JPS60160677A - レ−ザ角速度センサ - 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】 見匪夏光Ｊ 本発明は、一般的に、レーザ角速度センサに係り、更に
詳細には、そのような角速度センサにおいて低角速度検
知中に生じるロックイン誤差を克服するための改良され
た鏡の機械的振動技術に係る。

見帆立１に レーザ角速度センサまたはリングレーザ・ジャイロは、
閉路のまわりを３個または４個の鏡によって順次反射さ
れて進む２つの相反する方向に回転するモノコヒーレン
トレーザビームを有する６その検出軸のまわりにセンサ
を回転させると、その２つのビームに対する有効光路長
が変化し、その結果、両ビーム間に周波数差が生じる。

この差は角速度に比例する。両レーザビーム間の周波数
差が小さくなることが予想される低角速度では、ビーム
が「ロックイン」、あるいは、ビームが同一の周波数で
振動する傾向がある。そのため、その周波数差が検出で
きなくなる。

そのロックインを除去するための従来技術における一つ
の一般的手法は、ずっとこれまで、低センサ回転速度を
上げてロックイン領域外にするように、レーザ角速度セ
ンサを機械的に振動（ディザ）することであった。

′この所謂、本体ディザは、ロックインを減少させるた
めには有用であるが、しかし、ロックインを完全に除去
することはできなかった。そして、センサ全体を継続的
に振動させせることは一般的に好ましくない。

米国特許第３，５３３，０１４号に記載の別のディザ設
計は、反射面に平行な方向に正弦波振動する３つの鏡の
それぞれにある。そのように鏡を運動させるためには、
比較的大きな剪断力が必要なので、これは実際問題とし
て実現するのが困難である。

米国特許第４，２８１，９３０号に記載の、更に別の方
法は、レーザジャイロの３つの鏡すべてを、その反射面
に垂直な方向に振動させる過程を含む。このようにして
鏡を振動させることは比較的容易に実現されるが、適正
な位相関係が厳密に維持されなげ］ロトビームのキャビ
ティ長がディザサイクル中に変化してしまう。これは好
ましくないことである。

見ｌ吸監！ レーザ角速度センサは、２つの相反する方向に向けられ
たレーザビームをキャビティの光軸に沿った閉路のまわ
りに反射するため、四角形の角に適正に配置された４つ
の鏡を有する。ディザ手段は、２つの調節鏡と相互接続
されて、それらの鏡の長手方向（すなわち、鏡主表面に
垂直）の振動を生じる。その２つの鏡の相対位相は、キ
ャビティ長が変化しないように１８０＠に維持される。

ディザ手段駆動回路は、同調しディザ振幅を所定の値に
維持するために鏡の実際の変位をモニタすることによっ
て制御される。その所定の値は、好ましくはゼロ、次の
ベッセル関数の変調指数に対応するレーザ光波長の０．
２７１　倍とする。

ディザ手段駆動回路は、ジャイロへ六方される角速度が
ゼロ近傍になった場合（すなわち、ロックインバンドに
あるとき）ディザを行なう能力を有するが、ディザバン
ド外の値に対してはオフ状態に切り替わる。

ましい　１の　−明一 さて、図面、特に第１図を参照すると、レーザ角速度セ
ンサ１０が、四角形の通路に沿って伸びているキャビテ
ィ１２を有する一片の器具ブロック１１を含むことがわ
かる。典型的には、ヘリウムとネオンとの混合体が、キ
ャビティ内に極めて低い圧力（たとえば、３　Ｔｏｒｒ
　）で収容されている。カソード１３とアノード１４と
の間およびカソード１５とアノード１６との間に同様に
高電位差が形成されると、２つの単色のレーザビーム・
が発生し、その２つのレーザビームは、全体的に線１７
で示されるキャビテイ軸に沿って相反する方向に進む。

鏡１８乃至２１は、四角形のキャビティの各角に配置さ
れ、先ず最初に、その２つのレーザビームが全体的に線
１７で示されるキ、ヤビティ路に沿う方向となるように
働く。２つの隣接した鏡１８および１９は、それぞれ圧
電式機械的発振器２２および２３を備える。

