JPS611072A - 光角速度計のロツクイン周波数低減法 - Google Patents

光角速度計のロツクイン周波数低減法

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JPS611072A
JPS611072A JP59119858A JP11985884A JPS611072A JP S611072 A JPS611072 A JP S611072A JP 59119858 A JP59119858 A JP 59119858A JP 11985884 A JP11985884 A JP 11985884A JP S611072 A JPS611072 A JP S611072A
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    • G01C19/58Turn-sensitive devices without moving masses
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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】 「産業上の利用分野」 複数の反射鏡により形成された環状光路内に2つの光ビ
ームを右廻り光及び左廻り光として対向進行させ、これ
ら2つの光ビームの周波数の差を検出して、その環状光
路のもつ角速度を測定する光角速度計において、低入カ
ンートの領域、つ壕り角速度が小さい領域においては前
記右廻シ光と左廻シ光とが相互作用を及ぼしあい同一の
周波数で共振してしまうというロックイン現象が知られ
ている。
この発明はロックイン周波数を低減する方法に関する。
このロックイン現象による誤差を小さくする方法として
、角速度計がロックイン領域に滞留する時間が短かくな
るように、あるいはランダムノイズを重畳して誤差を平
均的には零に近づけようとするBODY = D ’T
HER方式等が良く知られている。
これに対しロ、クイン周波数そのものを小さくしようと
いう方法も考えられていて、これらの方法を組み合わせ
て構成することにより、光角速度計のロックイン領域及
び誤差を低減させる工夫がなされている。従来のロ、ク
イン周波数を小さくする方法の原理及び問題点を先ず説
明する。
ロックイン現象が生ずるのは拍状光路を構成する反射鏡
による散乱波が正規の進行波に混入して相互作用を及ぼ
すのが原因となっている。極めて注意深く製作された反
射鏡でもミクロ的にみると鏡面としての欠陥が存在し、
進行波の散乱源となっていてこの散乱源による散乱波は
進行波に対しベクトルで表現することができる。実際の
反射鏡には複数の散乱源があり、これら散乱源による各
散乱波ベクトルは合成して1つの代表散乱波ベクトルE
Tとして扱うことができる。
「従来技術」 光角速度計は第1図に示すように三角形の各頂点に反射
鏡15,16.17が配され、これら反射鏡15.16
.17により三角形状の環状光路22が構成され、反射
鏡15,16.17.15と順次反射されて右廻りに単
色の光が回転進行され(右廻り進行波と呼ぶ)、また反
射鏡を17゜16.15.17と順次反射されて左廻り
に単色の光が回転進行される(左廻り進行波と呼ぶ)。
これら右廻り進行波と左廻り進行波との周波数差を検出
してか状光路22の軸心を中心とする角速度を測定する
。これら右廻9光及び左廻シ光として一般にレーザが用
いられ環状光路22は共振器として作用しレーザ発振が
行なわれる。このレーザ発振器はリングレーザと呼ばれ
、との光角速度計はレーザノヤイロとも称せられている
との光角速度計で入力角速度が小さいと、口。
フィン現象が生じる。例えば第1の反射鏡15による右
廻り進行波の散乱は鏡面上の各微小散乱源によるそれぞ
れの散乱波ベクトルを合成して1つの代表散乱波ベクト
ルE1r11と表わすことができ   ・□るっこのよ
うに各反射鏡15,16.17について右廻り進行波の
代表散乱波ベクトルEi ”N 、 Elr+21E1
r1を加え合わせると環状光路内の右廻り進行波に関す
る合成散乱波ベクトルE1r1=E1r11+E1r、
2十E1r13が得られる。この合成散乱波E1r1が
左廻り進行波E2に混入する。一方、各反射鏡15,1
