JPH0332076A - リングレーザジヤイロスコープ用デイザ駆動システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発班生豊旦 本発明は一般に回転センサに関し、特にリングレーザジ
ャイロスコープ回転センサに関する。詳しくは本発明は
リングレーザジャイロスコープのモードロックを防止す
るディザ−駆動装置及び方法に関する。さらに詳しくは
本発明はリングレーザジャイロスコープをディザ−する
一連の圧電トルク素子を制御するのにコンピュータによ
っテ発生させた信号を用いるディザ−駆動技術に関する
。

リングレーザジャイロスコープは回転の検出にサグナッ
ク効果を用いている。閉ループ内の対向伝播する光ビー
ムは、ループの面に垂直な軸の周りのループ回転速度に
正比例した異なるｉ１１１時間を有することとなる。リ
ングレーザジャイロスコープは閉キャビィティの共振特
性を用いて対向ビーム間のサグナック位相差を周波数差
に変換している。アクティヴリングレーザジャイロスコ
ープにおいては、閉光路で規定されるキャビィティは発
振器となり、２方向からの出力ビームは互いに干渉して
、回転速度の測定に用いるビート周波数を与える。リン
グレーザジャイロスコープに用いる光の約Ｉ　Ｑ　ｌ　
ａ　ｊｉｚＯ高周波は小さな位相変化を生し容易に測定
できるビート周波数となる。

リングレーザジャイロスコープの回転速度がある範囲以
内になると、ビームの周波数差は消失する。この現象は
周波数ロックインあるいはモードロックと称され、低い
回転速度はデバイスが回転していないという誤った指示
を与えるのでリングレーザジャイロスコープの主たる問
題点である。

ロックインが生しる回転速度範囲はリングレーザジャイ
ロスコープの不感帯である。

ロックインは光ビーム間の結合によって起きる。

この結合は、ビームを閉光路中に規制するミラーからの
後方散乱かその主たる原因である。後方散乱によって一
方の方向のビームは他方の方向に伝播するビームの周波
数を有した小さな成分を含むこととなる。リングレーザ
ジャイロスコープのロックイン効果は、従来の電気回路
の発振器によって長年に亘って観察され理解された結合
に似ている。

低回転速度を正確に測定できないと、航行システムのリ
ングレーザジャイロスコープの有用性が減少する。ロッ
クイン効果を除いてこのようなシステムに使用されるリ
ングレーザジャイロスコープの有用性を高める開発なら
びに研究の仕事は大量になされてきた。

ロックイン問題を解決する数々の対策が知られている。

不感帯を避けることによってロックインがリングレーザ
ジャイロスコープの問題とならないようにする種々のバ
イアス技術が用いられている。バイアス技術は機械的技
術と光学的技術に分けられそして固定バイアス技術とデ
ィザ−バイアス技術とに分けられる。

ひとつの対策によるとリングレーザジャイロスコープを
検知軸の周りに機械的に振動させてデバイスを不感帯に
対して絶えず掃引している。リングレーザジャイロスコ
ープの機械的振動は通常ディザ−と呼ばれている。典型
的なリングレーザジャイロスコープでは２〜３ア一ク分
の角変位で約４００　Ｈｚでディザ−できる。

ディザ−の振幅を注意深く制御しモニタしてロックイン
効果を最小にする必要がある。ディザ−振動の角速度と
変位は支持構造に対して絶えずモニタできるので、これ
らをリングレーザジャイロスコープの出力信号から取り
除くことができる。

しかし、すべてのロックイン効果を除くには一定のディ
ザ−振幅は不適当であることが見出された。

ロックイン誤差を減少させる他の対策は、ディザ−駆動
増幅器の振幅にランダム信号を重畳することである。ラ
ンダムバイアス技術は米国特許第３．４６７．４７２号
に記載されている。しかし、ランダムバイアス技術に対
するかなりきびしいいくつかの欠点がみつかっている。

この特許に記載されている技術によってランダム化され
るが、位相誤差は除去できず依然として比較的大きな誤
差源となっている。

周波数差の符号が反転する時、ビーム間の周波数差はあ
る時点で零となるので２個のビームはロックインするｆ
噴量にある。リングレーザジャイロスコープの出力角度
は、実際の回転速度が零でなくとも零回転速度を指示す
るロックインとなる周波数差から一般に抽出されるので
、誤差が出力角度に積算される。２本のビームがロック
される時間は通常非常に短いので、出力角度誤差は１回
のどの符号変化においても非常に小さい。それにもかか
わらず、周波数差の符号反転中のロックインによる誤差
は積算され、時間がたつにつれて、特に精密航行システ
ムにとって、重大なものとなってくる。この誤差は、通
常、ランダムウオークあるいはランダムドリフトに寄与
する主たるものである。

モーガン等による米国特許第４，５２９．３１１号はデ
ィザ−リングレーザジャイロスコープに関し、−対のビ
ームの位相関係を説明している。この位相関係を誤差制
御のためにフィードバックループ内に用いるが、あるい
は誤差訂正のために一連のパラメータをつくるのに用い
ることができる。モーガン等は２本のビームの位相オフ
セントと結合効率を時間と温度に依存しないものとして
いる。しかし、位相オフセットとビーム結合効率は時間
と温度に依存し、モーガン等によって開示された誤差訂
正の正確度を制限している。

エルバートの米国特許第４，２４８．５３４号はディザ
−リングレーザジャイロスコープに誘起された誤差の除
去に関している。エルバートはロックインを最小とする
のに回帰アルゴリズムの使用を開示している。速度零の
両側の短かい時間の間、回転速度のトレースがコンピュ
ータのメモリに記憶される。ロックインがない時このト
レースは放物線である。放物線からの変位がロックイン
率を示している。

