JPS59200479A - リングレ−ザ−回転速度センサ - 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】 本発明は成る物体の回転速度を測定する装置に関する。

一層詳しくは、本発明はリンクレーザ一式回転速度セン
サの改良に関する。

従来技術の説明 リンクレーサ一式回転速度センサ、すなわち、ジャイロ
スコープは、比較的最近ではあるが周知の技術である。

この機器はうなり周波数に依存するものであり、うなり
周波数は閉鎖窒間内で互いに逆回転するレーザービーム
の相互作用によって、これらレーザービーム間に周波数
差が発生したときに発生する。

この周波数差は一層のビームの経路が他方のビームの経
路よりも長くなったときに生じる。

上述の機器は、「ストラップタウン」航法機器として特
に有用であることが知られている。

これを使用すると、ジンハル式プラットフォームなどを
必要とせず、航法システムの設計を簡略化できる。また
、リングレーサ一式ジャイロスコープの精度は潜在的に
７Ｓいのて、これもこの技術の魁力となっている。

リングレーザ一式ジャイロスコープにも欠陥がないわけ
ではなく、それは［ロツクインゴと言われる現象である
。この現象は回転速度が比較的低いときに生じる。これ
か／：１：しると、時計方向でも反時計方向でも憬器の
応答が非線形となる。

このジャイロスコープの１盲点」を克服しようとする試
みは、機械的にも電気光学的にも行なわれてきた。ジャ
イロスコープ動作を線形応答範囲にシフトするのに機械
的な高周波ディザリングが用いられたことがある。４戚
気光学的な試みもなされたか、これはレーサー空間にフ
ァラデー・セル装置を設けなければならなし・。こうす
ることによって、機器に一定のバイアスを与えて機器の
動作を低回転速度非線形範囲の外にシフトすることがで
きる。しかしながら、これらの技術は実施が困難である
ことがわかっている。機械的ディザリングでは、複雑の
航法システムにかなりの振動を与えることが多いし、フ
ァラデー・セル装置では、一定の光学的バイアスを維持
するのにほぼ一定の磁界を必要とするので、満足できる
程度の実施を行なうのが困難である。

Ｗａｉｔｅｒのｒ　Ｈｉｇｈ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
Ｒｉｎｇ　Ｌａ５ｅｒ　Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ　Ｗｉｔｈ
Ｍａｇｎｅｔｏ　−０ｐｔｉｃａｌ　　Ｂｉａｓ　Ｊな
る名称の米国特許第３．８２６．５７５号が、ファラデ
ー・セルに伴なう長期安定性問題を解決する方法を開示
している。この米国特許では、２つの三角形レーザービ
ーム放出空間を使用し、各レーザービーム放出空間の１
つのセグメントがかなり高いヴエルデ定数を持つ材料、
たとえば、フリントガラスを収容している。この対４と
なった空間セグメントが接近しているので、共通のＤＣ
電源、たとえは、バッテリを使用し、磁界コイルの電流
源とし、レーザービーム放出空間に等しいけれども逆方
向のバイアスを与えることができる。個切な出力合成用
の光学機器、電子機器を使用することによって、これら
のバイアスは消去され、印加された磁気光学バイアスの
変動に鈍感な総合機器出力が発生することになる。した
がって、共通の、すなわち差動バイアス印加装置を利用
して個々の空間の動作を互いに逆方向に線形応答範囲ま
でシフトし、印加バイアス・ドリフト・エラーの影響を
消去によって除去することによってロックインの影響を
回避することができる。

Ｗａｉｔｅｒ特許に開示されている装置は低回転速度の
測定においては進歩を示しているか、レーサービーム放
出空間内に四分の一波長プレートその他の要素を導入し
、これらの構成要素は減衰を招き、成る程度まで抜力散
乱を住じさせ、これがロックイン問題を悪化させる。

／ 発明の概要 本発明は従来技術の上記およびその他の問題を解決する
ものであり、そのために、互いに逆回転するレーサービ
ームを利用して回転速度を測定する形式のリングレーザ
一式回転速度センサを提供するものである。このセンサ
は第１、第２のレーザービーム放出空間を包含し、各レ
ーザービーム放出空間は面外形状を形成するように配置
した４つのほぼまつすぐなセグメントを包含する。各空
間にはレーザー利得媒質か入れである。第１、第２の空
間からの出力うなり周波数を等しい量だけ互いに逆方向
に光学的にバイアスする手段も設けである。さらに、第
１、第２のレーザービーム放出空間からの出力うなり周
波数を組合わせてセンサの回転測定値とする手段も設け
である。

