す出力と、
回転振幅検出器１１４０からの回転運動情報を示
す出力とを組合わせることによりバイアス制御信
号を与える。先に説明したように、回転振動機構
１１３０のようなバイアス装置の１例が米国特許
第3373650号にほぼ示されている。センサ１１０
０が本質的に高Ｑのばね―質量系であるように、
支持機構１１０１は１つまたはそれ以上のばね１
１３１すなわちねじれ要素を介してベース１１２
５にとりつけられる。そのような高Ｑ装置におい
ては、ばねにとりつけられてそのばねを曲げる圧
電素子のようなトランスデユーサ１１３２により
回転がひき起される。このトランスデユーサは制
御電気信号に応答してばねを曲げ、支持機構１１
０１をベース１１２５に対して回転させる。回転
振動機構１１３０のトランスデユーサ１１３２へ
与えられたパルスは、この装置が高Ｑのばね―質
量系であるから、多サイクルにわたつて回転振動
を効果的に生じさせる。各パルスは非常に軽くダ
ンピングされた正弦波リンギングを生ずる。パル
スが同期して与えられると、パルスに続くピーク
振幅を制御でき、それは（24）〜（28）式の解析
にほぼ示されている。

ここで、第９図に示されるものに類似する、ひ
き起される回転振動について考えてにる。回転振
動機構１１３０へ与えられる信号は、その回転振
動機構に与えられる制御信号の第１の成分によ
り、第１の振動数でセンサが正弦波状にデイザー
するようなものである。同制御信号の第２の成分
は、点１，２，３，４において第１の振動数での
正弦波状のデイザーに同期させられて、交互に組
合わされる一連のＸのパルスと一連のＹのパルス
により与えられる。

次に、下記のようなパルス列により発生される
回転振動の動作について説明する。

(a) 点１で与えられるパルスの振幅をランダムに
する（第９図）。

(b) パルス＋Ｙを点２で与える。

(c) パルス−Ｙを点３で加える。

(d) パルス−Ｙを点４で加える。

(e) (a)〜(d)をくり返えす。

ロツクイン誤差打消しバイアスのために、必要
なＸとＹの大きさの値は（28）式に関連して先に
説明したものである。

Ｘ＝Ｍ＋１／２ （28） および Ｙ＝Ｒ ここに、Ｍ＝デイザー振幅の増大率（ひき起さ
れる回転振動の時計回りと逆時計回
りとのピーク振幅）、 Ｒ＝センサ装置の回転速度、 である。

上記は、ＸとＹのパルスの大きさが、先行する
２つのサイクル中にひき起されたデイザー回転と
速度とを基準にして、次の２つのサイクルのデイ
ザー期間のために調整されるような、誤差修正制
御と言うことができる。そして、これは次式のよ
うに数学的に記述することができる。

Ｘ（new）＝Ｘ（last）＋ｘ （101） Ｙ（new）＝Ｙ（last）＋ｙ （102） ここに、 ｘ＝（１／２）（１＋D3＋D4−D1−D2）
（103） Ｙ＝−Ｒ＋（１／２）（D2＋D3−D1−D4）
（104） D1とD3は時計回りの連続する２つのピーク振
幅の大きさを示し、D2，D4は逆時計回りの連続
する２つのピーク振幅の大きさを示す。それらの
振幅の大きさは、先行する２つのデイザー・サイ
クル中に回転振幅検出器１１４０により検出され
たものである。Ｒは検出器器２７′と信号処理器
１１４０により与えられる通常のしまパターン読
出しから決定される入力速度を示す。入力角の大
きさの関数である（31）式に示されている誤差項
に誤差項ｘ，ｙが類似し、零変化率通過点Ｃに等
しくできる。