6゜17について左廻シ進行波E2の合成散乱波ベクト
ルは同様にしてE2r2=E2r21+E2r22+E
2r23となり、これは右廻り進行波E1に混入する。
第2図はこの様子をベクトル図で表わしたものである。
ただし同図でε、11−ε、12−ε2,3.ε、21
=’r’22 = eP23 + rll = r12
 = r+3 ’ ”21°122°126jEl””
E2トL W=’fi十π+ 7(ε2−ε、) トス
ル。
代表散乱波E1r1+ E2r2の大きさを式で表わす
と式(1) 、 (2)となり、進行波E2.E1との
位相差ε1゜ε2は式<3) 、 (4)で表わされる
ただし θ11”S1+εp++  ”πh2/凸λ012−8
2+εP12+2πh1/l′3λ+4πh2/f′3
λθ13”””3+εP13  ”πh1/白λ−4π
h2/凸λθ21−−S1+εp21+2πh2/凸λ
θ22=−82+εP22−2πh1/凸λ−4πh2
/凸λθ23=−83+εP23+2πh1/凸λ+2
πh2/凸λ。
ここでhl、h2は第1.第2反射鏡の法線方向の変位
、で光路の内側に向う方向を正に取る。S、、S2゜S
3.は基本状態における各代表散乱波の初期位相。
εPjkは各散乱源での付加位相、λはレーザの発振波
長。
第1添字の1,2はそれぞれ右廻り進行波、左廻り進行
波に対応する、 第2添字の1.2.3はそれぞれ第1.第2.第3反射
鏡に対応する。
また環状光路は正三角形とする。
従って各反射鏡のそれぞれの代表散乱波ベクトルの位相
関係を制御することで右廻り進行波あるいは左廻り進行
波の各合成散乱波E 1r + + 、E2 r 2を
低減することが可能であり、依ってロックイン周波数を
低減することが可能とされる。
現在提案されている方法には第3反射鏡17を固定鏡と
し、第1.第2反射鏡15 、1’6をそれぞれの法線
方向に可動として、第1.第3反射鏡15.17の代表
散乱波E1rN IEir芯の位相関係°。
及び第2.第3反射鏡16.17の代表散乱波”’1r
121 El”3の位相関係を制御可能とさせている。
ただこの際、レーザ共振器としての環状光路の光路長を
一定に保持する必要性から第1.第2反射鏡15.16
を独立に動かすことは許されず、光路長を一定に保存し
ながらの制御が不可欠の条件となっている。具体的には
、第1図に示す通ね、例えば第1の反射鏡15を15′
として示すようにその法線方向に第3反射鏡1,7から
遠ざける向きにhlだけ動かすと第2反射鏡16は16
′として示すように法線方向に第3反射鏡17に近づけ
る向きに、第1反射鏡15の移動量h1と等しい量1h
iまたけ動かすことが要請される。逆に第1反射鏡15
を第3反射鏡17に向けて押すようにするなら、第2反
射鏡16は第3反射鏡17から遠ざかるように引きつけ
なければならない。このようにゾツノーゾルの動きで各
代表散乱波間の位相制御をす°る場合、やはり第1図か
られかるように第1.第2反射鏡15.16の各代表散
乱波E1’Th + ”’、”T>の間の位相関係は不
変となる。即ちこのようなゾッ/ユゾルの動きによる反
射鏡の制御では合成散乱波ベクトル”i ヘ+ E2F
”2を可及的最小値とすることは不可能である。
「発明の目的」 この発明は以上に述べた欠点を解決するもので、   
 ・ロ、クイン周波数を小さくするだめに2つの反射鏡
を法線方向に互に逆の向きに移動させるが、その2つの
反射鏡によるそれぞれの代表散乱波の間の位相関係をも
制御可能々ように構成し、合成散乱波ベクトルを可及的
に最小にし、ロックイン周波数を従来よりも低くするこ
とができる光角速度計のロックイン周波数低減法を得よ
うとするものである。
「発明の構成」 前述のようにレーザを使用しだ光角速度計ではレーザ発
振のだめの発振光路長を一定に保持する必要がある。通
常又ングレーザの光学系は熱の影響などを受ける結果、
反射鏡間の位置が変化し、これにより散乱波の位相関係
が変化しランダム・ウオ−り係数あるいはスケールファ
クタの変動原因ともなっているがこの発明ではこのよう
な関係を積極的に利用して、つまり反射鏡の位置を変化
させることにより位相関係を変化させてロックイン周波
数の低減を計る。
この発明では例えば第1.第2反射鏡をその法線方向に