本発明の上記およびその他の特徴、利点は以下の詳細な
説明から明らかとなろう。この説明は一組の図面に関連
したものであり、この図面において詳細な説明で利用し
ている符号に一致する符号は本発明の各構成要素に伺し
てそれを示すものであり、図面を通じて同様な符号は同
様な構成要素を示して℃・ろ。

詳細な説明 図面を参照して、第１図は本発明によるリングレーザ−
回転速度センサの光学的な概略斜視図である。このセン
サは、大雑把に石って、４つのほぼまっすぐなセグメン
ト１０．１２．１４．１６からなる右側閉鎖レーサービ
ーム放出空間Ａと、対応するセグメント１０’、１２’
、１４’、１６’からなる左側レーザービーム放出空間
Ｂとを包含する。

右側、左側のレーザービーム放出空間は互いに対称的に
配置してあり、図面かられかるように、互いに重なって
いて、セグメント１０．１０１がそれぞれ左側、右側の
レーザービーム放出空間の内部に延在する。接近したセ
クメント１０．１０′は差動バイアス印加媒質と、空間
Ａ、Ｂ内でレーザー放出作用を励起する利得媒質とに対
する共通位置として作用する。管状永久磁石１８が空間
に共通の磁界を与えており、この磁界はレーザー光と反
応してこれら空間内でビームにつりあい光学位相シフト
を与える。あるいは、この磁界をバッテリ電源コイルで
与えてもよいが、永久磁石の方が電磁石に通常伴なう電
力消費量や加熱現象がなく、その上磁界の安定性が良い
という利点を持つ。アノード２２．２２′が共通のカソ
ード２４と連動して所望のレーザー放出作用を行なうに
必要なガスのイオン化を空間内で生じさせる。レーザー
放出作用および発生したレーサー光の磁気光学バイアス
作用は、共に、空間Ａ、Ｈの同じ物理領域（すなわち、
勾応するセグメント１０．１０′　）内で生じる。

空間内での逆回転ビームは、右側空間ミラー２６．２８
．３０．３２の配置および左側空間ミラー２６’、２８
’、３０’、３２’の配置によって方向付けられる。ミ
ラー２８．２８’、３２．３２′は好ましくは全反射型
であり、ミラー２６．２６′、３０．３０′は部分透過
型である。部分透過型ミラー２６．２６’に当った光の
一部はそれぞれ組合わせプリズム３６．３６′に入る。

一方、ミラー３０．３０′に当った光の一部は糾合わせ
プリズム３４．３４′に入る。これらの組合ったプリズ
ムは対応した空間内の逆回転ビームに作用する。組合わ
せプリズム３６．３６′は逆回転成分を一対の平行（−
ム出力３８．３８′に転換する。各出力の強度は空間内
の一方の逆回転ビームのそれに比例する。これらのビー
ムは一対のシリコン光検出器４０または４０′に送られ
、そこでは、それらの相対強度が対応する電気信号に変
換される。これらの信号は以下に詳述するように空間光
路長制御に使用され、プリズム３４．３４′からの出力
は回転を測定するのに使用される。

周知のよ５Ｋ、空間長さくす、なわシ、周波数）対逆回
転ビームの利得あるいは強度の曲線の分離は利得媒質の
磁界Ｂを付与したときに生じせしめられる。利得曲線の
分離手段はμ　Ｂｇ　　で与えられる。ここで、μ８お
よびＬ ｇＬは、それぞれ、ボーア磁子、ランデのｇ因子を表わ
す定数である。セグメント１０．１０′内のガスが共に
利得媒質を包含し、ファラデー回転子が空間Ａ、Ｂ内で
光学周波数をバイアスする磁界を含んでいるので、この
ジャイロスコープの構成要素の配置では、各空間内の逆
回転光線が異なった空間長さで最高強度に到達する。さ
らに、利得対空間長曲線の分離により、逆回転ビームの
強度が同一となる単一の空間長が存在する。本発明の種
々の設計上のパラメータは、したがって、次のように選
定される。すなわち、逆回転ビームの強度が同一となる
空間長が公称空間長となるように選定される。このこと
は、ミラーの機械的なディザリングよりも空間光路長の
光学サーボ制御を比軟的簡単にし、利得分離、すなわち
、最高強度の決定を比較的困難にすることなく逆回転ビ
ームにつ（・ての曲線の利用できる「視点」のみを見つ
け出せる。