シンプソン等の米国特許第４，４７３．２９７号は、リ
ングレーザジャイロスコープのロックインを最小とする
のに、対向ビームの交流成分の位相差を使用することに
関している。別のビームの位相差を示す信号を、２個の
キャビィティ長制？１１１ξラーを駆動するミラー駆動
回路に人力して位相差を制御している。シンプソン等は
ロックインを最小とするビーム間の好ましい位相差は１
８００であることを開示している。

現在のディザリングジャイロスコープシステムでは、圧
電トランスジューサに印加する信号の適切な周波数と振
幅とをつくるために、精巧につくったディザ−駆動ハー
ドウェアを用いている。航行システムは三本の互いに直
交する軸の周りの回転を測定するセンサーを有している
。３台のリングレーザジャイロスコープを互いに直交す
る三面の装置ブロックに設置して、装置ブロックが内部
に設置されたデバイスの回転を測定できる。これら三面
に直交するラインが三台のジャイロの検知軸を規定する
。

しかしながら都合の悪いことにリングレーザジャイロの
どれか一台をディザ−すると、他の二台のジャイロの検
知軸を所望のラインから変位させてしまう、検知軸のこ
の変位は、各ジャイロの検知軸が検知軸の所望の向きを
規定するラインに中心を有する円すいを規定するように
動くので、“コーニングとして知られている。１９８５
年６月３日に出願された米国特許出願第７４０，３７１
号はディザ−駆動システムを開示し、コンピュータがつ
くり出す信号を用いてコーニングを減らしている。この
出願の開示によれば、所定の周波数を有した駆動信号で
各ジャイロを駆動し、各ジャイロのコーニング運動を示
す信号をつくり、これら信号を復調して所望の検知軸で
ない周りの運動成分を決定し、軸変位成分に対応する仮
想駆動信号を抽出し、そして駆動信号と仮想駆動信号と
を合成することによって軸変位成分を減少させている。

発奥生量要 本発明は従来のシステムに含まれている高価なハードウ
ェアの多くのものを使用する必要をなくしたディザ−駆
動システムを提供する。本発明のディザ−駆動システム
は、コンピュータと、ディジタル／アナログコンバータ
と、フィルタと、パワー増幅器を有する。

本発明のリングレーザジャイロスコープ用ディザ−駆動
システムは、枠体とたわみ機構が既知の共振周波数を有
した機械システムを構成するようにたわみ機構に配設し
て枠体を有する。たわみ機構は、枠体が基台に対してデ
ィザ−されるように基台と枠体との間に設けられている
。ディザ−駆動システムは、ディザ−周波数を検知する
手段と、特定のディザ−駆動信号に対応するディジタル
信号をつくる手段と、ディジタル信号を対応するアナロ
グディザ−駆動信号に変換する手段と、そしてディザ−
駆動信号をトグルして共振周波数でたわみ機構と枠体と
のシステムを駆動する手段とより構成されている。

特定のディザ−駆動信号に対応するディジタル信号をつ
くる手段は、正弦波ルックアップテーブルとして機能す
るり一ドオンリメモリより構成できる。

本発明のシステムは、さらに、正弦波関数を近似する正
弦波二状態あるいは三状態波形をつくる手段と、余弦波
関数を近似する余弦波二状態あるいは三状態波形をつく
る手段と、直角位相（ｉｎｑｕａｄｒａ　ｔｕｒｅ）正
弦波および余弦波波形を示す電圧をたわみ機構に印加す
る手段より構成できる。

本発明のディザ−駆動システムは、ディザ−振動を示す
ディジタル信号を形成する手段と、特定の第１のディザ
−駆動信号と周波数に対応し、ディザ−振動を示すディ
ジタル信号と同相の第１のディジタル波形をつくる手段
と、特定の第２のディザ−駆動信号と周波数に対応し、
ディザ−振動を示すディジタル信号に対して直角位相で
ある第２のディジタル波形をつくる手段と、第１と第２
のディジタル波形を示すアナログ信号でたわみ機構を駆
動する手段と、ディザ−振動を示すディジタル信号を第
１のディジタル波形で復調して同相誤差信号を得る手段
と、ディザ−振動を示すディジタル信号を第２のディジ
タル波形で復調して直角位相誤差信号を得る手段と、そ
して直角位相誤差信号をヌルとして同相誤差信号を所定
の参照値にサーボする手段よりも構成できる。

本発明のリングレーザジャイロスコープ用ディザ−駆動
システムを制御する方法は、枠体とたわみ機構が既知の
共振周波数を有した機械システムを構成するようにたわ
み機構に配設した枠体を有し、たわみ機構は枠体が基台
に対してディザ−されるように基台と枠体との間に設け
られており、ディザ−周波数を検知するステップと、特
定のディザ−駆動信号に対応するディジタル信号をつく
るステップと、ディジタル信号を対応するアナログディ
ザ−駆動信号に変換するステノブと、そしてディザ−駆
動信号をトグルして共振周波数でたわみ機構を駆動する
ステップとより構成されている。

特定のディザ−駆動信号に対応するディジタル信号をつ
くるステップは、正弦波ルノクアソプテーブルとして機
能するリードオンリメモリに指標を与えるステップより
構成できる。

本発明の方法は、さらに、正弦波関数を近似する正弦波
デイジタル信号態あるいは三状態波形を発生するステッ
プと、余弦波関数を近似する余弦波デイジタル信号態あ
るいは三状態波形を発生するステップと、そして直角位
相正弦波および余弦波波形を示す信号をたわみ機構に印
加するステップより構成できる。