ゾッシーデルに動かして、ロ、クイン周波数の最小値を
求め′るばかりでなく、第1反射鏡あるいは第2反射鏡
を環状光路の作る面でその環状光路の接線方向に移動さ
せてロ、クイン周波数の最小値を求める。乙の後者の接
線方向の移動により第1.第2反射鏡の代表散乱波Ej
r111 Eirj2の位相関係をも変化させることが
でき、前者の法線方向の移動のみによる場合よりもロッ
クイン周波数を小さくすることができる。
このことについて詳細に説明する。
今、す/グレーザにおいて、右廻り進行波と左廻り進行
波とのラム定数を等しいものとすると、リングレーザの
強度と位相に関する自己無撞着方程式は(5) 、 (
6) 、 (7)となり、ロックイン周波数Ω、は式(
8)で表わすことができる。
α−β11−012 + 2 r2 (I2/ I 1
)v2cos(φ十と)−〇  −(5)α−β工、−
oIl +2 rl(I、 /I、、)ct6(φ−ε
)−〇  ・(6)Ω+r (I +  I2 ) ’
 [r2 (I 2/I −、) ”sm (φ十ε)
+r1(I、/12)”5in(φ−ε)]−〇 ・・
(7) と−7(ε1+と2) Ω、 −(C/L) C,4r 1r 2 (cos5
+tsimε)2+(ψ2−ψ1)2(t2+1)’:
l” ・(8)t−(2L/C)τ/(β−θ) ここで α:利得、β、自己飽和、τ:相互押出、工:無次元や
光強度、Ω:入力角速度、Ωトロツクイン周波数、r:
比散乱率、ε:散乱付加角、φ:右廻り進行波と左廻り
進行波との位相差、L:光路長、C°光速、θ 相互飽
和 である。
なお、式は口、り状態を表わす様にi−0,φ−0とお
いている。
第1図において、;7’、7−プルに第1.第2反射鏡
を動かすということはこれらの式においてhl−−h2
の関係を保ちなからh2を変化させることである。各散
乱源の右廻り進行波と左廻り進行波とに対する散乱定数
が等しいとして式(1)〜(8)を用いて、ロックイン
周波数Ω1をh2の関数とし、h2の値についてのロッ
クイン周波数Ω、の値を求めてグラフとして示したのが
第3図である。ここには第1.第2反射鏡15.16を
プノノーブルに制御することでロックイン周波数の低減
が可能なことが示されている。これは第4図に示す実験
結果とも良好な一致を示していて、式(1)〜(8)ま
での理論的な組み立ての妥当性を物語っている。
この発明では前記法線方向のプ、7=ゾル移動のみなら
ずこれら2つの反射鏡の一方を接線方向に移動するが、
これらのことは、各代表散乱波ベクトルの初期位相S3
のSl、S2に対する関係を変化ぐせることに相当する
。これらSl、S2.S30値を変えて同様に計算した
結果が示されている。第3図aは5l−82−83−0
,第3図すはs、=o。
52−83−60°、第3図Cは31= S2:O,S
6= 120゜の各場合である。これら第3図a ’+
 b 、 cの計算結果からロックイン周波数01の最
小値は初期位相S1.S2.S3を変えるととにより変
化することが理解される。
この発明では2枚の反射鏡をその法線方向ヘゾ    
 1ツノ−プルに制御するだけでなく、その一方の反射
鏡をその接線方向に動かして3つの代表散乱波ベクトル
相互の位相関係を調整して、最小の口。
フィン周波数Ω、を求める。
また、この位相制御は最大−波長分つ丼り2πradだ
け変化させればよく、反射鏡の接線方向の移動量は第5
図に示すように、30°の入射角をもつ光に対しては波
長の2倍(2λ)だけ移動可能なように構成すれば充分
である。この値は0633μmの発振波長を持つHe 
−Neレーザの場合には127μmとなる。
「実施例」 第6図はこの発明による方法を可能とする光角速度計の
り7グレ一ザ部分の一例を示す。
結晶化がラスプロ、り11内にほぼ正三角形の各辺を構
成する通゛路12,13.14が形成され、これら通路
1.2 、13 、14により一つの連続した放電空間
が構成される。通路12,13.14の各交差点に反射
鏡15 、1.6 、17が配される。
通路13.14の各中間位置に陽1fts、1c+が設
けられ、通路12の中間位置に陰極21が設けられる。
前記放電空間にはヘリウム、ネオンなどのレーザ媒質が
封入され、陽極1.8 、19と陰極21との間にレー
ザ放電が行なわれ、レーザビームが反射鏡15.16.