（24）式の数学的解析で示したように、その装
置は誤差打消しバイアスを与える。この明細書の
初めの方で示したように、誤差打消しバイアスの
付与は、引き続く同じ符号の２つの零変化率通過
点において光ビームの間の位相角をプラス・マイ
ナスπラジアンだけ異ならせて、２つのデイザ
ー・サイクルにわたつて累積されている誤差をほ
ぼ零にすることにある。もちろん、これは、セン
サの出力に伴うロツクイン誤差をほぼ零にするこ
とを意味する。センサ装置１１００に対する慣性
入力回転がないとＲは零で、ランダムパルスに続
く（28）式により定められるＸパルスにより、プ
ラス・マイナスπラジアンの選択された値を有す
る連続する２つの零変化率通過点の位相角（位
相）差を発生する。前述の制御手法に従つて生ず
るデイザー振幅の摂動は、Ｘパルスの過去の値に
対する系の応答を基にしている「ｘ」により修正
される。一方、センサ１１００の慣性入力回転の
存在を含む系の摂動は、（28）式により定められ
るＹパルスの値により補償される。Ｙパルスの影
響を変える系の摂動は、Ｙパルスの過去の値に対
する系の応答を基にしている「ｙ」により修正さ
れる。

第１２図に示されている装置のバイアス制御信
号発生器１１５０のより詳しい実施例を第１３図
に示す。

バイアス制御信号発生器１１５０は振幅記憶装
置１３１０と、デイザー変化率検出器１３２０
と、「ｘ」誤差計算器１３２５と、「ｙ」誤差計算
器１３２６と、Ｙパルス計算器１３３０と、Ｘパ
ルス計算器１３３１と、記憶装置１３４０と、同
期器１３５０と、ランダム・パルス発生器１３６
０と、デジタル―アナログ（Ｄ／Ａ）変換器１３
７０と、正弦関数発生器１３８０と、加算器１３
９０とで構成されている。この分野では良く知ら
れているように、第１３図に示されているブロツ
クの多くは、コンピユータ、アナログ回路および
デジタル回路の組合せ、マイクロプロセツサなど
を用いて実現できる。

回転振幅検出器１１４０の出力は、回転基準軸
を中心とする支持機構１１０１とベース１１２５
の間の角変位を示す信号である。この信号は零基
準軸すなわち定常状態基準軸を中心とする大きさ
と符号を表す。この情報は、結合器１１３５を介
してセンサ１１００に結合されている各種のトラ
ンスデユーサから得られる。回転振幅検出器１１
４０の出力は振幅記憶装置１３１０へ与えられ
る。デイザー変化率検出器１３２０の出力は同期
器１３５０と振幅記憶装置１３１０へ与えられ
る。デイザー変化率検出器１３２０は本質的には
回転振幅検出器１１４０に応答する微分回路であ
る。動作を説明すると、デイザー変化率検出器１
３２０は零変化率、すなわち、デイザー運動の反
転点、つまりデイザー回転が向きを変える点を検
出する。デイザー回転の向きが変る瞬時に、振幅
記憶装置は反転時における角変位の値を記憶し、
４つの引き続く値、すなわち、時計回りの２回の
ピーク振幅値と、逆時計回りの２回のピーク振幅
値とを記憶する。それと同時に、デイザー変化率
検出器１３２０の出力が同期器１３５０へ与えら
れて、パルスＸとＹをデイザーの反転時に同期さ
せるようにする。更に詳しくいえば、ピーク振幅
の発生と、これに続く異なる符号のピーク振幅の
発生との中間にパルスを与えるようにする。

振幅記憶装置１３１０の出力は「ｘ」誤差計算
器１３２５と「ｙ」誤差計算器１３２６へ与えら
れる。「ｙ」誤差計算器１３２６は信号処理器１
１２４から速度Ｒを示す信号である速度情報も受
ける。「ｘ」誤差計算器１３２５と「ｙ」誤差計
算器１３２６は式（103），（104）によりほぼ記述
されれている数学的計算を行う。「ｘ」誤差計算
器１３２５の出力はＸパルス計算器１３３１へ与
えられる。このＸパルス計算器は（101）式によ
り記述されている数学的機能を行う。「ｙ」誤差
計算器１３２６の出力はＹパルス計算器１３３０
へ与えられる。このＹパルス計算器は（102）式
により記述されている数学的機能を行う。Ｘパル
ス計算器１３３１とＹパルス計算器１３３０の出
力は、別の処理サイクルにおける以後の計算のた
めのＸとＹ（以後、Ｘ（last）およびＹ（last）と呼
ぶ）の値を格納する記憶装置１３４０にそれぞれ
格納される。