本発明の方法は、ディザ−振動を示すディジタル信号を
形成し、特定の第１のディザ−駆動信号に対応し、ディ
ザ−振動を示すディジタル信号と同相の第１のディジタ
ル波形をつくり、特定の第２のディザ−駆動信号に対応
し、ディザ−振動を示すディジタル信号に対して直角位
相の第２のディジタル波形をつくり、第１と第２のディ
ジタル波形を示すアナログ信号でたわみ機構を駆動し、
ディザ−振動を示すディジタル信号を第１のディジタル
波形で復調して同相誤差信号を得、ディザ−振動を示す
ディジタル信号を第２のディジタル波形で復調して直角
位相誤差信号を得、そして直角位相誤差信号をヌルとし
て同相誤差信号を所定の参照値にサーボする各ステップ
より構成できる。

虹表支妃夫韮劇盪哉−吸 第１図および第２図を参照するに、リングレーザジャイ
ロスコープ１０は支持体Ｉ２に配設されている。リング
レーザジャイロスコープ１０は本発明を実施できる他の
多くの同様のデバイスの例示であり、第１図および第２
図に示され以下説明するリングレーザジャイロスコープ
１０の特定の実施例に本発明を限定するものではない。

リングレーザジャイロスコープ１０は枠体２０の中央の
孔１５に取付けられたたわみ機構１４によって支持され
ている。たわみ機構１４は枠体２０と支持体１２との間
に張設された複数のスプリング１６〜１８を有している
。実施例では３本のスプリングであるが、本発明はどの
ような数のスプリングに対しても実施できる。第２図を
参照するに、スプリング１６〜１８を薄い方形として形
成してもよいが、そのような形状のスプリングにのみ本
発明の適用を制限するものではない。

第２図を参照するに、圧電ウェハ対１６Ａ、１６Ｂ、１
７Ａ、１７Ｂ、１８Ａ、１８Ｂが各々スプリング１６〜
１８に配設されている。スプリングとウェハの組合せは
本質的にすべて同一であるので、ここではスプリング１
６と圧電ウェハ対１６Ａ、１６Ｂのみを説明する。圧電
ウェハ１６Ａと１６Ｂはほり方形であり、スプリング１
６の両側に設けられている。圧電ウェハ１６Ａと１６Ｂ
は好ましくは適当な接着剤によってスプリング１６に配
設される。

圧電ウェハ１６Ａは、それに印加される駆動信号によっ
て、選択的に伸長するか収縮するかするような極性とな
っている。圧電ウェハ１６Ｂも同様な極性を持ち、それ
には一対の対向する電極２６と２８が接続されている。

圧電ウェハ１６Ａと１６Ｂを互いに逆の極性とし、同一
駆動信号を印加することによって一方のウェハ、例えば
、ウェハ１６Ａを伸長させ他方のウェハ１６Ｂを収縮さ
せてもよい、ウェハ１６Ａと１６Ｂが同一の極性である
ならば、交互に伸長と収縮を行わせるよう駆動電圧は互
いに逆極性でなければならない。

圧電ウェハＩ　７Ａ、１７Ｂ、Ｉ　ＳＡ、１８Ｂは、各
々、圧電ウェハ１６Ａと１６Ｂと実質的に同一な極性お
よび駆動電圧を有している。従って、もし圧電ウェハ１
６Ａ、１７Ａおよび１８Ａが収縮して圧電ウェハ１６Ｂ
、１７Ｂおよび１８Ｂが伸長するとスプリング１６．１
７および１８は変形して枠体２０は支持体１２の周りを
時計方向に回転する。駆動信号の符号を変えると、枠体
２０は支持体１２の周りを反時計方向に回転する。

第２図を参照するに、枠体２０に形成してキャビィティ
３０は複数のミラー３２〜３５間に延在し、これらミラ
ーはキャビィティ３０内の閉路の周りに光を案内する。

利得媒体３８はキャビィティ３０内に入っている。利得
媒体は、典型的には、ヘリウムとネオンの混合ガスより
槽底されている。

一対のアノード４２ａと４２ｂとカソード４４とに励起
信号を印加すると、周知のように、混合ガス中のエネル
ギレベル遷移が生じキャビィティ３０内の対向伝播光ビ
ームをつくる。

二本の対向伝播ビームは、キャビィティ３０がその垂直
軸の周りに回転すると、キャビィティ３０を周回する間
のミラー３２〜３５による連続的な反射によって回転誘
起位相シフトを受ける。

２本の対向伝播ビームの位相差の変化速度は、リングレ
ーザジャイロスコープ１０の垂直軸周りの回転速度を示
す。キャビィティ３０は２本のビームに対して共振キャ
ビィティとして働くので、各ビームの周波数は精密に規
定され、このため位相シフト変化を検出できる。

ミラーのひとつ、例えば、ミラー３２は部分的に透過的
であるので各ビームの一部はミラー３２の背後に設けら
れたプリズム４８に入る。プリズム４８は対向伝播ビー
ムを台底し、すなわちヘテロゲインするので、一対の光
検出器５０Ａ５０Ｂに入り込む前に互いに干渉する。

第３Ａ図は透過的ミラー３２と合成プリズム４８の詳細
図を示す。時計方向と反時計方向のビームの各々の一部
はくクー３２を通過してプリズム４８に入り込む、プリ
ズム角度とプリズム配向とが協同して両ビームの一方に
内部反射を起こさせるので、両ビームがプリズム４８か
ら出る時には両ビームは本質的に平行である０両ビーム
の電磁界は従って互いに加わり、第３Ｂ図に示すように
暗い縞と明るい縞の干渉パターンを形成する。