光路長の制御は、普通の圧電式トランスジューサ４４．
４４′によってミラー２８．２８′の位置を調節して行
なう。これらのトランスジューサ４４．４４′は比較器
４２．４２′を包含するフィードバック制側１回路で発
生した電気信号によって付勢される。トランスジューサ
４４．４４′を営む回路は、比較器４２．４２′からの
信号（ビーム対３８．３８’の個々のビーム間の強度差
を示す信号）に応答してミラー２８．２８′が動かされ
てそれら間の差をゼロに向って駆動するように配置しで
ある。このようにして、各空間の長さは、空間内の逆回
転ビームの強度が一致するか、あるいは成る選定した一
定の比率を持っただ１種類の公知長さにサーボ開側１さ
れる。

ミラー３０．３０′を透過した逆回転ヒームはプリズム
３４．３４′によって組合わされて光学的な信号となり
、これが空間内に逆回転ビームの異なった周阪数によっ
て生じたうなり周波数を示す。リングレーザ一式ジャイ
ロスコープの分野では周知のように、このうなり周波数
はジャイロスコープの回転測定値となる。」二連の光学
信号は光検出器４６．４６′に与えられ、ここで、これ
らの信号は代表的な電気信号に変換され、これらは速度
検出回路（図示せず）によって処理される。

速度検出回路（ディジタル・カウンタなどの普通の配置
を持っていてもよい）は適当に同期作用し、２つの空間
の出力を組合わせ、それら忙共通の光学バイアスを消去
し、磁界ドリフトの長期間の影響を最終的な出力から排
除する。

第２図は右側空間Ａと左側空間Ｂの光路を示す頂面図で
ある。この図かられかるように、空間ミラーは直角等辺
三角形を構成する光路にビームを向ける。第３図として
の右側空間Ａの側面図で、セグメント１４か垂直方向を
向いており、異なった三角形空間の面外配置を行なうこ
とがはっきりする。さらに、第３図に示すように、空間
セグメント１２．１６は平行な平面に位置し、これらの
平面はセグメント１４に対して直角である（右側空間で
は、左側空間に関して同一の配置が存在する）。

三角形の斜辺をなすセグメント１０はＲ１ｉ記平行平面
の両方に対して傾斜して（・る。

図示実施例は製作その他の目的にとっては好ましいもの
であるが、精密光路形態だけが本発明の作動に専ら適し
ているわけではなし・０空間Ａ、Ｂが面外であることだ
けは必要であり、２つのセグメントが必す平行である必
要はないし、連結セグメント１４．１４′が１つまたは
それ以上のセグメントに対して１−１角である必要は決
して必要ないのである。さらに、第２図に示すものと違
って、空間Ａ、Ｈのセグメントが三角形を形成する必要
はなく。

むしろ、これらの空間が４ミラ一式光路な含む面外形状
を包含すればよいのである。成る設計では、セグメント
１４．１４′の相対長さのなす「面外」量は、右、左の
円偏波空間モードの所望の間隔に従って調節し、空所長
さを調節してこれらのモードのうち一方のモードでのみ
空所あたりのレーザー放出を行ない（セグメント１ｏ、
１０′で同じ偏光モードである）、本発明に従って磁界
（パイアスクの影響を取消し、空間の間に所望の回転効
果を加える。この設計はレーザー技術についての普通の
知識を持つ者の技術内で満足できるものである。

周知のように、４つの完全処絶縁体である反射鏡を持つ
非平面性空洞光学空間は円偏波光モードの４を支えるこ
とになる。したがって、逆回転レーザービームの円偏波
モードだけが、左右の全開を通って伝達され、磁石１８
とセグメント１ｏ、１０’内のプリズムの組合わせを含
む光学バイアス用ファラデー回転子に適した入力となる
。前記Ｗａｌｔｅｒの米国特許では、線形偏光モードか
３ミラ一平面レーザービーム放出空間において支（−゛
」さλ１１、レーザービーム放出空間に四分の一阪］（
ごプレートを導入してファラデー・バイアス装置と両立
する異なった線形偏光光を与えている。

さらに、Ｗａｉｔｅｒ特許では、ファラデ〜・バイアス
材料として固体要素を使用して（イ）、１このような要
素は減衰が大きく、望間（・′Ｃ光学的な後方散乱を生
じさせ、望ましくなし・ロックイン現象を生じさせる可
能性がある。

したがって、新規な改良リンクレーサ一式回転速度セン
サを本発明が提供したことがわかろう。本発明によるセ
ンサは、誠艮作用やレーザービーム放出空間内への光学
要素の望ましくない配置を行なうことなく差動バイアス
作用を行なえるという利点を与える。さらに、本発明は
、ミラー・ティサリンクの欠）、＋１（機械的な複雑さ
や信頼性を含む）を回避てきる光路長制御のための非常
に有利な力法を提供する。