同期器１３５０へはＹパルス計算と、Ｘパルス
計算と、ランダムパルス発生器１３６０により供
給されるランダムパルス値とを表す入力が与えら
れる。同期器１３５０は、Ｘパルス計算器１３３
１と、Ｙパルス計算器１３３１と、ランダムパル
ス発生器１３６０とにより決定された値をデジタ
ル―アナログ変換器１３７０へ同期して与え、そ
のデジタル―アナログ変換器１３７０の出力をバ
イアス制御信号の成分として回転振動機構１１３
０へ加算器１３９０を介して与える。加算器１３
９０はデジタル―アナログ変換器１３７０から与
えられるパルスを正弦関数発生器１３８０により
与えられる信号に加え合わせる。正弦関数発生器
１３８０からの信号は、支持機構１１０１をベー
ス１１２５に対して、ほぼ一定の振幅および第１
の振動数で正弦波状にデイザーさせる。その第１
の振動数はこのばね―振動系のほぼ共振振動数で
ある。

正弦関数発生器１３８０の出力はセンサ１１０
０を構成するばね―振動系の振動回転を維持する
ための、バイアス制御信号の一部である、正弦波
駆動信号を表すことに注意されたい。ブロツク１
３８０はそのような運動を起させる種々の装置で
構成できる。とくに、そのような振動を維持する
ために、回転振幅検出器の出力を閉ループ帰還制
御装置を介してとり出して増幅・移相することは
良く知られている。

次に、第１２，１３図に示されている装置によ
り与えられる閉ループ誤差打消しバイアスの動作
を説明する。第９図に示されている２つのデイザ
ーサイクルごとにおける１番目のパルスはランダ
ムであり、センサはしばらくの間動作していたと
する。同期器は、レーザ・ジヤイロ装置１１００
をデイザーさせる（すなわち、振動させる）正弦
波信号にランダムパルス発生器１３６０からの値
を組合せて、点１において与えることができるよ
うにする。点２において「＋Ｙパルス」が与えら
れるまでは、振幅記憶装置は以前の２つの時計回
りデイザーのピーク振幅の情報（D1とD3により
表わされる）と、以前の２つの逆時計回りデイザ
ーのピーク振幅の情報（D2とD4により表わされ
る）を含む。それらの振幅の値は、デイザー変化
率検出器が以前の２つのデイザーサイクルにおけ
る反転点（デイザー変化率＝０）を決定した時に
決定されたものである。「ｘ」誤差計算器は「ｘ」
の計算を行うことができ、同様に、「ｙ」誤差計
算器は速度情報Ｒを受けて「ｙ」の計算を行うこ
とができる。次に、Ｙパルス計算器１３３０は、
計算された「ｙ」に、以前に加えられたＹの大き
さすなわちＹ（last）の値を加え合わせる。その
Ｙ（last）は前の２つのデイザーサイクルの間に
ｙ誤差計算の値に加え合わされたものである。こ
の大きさのパルスは、第９図に示されている点
２，４において（極性は無視して）加えられる。
同様のやり方で、Ｘパルス計算器１３３１は、前
の２つのデイザーサイクルにおいて点３において
与えられた以前のＸの値でＸ（last）として貯え
られている値を基にして、次に点３で与えるべき
Ｘパルスの値をｘ誤差計算により決定された値の
加算により計算する。Ｙパルス計算器１３３０と
Ｘパルス計算器１３３１とにより決定された値は
それから記憶装置１３４０に格納され（Ｙ
（last）、Ｘ（last）によりそれぞれ示されることに
なる）、以後の２つのデイザーサイクルにおける
パルスの次の決定に備える。この過程はくり返え
される。