一対の光検出器５０Ａと５０Ｂは台底されたビームの強
度を検出する。検出器の出力をここでは、各々、ヘテロ
ゲイン信号ＡあるいはＨｅｔ　Ａとヘテロゲイン信号Ｂ
あるいはｆｌｅｔ　Ｂという参照符号を付ける。ジャイ
ロの回転によって生じる時計方向ビームと反時計方向ビ
ームとの周波数差は検出器５０Ａと５０Ｂ間の干渉パタ
ーンの動きとして見られる。従って、縞の動く方向で回
転の方向を同定する。干渉パターンの各々のフルサイク
ルは位相の２πラジアンあるいはビート周波数の１サイ
クルに対応するので、固定した回転角度増分に対応する
。干渉パターンのフルサイクルが生じる毎にヘテロゲイ
ンカウントと呼ばれる信号が発生する。２８ｃｍの光路
長を有するリングレーザジャイロスコープ１０の倍率は
ヘテロゲインカウント当たり約、８回転アーク秒である
。

２個の周波数が検出器５０Ａと５０Ｂとでヘテロゲイン
される時につくられるビート信号の周波数は、垂直軸周
りのリングレーザジャイロスコープ１０の回転速度に正
比例している。第４図を参照するに、簡単なバイアスさ
れていないリングレーザジャイロスコープ１０の回転速
度がロックインしきい値速度Ω、に減少すると、対向伝
播ビームは同一周波数にロックする。対向伝播ビームの
周波数は、第４図でロックイン不感帯として示されてい
る回転速度十／−Ω４の範囲では同一である。リングレ
ーザジャイロスコープＩＯの信号出力は不感帯の近くで
は非直線となり、理想的リングレーザジャイロスコープ
の出力から離れてしまう。

第５図を参照するに、ロックインは主としてミラー３２
〜３５から後方に散乱した放射によって起こる。対向伝
播ビームは各ミラ−３２〜３５に入射角４５°で当たる
ので、理想的な完全に平らなミラーからは後方散乱放射
が起こらない。反射の法則によれば各ビームの主たる部
分は例えばミラー３２から前方に反射される。しかし、
ミラー３２〜３５が非常に高品質であっても、表面の不
完全性によって各ビームは全方向にある程度鏡面反射を
受ける。一方のビームに対して逆方向に進むビームの許
容立体角内に後方散乱した一方のビームは他方のビーム
と結合する。許容立体角は光の波長とキャビィティの直
径に依存する。４５゜の入射角を有した代表的な方形リ
ングレーザジャイロスコープ１０では、ミラー３２〜３
５のどれでも全鏡面反射の約１／１０６が対向ビームの
許容角度内に散乱する。

第６Ａ図を参照するに、回転速度がロックインしきい値
からかなり離れている時は、検出器５０の時間の関数と
しての出口は正弦波である。第６Ｂ図を参照するに、回
転速度がロックインしきい値に近い時は、検出器５０の
出力は所望の正弦波の歪んだものとなる。キャビィティ
長２８備の典型的なリングレーザジャイロスコープのロ
ックインしきい値は約１００’／時間である。従って、
リングレーザジャイロスコープＩＯから満足した結果を
得るには、ロックインを避けるだけでなく不感帯近くの
回転速度も避けることが必要である。

ディザ−を用いても対向伝播ビーム間の残留結合効果は
無視できない。遅い回転速度では、ディザ振動の方向が
反射する時点でリングレーザジャイロスコープ１０に誤
差が発生する。この誤差はランダムではあるがリングレ
ーザ回転センサの主たる誤差源である。残留ロックイン
誤差の性質は、リングレーザジャイロの出力角度のラン
ダムウオークに至る角速度を有したホワイトノイズであ
る。

ランダムウオークはレーザジャイロのランダムウオーク
係数をそのパラメータとして有する。ロックイン係数、
ディザ−パラメータおよびランダムウオーク係数の数学
的な関係は、ハモンとアッシュビイによる“量子制限で
の機械的ディザ−ＲＬＧＩＥＥＥ　ＮＡＥＣＯＮ　　１
９７８に導き出されている。この文献を参照のために本
発明の開示に含めておく。

第８図を参照するに、コンピュータ１００はディジタル
／アナログコンバータ１０２に信号を供給する。コンピ
ュータ１００は、例えば２０４８Ｈｚあるいは２４００
Ｈｚの高速でディジタル／アナログコンバータ１０２に
データを書込むマイクロプロセッサ（図示せず）で構成
できる。コンピュータ１００内のレジスタは各反復にお
いてインクリメントされディジタル／アナログコンバー
タ１Ｏ２に供給された駆動波形の状態を決定する。

このインクリメントは駆動周波数に正比例している。レ
ジスタは正弦波ルックアップテーブルの指標として本質
的に使用できる。４００Ｈｚ程度の典型的なディザ−周
波数では、１サイクル当たり約５点が使用され単一周波
数駆動信号を発生する。

ディジタル／アナログコンバータ１Ｏ２の出力は、１３
０Ｈｚから１２００Ｈ２の周波数範囲の通過帯域を有し
たバンドパスフィルタ１０４に入力される。このフィル
タ１０４の゛目的は、ディザ−周波数で零に近い位相誤
差を与えることである。