17.15と順次反射されて時計方向に回転進行する右
廻り進行波と、反射鏡17,16,15.17と順次反
射されて反時計方向に回転進行する左廻り進行波とを形
成させ、この環状光路22の中心を通る軸23の1わり
に角速度があると、前記互に逆の向きに回転進行する右
廻り進行波と左廻り進行波の発振周波数に差が生じる0
この2つの進行波の一部をとり出し、重ね合わせて干渉
させ、その干渉縞の移動速度及びその移動の向きにより
角速度の大きさ及び向きを知ることができるようになっ
ている。
この例では第1.第2反射鏡1.5 、16は平面鏡を
用い、第3反射鏡17は固定した凹面鏡を用いた。反射
鏡15.16は、これをその法線方向に移動制御する手
段に取付けられている。その手段として例えばPZTを
貼り合わせたバイモルフ素子等のビニシアクチユニイタ
24.25が設けられている。第2反射鏡16について
は更に接線、莢向に移動させる手段が設けられる。例え
ば水晶のYカット板等の厚みすべり現象を利用するビニ
シアクチユニイタ26がピエゾアクチーエイタ25と反
射鏡15との間に介在される。
このように構成された光角速度計の各反射鏡を、例えば
第7図に示す制御系を用いてこの発明の方法を実行する
第1.第2反射鏡をその法線方向に移動制御するビニシ
アクチユニイタ24.25と第1反射鏡15をその接線
方向に移動制御するビニシアクチユニイタ26にはリー
ド線27,28.29を通してそれぞれコントローラ3
0,31.32が接続され、それらコントローラにはそ
れぞれ発振器33.34.35が接続され、ビエゾアク
チーエイタ24.25.26を振動的に制御可能とされ
ている。
一方、第3反射鏡17からは環状光路22内の右廻り進
行波あるいは左廻り進行波の一部がとり出されるように
なっていて、取出された進行波は光検出器36に入る。
光検出器36からの信号は増幅器37を通じて復調器3
8,39.40に入力され、復調器38,39.40の
検波出力でコントローラ30.31.32がそれぞれ制
御される。
この制御系による制御の一例を説明する。
発振器の発振周波数でコントローラがアクチュエイタを
振動させ、第1反射鏡は法線方向に振動制御される。そ
の結果、環状光路22の光路長は変化し、光路長変化に
よるレーザ発振の状態は第3反射鏡17のととるからそ
の一部がとり出され、光検出器で電気信号に変換され増
幅器を通じて復調器に入る。コントローラはその復調器
からの出力を入力され、レーザ発振のだめの最適光路長
に第1反射鏡を制御する。
このように最適光路長制御が行なわれだ後は第1、第2
反射鏡とはそれぞれの法線方向を逆の向きに連動して制
御され光路長は保持される。
一方図には示されていないが、リングレーザ部は外部装
置によりその中心軸のまわりで揺動され   ゝており
、揺動につれ角速度はロックイン領域を出たシ入っだシ
している。この時環状光路を周回する各進行波は加えら
れている角速度のロックイン領域からの出入シにつれウ
ィンキング現象を示すが、とのウィンキング現象の大き
さは特開昭53−18397にあるように、口、フィン
レートの大きさに対応づけられている。
このような関係にある進行波を第3反射鏡からその一部