第１３図には示されていないが、第１３図に示
されている複数の計算ブロツクと格納ブロツクか
らの情報の転送を制御する周知の中央処理ブロツ
クが設けられる。

同期器１３５０はデイザー変化率検出器１３２
０からデイザー運動の反転の時点を示す入力を受
ける。同期器１３５０の一例は、パルスＸまたは
Ｙあるいはランダムパルスを適切に加えるべき反
転の時点からの時間を決定するように、引き続く
反転時点の間の時間、すなわち、時計回りのピー
ク振幅すなわち反転時点と逆時計回りのピーク振
幅すなわち反転時点との間の時間を記録するもの
である。正弦関数発生器は、デイザー変化率検出
器により供給される入力の代りに、同期器１３５
０を介して入力を同期するための手段として等し
く用いることができることに注意されたい。この
場合には、正弦関数発生器１３８０からの零出力
は、ピーク回転振幅の間のパルスを与えるべき時
点を示す。もちろん、それらのパルスを反転時点
を用いて同期させる多くの可能な方法がある。

状況により、パルスＸ，Ｙとランダムパルスと
を与える時刻を、第９図に示されているような反
転の時点の間の中間の時刻からずらすことが望ま
しいこともある。そうすると、センサ全体におけ
る損失と時間遅れとを補償できるという利点があ
る。

第１２，１３図に示されている実施例は、同じ
符号の引き続く零変化率通過点での光ビーム相互
間の位相角を所定の値だけ異ならせて、２つの光
ビームの間の瞬時位相角を直接に測定することな
しに、２つのデイザーサイクルの間での累積され
た全誤差をほぼ零にする閉ループ誤差打消しバイ
アス装置を示すものである。すなわち、第１２図
に示す装置は、ほとんどのリング・レーザ・ジヤ
イロにおいて通常得ることができる速度情報を、
デイザー機構によりひき起される回転振動につい
ての情報に組合わせる。もちろん、２サイクルよ
り多い１群のデイザーサイクルの零変化率通過点
での引き続く値を、その１群のサイクルにわたつ
て累積される全誤差をほぼ零とするように、変え
るように、本発明の誤差打消しバイアス装置を変
更することが可能である。もちろん、この装置は
所期の結果を得るために適切なバイアスを与える
ための種々の制御信号を必要とする。図示のパル
ス装置においては、種々の数のパルスをもちろん
必要とする。