ディザ−周波数の約１／３から３倍の通過帯域周波数範
囲を持てば満足のゆく性能が得られることが判明した。

フィルタの出力はパワー増幅器１０６に入力され、ここ
で増幅された駆動信号は圧電トランスジューサ１６Ａ、
１６Ｂ、１７Ａ、１７Ｂ、１８Ａ、１８Ｂに印加される
。

典型的なたわみ機構は約３００の機械的Ｑを有している
ので、単一周波数駆動信号は必ずしも必須でない、高い
Ｑの故に、たわみ機構は主としてその共振周波数で振動
するので、たわみ機構自体は非常に有効なフィルタとし
て動作してハーモニックを除去する。従って、レジスタ
を用いて駆動信号を正かあるいは負の値にトグルするこ
とができ、これによって所望の平均周波数を有するが短
期間でかなりの位相ジッタを有した本質的に方形の波を
つくる。振幅制御はディジタル／アナログコンバータ１
０２に書込むレベルを調整することによって達成される
。

駆動信号は雑音が多（、位相ジッタによる低周波成分に
加えて駆動信号のハーモニックを含んでいる。たわみ機
構の高いＱの故に、圧電トランスジューサに雑音の多い
駆動信号を加えても殆んどすべてが基本周波数の動きと
なる。従ってルックアップテーブルは不要である４周波
数発生に使用するレジスタの符号ビットを試験すること
だけが要求される。

バンドパスフィルタ１０４は圧電トランスジューサの形
成に使用するクリスタルの共振が励起するのを防いでい
る。フィルタ１０４は低周波と高周波の両者を減衰する
とともに使用する周波数範囲内で零に近い位相を与える
。第８図の回路は、交流結合パワー増幅段を使用でき、
このことによって増幅器と圧電トランスジューサとの間
に必要なインタフェース回路が簡素化できる。

ハードウェアをさらに追加することなく、第９（Ａ）図
と第９　（Ｂ）図に示す正弦波および余弦波トランステ
ート波を用いて直角（ｑｕａｄｒａｔａｒｅ）駆動信号
をつくることができる。正弦波および余弦波信号に重み
づけを行うことによって任意の位相の駆動信号を形成で
きる。正弦波と余弦波の組合せによって４個の可能な状
態の波形をつくれる。

適当な状態をアドレスするためには周波数発振器はカウ
ンタレジスタの上位２ビツトのみを使用できる。これら
２ビツトは、同相および直角位相基準を与える復調器の
キーとしても使用できる。

第１０図は本発明の実施に使用できる駆動回路、たわみ
機構およびコントローラの好ましい実施例のブロック図
である。システムのコンピュータは同相および直角位相
駆動信号をつくる。これら信号を重みづけした合計は圧
電トランスジューサに供給され振幅と位相の両者を調整
できる。ジャイロピックオフの出力は二相の駆動信号で
復調される。

第１０図は第８図のハードウェアがソフトウェアブロッ
ク１２０に接続されたのを示している。

たわみ機構と枠体より成る機械システムに及ぼす駆動信
号の影響は、駆動信号をジャイロピックオフ６０での信
号に変換する伝達関数によって記述できる。たわみ機構
と枠体とより成る機械システムの伝達関数は二次共振回
路のそれと同じ形式である。伝達関数の形成は、機械シ
ステムと電気システムの両システムの二次共振を記述す
る微分方程式の分析によって周知である０機械システム
の伝達関数はラプラス変換 として書くことができる。ここにＫは振幅定数、ω。は
共振周波数、ωは周波数に関する変数、モしてＳは時間
に関する微分演算子である。伝達関数に使用される特定
の数値はたわみ機＃１１４の構造と質量、および検知軸
周りに振動する枠体２０の慣性モーメントに依存する。

ビックオフ６０の出力信号を復調して、駆動信号に対す
るディザ−振幅とディザ−位相を決定できる。ディザ−
運動が駆動信号と同相であることは一般に望ましいこと
である。

ソフトウェアブロック１２０は、はじめに、ビックオフ
６０出力信号をブロック１２２で示されるようにＺ変換
する。復調器１２４は変換された信号を同相波形で復調
する。復調波は平均ブロック１２６に入力される。この
ブロックは８サンプル長を有する移動平均をつくるフィ
ルタで構成できる。平均信号はつぎにサムダウンブロッ
ク１２８に入力され例えば２０４８１１ｚから２５６Ｈ
ｚにサムダウンされる。サムダウン信号はサムブロック
１３０で参照値から引かれて同相誤差信号をつくる０周
波数応答補正ブロック１３２は同相誤差信号に対して、
正比例、微分、および積分利得を与える。補正後の信号
は、同相駆動振幅ブロック１３４内の同相波の振幅の設
定に用いられる。

変換ブロック１２２の出力は直角位相復調器１３８にも
入力され直角位相波形で復調される。

復調された信号は移動平均ブロック１２６と実質的に同
一の移動平均ブロック１４０に入力される。

移動平均ブロックの出力はつぎにサムダウンブロック１
４２に入力される。次に信号は、補正ブロック１３２と
実質的に同一の補正ブロック１４４に人力される。補正
後の信号は直角位相駆動振幅ブロック１４６内の直角位
相波形の振幅の設定に用いられる。

同相駆動１３４と直角位相駆動１４６とからの、各々、
同相波形と直角位相波形は加算器１３６で互いに加算さ
れ、加算信号はディジタル／アナログコンバータ１０２
に印加される。−回の反復でのデータは次に反復の駆動
信号を形成するのに用いられるので、１回の２５６　ｆ
ｉｚ反復遅延が生じる。サンプリングと移動平均の組合
せによって他の半サイクル遅延が入ってくる。余分な半
サイクル遅延を加えて計算することが必要となる。従っ
てループ中には２個の２５６Ｈｚサイクル遅延を含むこ
とが必要である。