本発明を好ましい実施例について説明してきたか、その
全範囲は特許請求の範囲に定義しているようなすべての
実施例およびその均等物を包含すると考える。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す光学的な概略斜視図であ
り、 ８２図は本発明によるリングレーサ一式ジャイロスコー
プの左右の空間の光路を示す頂面図て゛あり、 釦、３図は第１．２図の右側空間の光路の側＋Ｍ１図で
゛ある。 〔主要部分の符号の説明〕 １０．１０’、１２．１２’、１４．１４′、１６．１
６′　・・セグメント、１８・・・永久磁石。 ２２．２２′　・・アノード、２４・・カソード。 ２６．２６’１．２Ｂ、２８’、３０．３０′、３２．
３２′　・・ミラー、３．４．３４′・・・プリズム、
３６．３６′・・・プリズム、４０．４０′・・・光検
出器、４２．４２′・・比較器。 ４４．４４′・・圧電式トランスジューサ。 ４．６．４６′・・光検出器。 Ｎｉす、３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）逆回転するレーザービームを利用して回転速度を
   測定する形式のリングレーザ−回転速度センサにおいて
   、 ａ）第１、第２のレーザー光放出空間であって、 ｂ）各々が面外形状を形成するは５に配置した４つのほ
   ぼまっすぐなセグメントからなるレーザービーム放出空
   間と、 Ｃ）これらレーザービーム放出空間の各々に収容された
   レーザー利得媒質と、 ｄ）第１１、第２のレーザービーム放出空間内でレーザ
   ー・エネルギを等しい量だけ逆の方向に光学的にバイア
   スする手段と−ｅ）　　ｔｉｉ＋記第１、第２のレーザ
   ービーム放出空間内のエネルギを組合わせて前記センサ
   の回転についての測定値とする手段とを包含することを
   特徴とするリングレーザ−回転速度センサ。 （２、特許請求の範囲第１項記載のリングレーザ−回転
   速度センサにおいて、 ａ）前記第２レーザービーム放出空間の１つのセグメン
   トが前記第２レーザービーム放出空間の１つのセグメン
   トに対してその全長にわたって接近しており、 ｂ）前記利得媒質が前記量レーザービーム放出空間の前
   記接近したセグメントと組合わせである ことを特徴とするリングレーザ−回転 速度センサ。 （３）特許請求の範囲第２項記載のリングレーザ−回転
   速度センサにお（・て、 ａ）前記レーザービーム放出空間の各々と組合わせてあ
   ってその中の逆回転レーザービームの相対的な強度に応
   答する手段と、 ｂ）この最後の手段に応答して削記レーザ−ビーム放出
   空間の各々の光路長を調節する手段と を包含することを特徴とするリングレ ー状−回転速度センサ。 （４）特許請求の範囲第３項記載のリングレーザ−回転
   速度センサにおいて、同量で逆方向の光学的なバイアス
   を行なう前記手段が前記レーサービーム放出空間の前記
   接近したセグメントを組合わせであることを特徴とする
   リングレーサー回転速度センサ。 （５）特許請求の範囲第４項記載のリングレーザ−回転
   速度センサにおいて、同量で逆方向の光学的なバイアス
   を行な５　Ｒｉｉ記手段が前記接近したセグメントに共
   通の磁界を与える手段を包含することを特徴とするリン
   グレーザ−回転速度センサ。 （６）特許請求の範囲第５項記載のリングレーザ−回転
   速度センサにおいて、前記面外形状が所定の視野内で三
   角形となっていることを特徴とするリングレーザ−回転
   速度セ（７）特許請求の範囲第６項記載のリングレーザ
   −回転速度センサにお℃・て、前記レーザービーム放出
   空間の各々の光路長を調節する前記手段が少なくとも１
   つの圧電式トランスジューサを包含することを特徴とす
   るリングレーザ−回転速度センサ。 （８）特許請求の範囲第７項記載のリングレーザ−回転
   速度センサにおいて、逆回転レーザービームの相対強度
   に応答するｍ１記手段が、 ａ）前記レーザービーム放出空間と共に光を２本の平行
   なビームに転換するプリズムであって、第１のビームが
   第Ｊの方向に回転する光の強度の関数となり、第２のビ
   ームが該第１の方向と反対方向に回転する光の強度の関
   数となるようにするプリズムと、 ｂ）前記両ビームの強度を比較する手段と、Ｃ）前記両
   ビームの強度の差に応答して信号を発生する手段と、 ｄ）　　ｉ’ｉｌ記圧電式トランスジューサに前記信号
   を送る手段と を包含することを特徴とするリングレ ーザ−回転速度センサ。