それらの発振器は、付勢されて、鏡の平坦な反射面に垂
直な方向に鏡を振動またはディザする。鏡が湾曲した反
射面を有する場合には、鏡のディザは光軸に沿う。

第２図を参照すると、本実施例の目的を果たす圧電振動
子または発振器２２．２３は、両面に電位差が与えられ
たり、その電位差がなくなったりすることに応答して伸
縮する材料を含む。従って、圧電材料に周期的に変化す
る電位差を与えることによって、交互に材料の伸張、収
縮が起こり、この材料の伸張。

収縮は、更に振動子ハウジング２５を介して鏡をディザ
するように働く。このディザを生じる秀れた手段は、テ
ィー・ジエイ・ハッチングス（Ｔ、　Ｊ、　ｌ（ｕｔｃ
ｈｉｎｇｓ）他の「制御可能な鏡」と題する米国特許第
４，３８３，７６３号に記載のバイモル（ｂｉｍｏｒｐ
ｈ）のように働く圧電セラミックである。

鏡制御および駆動回路の第１の形態の、以下の説明に関
して、第３図を参照する。典型的に、レーザジャイロで
は、鏡２０は、レーザビームに対して半透過性であり、
レーザビームが一般的光学機器および光検出器２６に入
射し、ジャイロへの入力速度を表わすレーザビート周波
数を表示する信号を発生できるようにする。検出器２６
からの信号は、一般的計数処理回路に与えられ、入力回
転の大きさ、および符号の両方についての出力情報を発
生する。入力速度情報は、またマイクロプロセッサ２８
に供給される。このマイクロプロセッサ２８の目的は、
ジャイロがロックバンドの十分外側にあるか否か決定す
ることである。

正弦波発生器２９は、可変利得増幅器３０に交流信号を
与える。、更に、増幅器３０は鏡１８の圧電振動子２２
の駆動装置３１−と相互接続されている。同様に、発生
器２９からｑ正弦波は第２の増幅器３２に与えられる。

増幅器３２の出力は移相器３３に与えられ、ここで位相
は、鏡１９の圧電振動子２３の駆動装置３４に与えられ
る前に１８０°変化させられる。ここで言及されている
ディザ駆動回路の動作に関して、２つの鏡振動子２２お
よび２３は、同じ周波数、振幅及び１８０°ずれた位相
で周期的に駆動される。この位相差は、２つのレーザビ
ームについてのキャビティ長が好ましく一定に維持され
ることを保証する。

整数回の鏡振動についての光学機器および光検出器２６
からの計数の絶対値は、カウンタ３５に蓄積される。こ
のことを達成するために、同期パルスが正弦波発生器か
らカウンタに送られる。カウンタ３５のパルス計数は、
Ｄ／Ａ変換器３６内でアナログ等価量に変換される。こ
のアナログ等価量は、増幅器３０および３２の両方の利
得制御に与えられ、駆動装置３１．３４の出力の大きさ
に対応する変化を生じさせる。

マイクロプロセッサ２８は、ジャイロ入力。

が所定のロックイン範囲内にある明り、線３７上の正弦
波発生器２９に付勢信号を与える。

ジャイロ入力が、非ディザロックイン限界を十分に越え
ているが、ディザ周波数の一次調波でのディザによって
形成される第１次ロックバンドに到達する前である場合
に、正弦波発生器は消勢さ九で、そのとき鏡ディザは完
全に終結する。

第４図は、ディザ駆動および制御回路の別の実施例を示
す。先に説明した実施例のごとく、正弦波発生器３８は
、増幅器３９および駆動装置４０を介して周期的にディ
ザ鏡１８に対して相互接続される。また、前記のごとく
、正弦波発生器は、鏡１８のものと同じ周波数および振
幅で１８０°位相がずれた交流電圧を、増幅器４１、移
相器４２．および駆動装置ｉ４３を介してディザ鏡１９
に与える。