第１１図はフィルタ１０４とたわみ機ｊｌｔ１４のモデ
ルの状態図である。フィルタ１０４はバンドパスネット
ワーク１４７によって表わされ、たわみ機構１４は古典
的な二次共振回路の状態図１４８によって表わされてい
る。バンドパスネットワーク１４７は利得回路１４９と
一対の積分器１５０と１５２を有する。積分器１５０の
出力はＸ４で積分器１５２の出力はＸ、である。状態図
１４８は一対の積分器１５４と１５６とを有する。積分
器１５４の出力はＸｔで積分器１５６の出力はＸ、であ
る、第１１図のモデルを用いるとフィルタとたわみ機構
１４の組合せは以下の状態式で表わせる。

状態式のラプラス変換は、 となり、ここでフィルタは関数ωｔｓ／（ｓ＋ω１〉（
Ｓ＋ω２）で表され、たわみ機構は１／Ｉ　　・　１／
［（ａ＋ａ）”＋ω。ｔ］で表わされ、Ｉはたわみ機構
１４と枠体２０の慣性モーメントであり、ω目とω２は
各々バンドパスフィルタの低域と高域の遮断周波数であ
る。

ラプラス変換は、 と書くことができ、ここにに＋＝２ａ、に、＝ω。！＋
ａ”、　ｋ、＝ωＣ十ωｔ＋に４＝ω、ω２である。上
記等式を解くにはラプラス変換の左側のマトリックスを
反転することとラプラス変換を解くことが必要である。

反転マトリックスは、 となる。

これら変換を反転するにはかなりの努力が必要である。

解は以下のごとくなる。

１ 〈Ｓ＋ω１〉（ｓ＋ω− → ωｒω１ 一ω、１　　−ω、１ ［ｅ　−ｅ　　］ ミドツー ｓ　　　　　　　　　−１−ω１ｔ　　　−ω＝ｔ（ｓ
＋ω１）（ｓ＋ａ＋Ｊ　　　ω、−ω、　（”’　　”
　　］５５Ｆ３オ 係数の定義は以下の如くなる。

Ａ＋＝ ９、＝ Ｃ９＝ Ｄ、＝ ＾２５ Ｂ、二 Ｃ２ミ Ｄ２ミ ーωＩＡＯ −ω！Ｂ０ ωｏＤｏ−ａＣ＠ −（ω。Ｃａｎａｄａ） ωＩＡＯ ａ＋”、Ｂ。

−（（ω６−ａ”）Ｃｏ＋２ａω＊Ｄｏ）ｂω。Ｃ０−
（ω、”−ａ”）Ｄ。

上述のラプラス変換にマトリックス反転技術を用いると
解は以下のように表わされる。

ここでＦｉｊ はｔ＝Δｔで上述のような定義を用い ることによって求まる。

従って、 これらＦｉｊ は定 数である。

第１２図に示すモデルは復調器の低周波動作での簡略表
現である。第１２図のシステムの出力信号は低周波での
たわみ機構振動の包絡線を表わす。

同相駆動信号は加算器１６０に入力されてその出力は積
分器１６２に与えられる。積分器１６２の出力信号はＸ
２で表わされている。積分器１６２の出力はつぎに第２
の積分器１６６に入力され、正弦波復調器のＸｌを示す
信号を出力する。積分器１６２の出力は定数１を乗算し
て加算器１６０にフィードバックされる。積分器１６２
の出力は定数−εを乗算して加算器１６８にフィードバ
ックされる。加算器１６８は直角位相駆動入力も入力さ
れる。加算器１６８の出力は積分器１７０に入力される
。積分器１７０の出力信号はに、で表わされている。積
分器１７０の出力は次に第２の積分器１７２に入力され
、余弦波復調器のＸ４で示される信号を出力する。積分
器１７０の出力は定数１を乗算して加算器１６Ｂにフィ
ードバックされる。