本発明の誤差打消しバイアス装置は、ジヤイロ
におけるロツクイン誤差を小さくするために通常
与えられるバイアスに組合わされる、リング・レ
ーザ閉ループ路に沿つて進む波の間の位相角を制
御するものである。位相角制御は、本発明の技術
的範囲を逸脱することなしに他のやり方で行うこ
ともできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のリング・レーザ角速度センサの
線図、第１ａ図は第１図のセンサで用いられる位
相角検出器の一例の線図、第２図はデイザーされ
るセンサのデイザー角と時間の関係を示すグラ
フ、第３図は本発明の一実施例のブロツク図、第
４図は本発明の原理を示すグラフ、第５図は本発
明の別の実施例のグラフ、第５ａ図は本発明の他
の実施例を説明するグラフ、第６図は本発明の別
の実施例のブロツク図、第７図は時間に対しての
デイザー角と慣性入力運動を説明するためのグラ
フ、第８図は本発明の原理を用いる閉ループ帰還
バイアス装置のブロツク図、第９図は同期したバ
イアス制御信号パルスおよびデイザー運動を示す
グラフ、第１０図は第８図に示す装置の詳しいブ
ロツク図、第１０ａ図は窓比較器の詳細図、第１
１図は第１図に示すような種類のセンサに固有の
ロツクイン誤差のグラフ、第１２図は本発明によ
る閉ループ帰還バイアス装置の他の実施例を示す
ブロツク図、第１３図は第１２図のバイアス制御
信号発生器の詳細を示す図である。 ３０，１１３０…バイアス装置、３２，１１５
０…バイアス制御信号発生器、１１２４…信号処
理器（速度指示手段）、１３１０…振幅記憶装置、
１３２０…デイザー変化率検出器、１３２５…ｘ
誤差計算器、１３２６…ｙ誤差計算器、１３３０
…Ｙパルス計算器、１３３１…Ｘパルス計算器、
１３４０…記憶装置、１３５０…同期器、１３６
０…ランダムパルス発生器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ２つの波が相互に逆向きに閉ループ路にほぼ
   沿つて伝播し、前記２つの波それぞれの振動数が
   前記閉ループ路の回転速度の関数であり、対応し
   て前記２つの波の間に生まれる位相関係も前記閉
   ループ路の回転速度の関数である角速度センサで
   あつて、その正味の回転角度に関連するが角速度
   センサに固有のロツクイン誤差を含む検出出力を
   発生し、かつ前記２つの波それぞれの振動数をそ
   れら相互間の振動数差の符号が周期的に交番する
   ようにして変化させるため、前記閉ループ路に回
   転振動を与え得るバイアス装置が設けられている
   角速度センサのロツクイン誤差を減少させる方法
   において： 前記角速度センサの回転速度を測定する過程
   と； 前記回転振動の時計回りおよび逆時計回りのピ
   ーク振幅を測定する過程と； 前記角速度センサの回転速度と、ならびに、前
   記回転振動の時計回りおよび逆時計回りのピーク
   振幅の所定の過去における値とに応じて、引き続
   いての前記回転振動の時計回りおよび逆時計回り
   のピーク振幅を変化させる変化付与過程であつ
   て、前記位相関係における位相Ψの変化率dΨ／
   dtがほぼ零である時点のうちの所定の諸時点にお
   ける前記位相Ψが、前記角速度センサの検出出力
   のロツクイン誤差を減少させる所定の関係を呈す
   る値をとるように、引き続いての前記回転振動の
   時計回りおよび逆時計回りのピーク振幅を変化さ
   せる変化付与過程と を備えて成る角速度センサのロツクイン誤差を減
   少させる方法。 ２ ２つの波が相互に逆向きに閉ループ路にほぼ
   沿つて伝播し、前記２つの波それぞれの振動数が
   前記閉ループ路の回転速度の関数であり、対応し
   て前記２つの波の間に生まれる位相関係も前記閉
   ループ路の回転速度の関数である角速度センサで
   あつて、その正味の回転角度に関連するが、角速
   度センサに固有のロツクイン誤差を含む検出出力
   を発生する角速度センサにおいて： 前記２つの波それぞれの振動数をそれら相互間
   の振動数差の符号が周期的に交番するようにして
   変化させるため、前記閉ループ路に一定の基準軸
   を中心とする回転振動を与え得るバイアス手段に
   して、(i)所定の振動数の回転振動をほぼ指定し、
   (ii)前記一定の基準軸を中心とする回転振動の時計
   回りのピーク振幅および逆時計回りのピーク振幅
   にして、付随する前記位相関係において対応する
   瞬時位相値をそれぞれ有する時計回りのピーク振
   幅および逆時計回りのピーク振幅を指定すること
   ができるバイアス制御信号を受けるバイアス手段
   と； 前記一定の基準軸を中心とする回転振動に応動
   し、前記時計回りのピーク振幅の値および逆時計
   回りのピーク振幅の値を示す出力信号を発生でき
   る回転振幅検出手段と； 伝播する前記２つ波に応動し、前記閉ループ路
   の回転速度を示す出力信号を発生する速度指示手
   段と； 前記回転振幅検出手段の出力信号および前記速
   度指示手段の出力信号に応動して前記バイアス制
   御信号を発生するバイアス制御信号発生手段にし
   て、前記位相関係における位相Ψの変化率dΨ／
   dtがほぼ所定値である時点のうちの所定の諸時点
   における前記位相Ψが、前記角速度センサの検出
   出力のロツクイン誤差を減少させる所定の関係を
   呈する値をとるように、前記時計回りのピーク振
   幅および逆時計回りのピーク振幅を指定する前記
   バイアス制御信号を発生するバイアス制御信号発
   生手段と を備えて成るロツクイン誤差を減少させた角速度
   センサ。