半透過性鏡２１は、一本のレーザビごムをフォトダイオ
ード４４まで通過させ、フォトダイオード４４は、その
一本のビー４９強度に対応した信号を発生する。この信
号は、主に鏡によるキャビティ内での後方散乱により。

通常のジャイロヘテロダイン出力として交流成分を含む
。フォトダイオード４４の出方は、ビークピーク検出器
４５内で形成され、誤差信号は、誤差増幅器４６内で、
形成される。この信号は、増幅器３９および４１の利得
を制御するために用いられる。それによって、鏡は、フ
ォトダイオード４４からの信号上の交流成分（ジャイロ
出力ビート周波数の）を最小イビする振幅で駆動される
ようにサーボ制御される。

本発明の実用において、レーザジャイロ内で直接隣接し
た（すなわち、並置された）２つの鏡は、同じ周波数と
振幅および１８ｏ０ずれた位相関係で、鏡面に垂直な通
路に沿っテティザされる０両実施例とも、ジャイロ入力
速度がロックイン領域を越えたときに鏡ディザを停止す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明によ葛レーザ角速度センサの一実施例
を示す図であり、 第２図は、鏡および鏡振動手段の正面図であり、 第３図は、振動駆動および制御のための機能ブロック回
路図であり、 第４図は、別の実施例による振動駆動および制御のため
の回路を示す図である。 ［主要部分の符号の説明］ 第１の鏡・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・１８第１の振動手段・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・２２第２の鏡・・
・・・・・・・・・・・・・・−・・・・・・・−・・
・・・１９第２の振動手段・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・２３駆動回路手段・・・・・・
Ｊ・・・・・・・・・・・３１．３３．３４付勢を中断
する手段・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・２
９Ｊｉｇ、ｌ　＋ｎ 濁り、２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、相反する方向に向けられた第１および第２のレーザ
   ビームが４つの鏡によって反射されて入力速度検知軸の
   まわりの閉路を通過するレーザ角速度センサにおいて、 前記鏡のうちの第１鏡を、その第１の鏡の反射面に対し
   て垂直に動かす第１の振動手段、前記第１の鏡のすぐ隣
   の第２の鏡を、その第２の鏡の反射面に対して垂直に動
   力）す第２の振動手段、および 前記第１および第２の振動手段を、１８０゜の位相差を
   生じ、所定の同一振幅となるように付勢する駆動回路手
   段を備えたことを特徴とするレーザ角速度センサ。 ２、特許請求の範囲第１項に記載のセンサにおいて・ 前記駆動回路手段は、前記センサが所定のロックイン速
   度を超える入力角度速度を受信したときに、前記第１お
   よび第２の振動手段の付勢を中断する手段を含むことを
   特徴とするレーザ角速度センサ。 ３、特許請求の範囲第１項に記載のセンサにおいて、 前記第１および第２の振動手段が、レーザビーム波長の
   ０．２７１　倍に等しい振動振幅を与えるよう↓こ付勢
   されることを特徴とするレーザ角速度センサ。 ４．２つの相反する方向に回転する一レーザビームと４
   つの鏡とを有するリングレーザ・ジャイロ、 前記鏡のうち２つの鏡を、その反射面に対して実質的に
   垂直な方向にだけ閉じ、周波数で振動するモードに移行
   させる手段、および前記振動している鏡の両方の運動を
   調節して、前記振動鏡が変位するときの主レーザビーム
   路長を一定に維持する手段を備えたことを特徴とするリ
   ングレーザ・ジャイロ。 ５．相反する方向に回転するレーザビーム゛髪発生する
   活性レーザ作用媒体を含み１両光ビーム間の周波数差が
   リングレーザ・ジャイロが受けた角速度の測定値であり
   、前記光ビームを反射するための４つの鏡を含む閉路光
   学キャビティを形成する手段、および 前記鏡のうちの２つの鏡を、その反射面に対して垂直方
   向のみに同じ周波数で移行的に振動させ、前記振動鏡が
   非ゼロ振動振幅および振動位相を前記閉路のまわりの総
   合距離を実質的に一定に維持するように調節する手段を
   備えたことを特徴とするリングレーザ・ジャイロ。