積分器１６８の出力は定数εを乗算して加算器１ ６０にフィードバックされる、 状態式とラプラ ス変換は、第１ １図に示すモデルのものよりも簡 単である。

状態微分式は以下のようになる。

簡略モデルのラプラス変換は次のようになる。

Ｘ！とＸ、の式の解は次のようになる。

ｈと ４ の解は となる。

前述の定義でのω。

をεに置きかえた Ｆ、と Ｆ１□を用い以下のように定義すると、および 解プロパゲータはＦｉｊ 定数をｔ＝Δｔで求める と以下のように書ける。

解プロパデータは１回目の反復から次の反復へ解を更新
するのに使用するマトリックスである。

第１３図はたわみ機構の外乱に対する反応をプロットし
た図である。間ループと閉ループの両反応を示している
。コントローラはその帯域幅内の外乱を大きく減衰させ
る。

上述し図示した構造と方法は本発明の原理を示している
。上述し図示した本発明の変更は本発明の精神から逸脱
することなく行うことができる。

従って本発明は特許請求の範囲に規定される本発明の内
容と他の均等物を含む。

【図面の簡単な説明】

第１図は支持構造に設置されたリングレーザジャイロス
コープの斜視図、 第２図は第１図のリングレーザジャイロスコープの平面
図、 第３図は第１図と第２図のリングレーザジャイロスコー
プのヘテロダイン出力信号を示す図、第４図はリングレ
ーザジャイロスコープの出力ビート周波数を回転速度の
関数として示す図、第５図は第１図のリングレーザジャ
イロスコープに含むことのできるタイプのミラーからの
前方反射および後方散乱光を示す図、 第６Ａ図と第６Ｂ図は第図のリングレーザジャイロスコ
ープの、各々、ロックインしきい値から離れた回転速度
とロックインしきい値に近い回転速度に対する出力波形
を示す図、 第７図は第１図のリングレーザジャイロスコープに含ま
れる２個の光検出器の出力を示すアナログおよびディジ
タル信号であって、ディザ−運動のターンアラウンド直
前と直後を示す図、第８図は本発明のディザ−駆動シス
テムの一般的なブロック図、 第９（Ａ）〜９（Ｃ）図は第１図から第８図で示したシ
ステムの出力波形を示す図、 第１０図は本発明のディザ−駆動システムのより詳細な
ブロック図、 第１１図は第８図のシステムに含むことのできるフィル
タを第１図および第２図のリングレーザジャイロスコー
プに含むことのできるタイプのディザ−たわみ機構に接
続したモデルを示す状態図、第１２図は第１０図のシス
テムの低周波動作を記述する簡略化した状態図、そして 第１３図は開ループと閉ループの両システムの外乱に対
するたわみ機構の応答を示す図である。 〔主要部分の符号の説明〕 ６０−・−ピックオフ、 １００−コンピュータ、 １０２−・・ディジタル／アナログコンバータ、１０４
・・−バンドパスフィルタ、 １０６・−パワー増幅器、 １２４．１３８−・−復調器、 １２６．１４０−・・移動平均ブロック、１２８．１４
２−サムダウン、 １３２．１４４−周波数応答補正ブロック、１３４・−
同相駆動振幅ブロック、 １４６・・・直角位相駆動振幅ブロック。 ＦＩＧ、２ ＦＩＧ、７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、共振周波数を有してたわみ機構に配設された枠体を
   有し、たわみ機構は枠体が基台に対してディザーできる
   ように基台と枠体の間に配設された、リングレーザジャ
   イロスコープ用ディザー駆動システムであって、 ディザー周波数を検知する手段と、 特定のディザー駆動信号に対応するディジ タル信号をつくる手段と、 前記ディジタル信号を対応するアナログデ ィザー駆動信号に変換する手段と、そして 前記ディザー駆動手段をトグルして前記た わみ機構を共振周波数で駆動する手段とを備えたリング
   レーザジャイロスコープ用ディザ駆動システム。 ２、前記特定のディザー駆動信号に対応するディジタル
   信号をつくる手段は、正弦波ルックアップテーブルとし
   て機能するリードオンリメモリより成る特許請求の範囲
   第１項のシステム。 ３、正弦波関数を近似する正弦波ディジタル波形を発生
   する手段と、 余弦波関数を近似する余弦波ディジタル波 形を発生する手段と、そして 正弦波と余弦波のディジタル波形を示す電 圧を四相で前記たわみ機構に印加する手段をさらに有す
   る特許請求の範囲第１項のシステム。 ４、前記正弦波と余弦波の波形はともに２状態波形であ
   る特許請求の範囲第３項のシステム。 ５、前記正弦波と余弦波の波形はともに３状態波形であ
   る特許請求の範囲第３項のシステム。 ６、共振周波数を有してたわみ機構に配設された枠体を
   有し、たわみ機構を枠体が基台に対して振動的にディザ
   ーできるよう基台と枠体との間に配設された、リングレ
   ーザジャイロスコープ用ディザー駆動システムであって
   、ディザー振動を示すディジタル信号を形成 する手段と、 特定のディザー駆動信号と周波数に対応し、ディザーを
   示すディジタル信号と同相である第１のディジタル波形
   をつくる手段と、 特定のディザー駆動信号と周波数に対応し、ディザーを
   示すディジタル信号に対して直角位相である第２のディ
   ジタル波形をつくる手段と、 前記第１および第２のディジタル波形を示 すアナログ信号で前記たわみ機構を駆動する手段と、 ディザー振動を示す前記ディジタル信号を 第１のディジタル波形で復調して同相誤差信号を得る手
   段と、 ディザー振動を示す前記ディジタル信号を 第２のディジタル波形で復調して直角位相誤差信号を得
   る手段と、そして 前記直角位相誤差信号をヌルとし、前記同 相誤差信号を所定の参照値にサーボする手段とよりなる
   リングレーザジャイロスコープ用ディザー駆動システム
   。 ７、基台に対して枠体を所定の検知軸の周りにディザー
   し、たわみスプリングによって基台に配設された枠体を
   有するリングレーザジャイロスコープ用ディザー駆動シ
   ステムであって、 前記枠体の基台に対するディザー運動が測 定に用いるディザー信号をつくる手段と、 前記たわみスプリングと枠体の所定の共振 周波数と実質的に等しい周波数を有した第１の正弦波信
   号をつくる手段と、 前記第１の正弦波信号に対して直角位相で 同一周波数を有した第２の正弦波信号をつくる手段と、 前記ディザー信号と第１の正弦波信号との 位相差を決定して同相誤差信号をつくる手段と、 前記ディザー信号と第２の正弦波信号との 位相差を決定して直角位相誤差信号をつくる手段と、そ
   して 前記四相誤差信号をヌルとし、前記同相誤 差信号を所定の参照値にサーボする手段とより成るディ
   ザー駆動システム。 ８、前記第１および第２の正弦波信号をつくる手段は、
   各々、ディジタル的に近似した正弦波信号をつくる手段
   より成る特許請求の範囲第７項のディザー駆動システム
   。 ９、前記ディジタル的に近似した信号は２個のステップ
   振幅値を有する特許請求の範囲第８項のディザー駆動シ
   ステム。 １０、前記ディジタル的に近似した信号は３個のステッ
   プ振幅値を有する特許請求の範囲第８項のディザー駆動
   システム。 １１、前記ディザー信号をディジタル的に近似する手段
   を有した特許請求の範囲第８項のディザー駆動システム
   。 １２、前記ディジタル的に近似した信号は２個のステッ
   プ振幅値を有する特許請求の範囲第 １１項のディザー駆動システム。 １３、前記ディジタル的に近似した信号は３個のステッ
   プ振幅値を有する特許請求の範囲第 １１項のディザー駆動システム。 １４、前記ディジタル的に近似した信号を同一位相関係
   を有した正弦波アナログ信号に変換するディジタル／ア
   ナログ変換手段をさらに有する特許請求の範囲第７、８
   、９、１０、 １１、１２あるいは１３項のディザー駆動システム。 １５、共振周波数を有してたわみ機構に配設された枠体
   を有し、たわみ機構は枠体が基台に対してディザーでき
   るように基台と枠体との間に配設されたリングレーザジ
   ャイロスコープ用ディザー駆動システムを制御する方法
   であって、 ディザー周波数を検知し、 特定のディザー駆動信号に対応するディジ タル信号をつくり、 前記ディジタル信号を対応するアナログデ ィザー駆動信号に変換し、そして 前記ディザー駆動信号をトグルして前記た わみ機構を共振周波数で駆動する、各ステップよりなる
   方法。 １６、前記特定のディザー駆動信号に対応するディジタ
   ル信号をつくるステップは、正弦波ルックアップテーブ
   ルとして機能するリードオンリメモリに指標を印加する
   ステップより成る特許請求の範囲第１５項の方法。 １７、正弦波関数を近似する正弦波ディジタル波形をつ
   くり、 余弦波関数を近似する余弦波ディジタル波 形をつくり、そして 正弦波と余弦波のディジタル波形を示す電 圧を直角位相で前記たわみ機構に印加する、各ステップ
   をさらに有する特許請求の範囲第１５項の方法。 １８、前記正弦波と余弦波のディジタル波形を２状態波
   形として形成するステップを有する特許請求の範囲第１
   ７項の方法。 １９、前記正弦波と余弦波のディジタル波形を３状態波
   形として形成するステップを有する特許請求の範囲第１
   ７項の方法。 ２０、共振周波数を有してたわみ機構に配設された枠体
   を有し、たわみ機構は枠体が基台に対して振動的にディ
   ザーできるように基台と枠体との間に配設されたリング
   レーザジャイロスコープ用ディザ駆動システムを制御す
   る方法であって、 ディザ振動を示すディジタル信号を形成し、特定のディ
   ザー駆動信号と周波数に対応し、ディザーを示すディジ
   タル信号と同相である第１のディジタル波形をつくり、 特定のディザー駆動信号と周波数に対応し、ディザーを
   示すディジタル信号と直角位相である第２のディジタル
   波形をつくり、 前記第１および第２のディジタル波形を示 すアナログ信号で前記たわみ機構を駆動し、ディザー振
   動を示す前記ディジタル信号を 第１のディジタル波形で復調して同相誤差信号を得、 ディザー振動を示す前記ディジタル信号を 第２のディジタル波形で復調して直角位相誤差信号を得
   、そして 前記直角位相誤差信号をヌルとし、前記同 相誤差信号を所定の参照値にサーボする各ステップより
   成る方法。 ２１、基台に対して枠体を所定の検知軸の周りにディザ
   ーし、たわみスプリングによって基台に配設された枠体
   を有するリングレーザジャイロスコープ用ディザー駆動
   システムを制御する方法であって、 前記枠体の基台に対するディザー運動の測 定に用いるディザー信号をつくり、 前記たわみスプリングと枠体との所定の共 振周波数と実質的に等しい周波数を有した第１の正弦波
   信号をつくり、 前記第１の正弦波信号に対して四相で同一 周波数を有した第２の正弦波信号をつくり、前記ディザ
   ー信号と第１の正弦波信号との 位相差を決定して同相誤差信号をつくり、 前記ディザー信号と第２の正弦波信号との 位相差を決定して直角位相誤差信号をつくり、そして 前記直角位相誤差信号をヌルとし、前記同 相誤差信号を所定の参照値にサーボする各ステップより
   成る方法。 ２２、前記第１および第２の正弦波信号をつくるステッ
   プは、各々、ディジタル的に近似した正弦波信号をつく
   るステップより成る特許請求の範囲第２１項の方法。 ２３、前記ディジタル的に近似した信号を２個のステッ
   プ振幅値を有するように形成するステップを有する特許
   請求の範囲第２１項の方法。 ２４、前記ディジタル的に近似した信号を３個のステッ
   プ振幅値を有するように形成するステップを有する特許
   請求の範囲第２２項の方法。 ２５、前記ディザー信号をディジタル的に近似するステ
   ップを有する特許請求の範囲第２２項の方法。 ２６、前記ディジタル的に近似した信号を２個のステッ
   プ振幅値を有するように形成するステップを有する特許
   請求の範囲第２５項の方法。 ２７、前記ディジタル的に近似した信号を３個のステッ
   プ振幅値を有するように形成するステップを有する特許
   請求の範囲第２５項の方法。 ２８、前記ディジタル的に近似した信号を同一位相関係
   で正弦波アナログ信号に変換するステップをさらに有す
   る特許請求の範囲第２１、２２、２３、２４、２５、２
   ６あるいは２７項の方法。