が取出され、光検出器で電気信号に変換され、増幅器を
介して上記のようにロックイン領域の大小に応じた信号
として各復調器に入力され、それら復調信号は各コント
ローラに入力されている。各コントローラはその信号が
最小となるようにアクチーエイタを駆動して各反射鏡を
制御する。
例えば、第1反射鏡15と第2反射鏡16とをそれぞれ
の法線方向に互に逆の向きに連動させ、環状光路の光路
長を一定に保った状態で、即ちコントローラ3(1,3
]を介して逆位相で同期して各アクチーエイタ24.2
5を駆動する。とれによりVXl、第3反射鏡15.1
7の各代表散乱波の位相関係及び第2.第3反射鏡16
.17の各ン周波数ΩLの最小となる状態が得られる。
つづいてアクチーエイタ26が制御され第1反射鏡15
がその接線方向に少し駆動され、第1.第2反射鏡は上
記と同様にしてその法線方向に再び振動制御されその時
のロック4フ周波数の最小となる値が得られる。このよ
うなことが繰返され第1反射鏡15の接線方向の各位置
におけるロックインの最小値がチェックされ、こうして
得られた最小値を連らねた最小値曲線の示す最小値が0
7クイン周波数の真の最小値となる。従ってその時の制
御状態に各反射鏡を制御することにより光角速度計は良
好に調整される。
以上では第1反射鏡を接線方向に少しづつ移動制御して
いったが、法線方向制御を少しづつ移動制御して同様手
順で調整制御してもよい。また制御動作を階段的に止め
ることなく、ゆっくりと連続的に制御されるようにして
もよい。
「発明の効果」 この発明の方法を用いれば、困難な反射鏡の製作精度を
現状以上に高めて進行波の散乱量を低減させることなし
に、現状の製造技術の−1までロックイン周波数を著し
くさげることが可能とな9、従ってレーザ角速度計のラ
ンダムウオーク誤差の低減及びスケールファクタの直線
性等が改善され、また後方散乱波の位相関係の制御が行
われる事は同時に前方散乱波の位相関係の制御が行われ
ている事になり、バイアスの安定性が計られる等の効果
も期待出来、光角速度計の性能向上に顕著な効果がある
【図面の簡単な説明】
第1図は反射鏡の法線方向への移動量と環状光路との関
係を示した図、第2図は進行波と散乱波との関係をベク
トルで表わした図、第3図はロックイン周波数ΩLと反
射鏡の移動量h2との間の関係を各種条件について計算
によシ求めたグラフ、第4図はロックイン周波数ΩLと
h2との関係の実験結果を示す図、第5図は入射角30
°で入射する光の波面と位相との関係を示す図、第6図
はこの発明の方法に用いる光角速度計のリングレーザ部
の例を示す図、第7図は第6図に示したリングレーザの
ロックイン周波数を制御するための制御系の例を示すブ
ロック図である。 11・・結晶化ガラスブロック、]、 2.13 。 14・・・放電通路、15・・・第1反射鏡、16・・
第2反射鏡、17・・・第3反射鏡、18.19・・・
陽極、21・・・陰極、22・・・環状光路、23・・
・環状光路の中心軸、24,2.5・・・第1.第2反
射鏡を法線方向に駆動するビエゾアクチーエイタ、26
・・・第1反射鏡を接線方向に駆動するピエゾアクチー
エイタ、27,28.29・・・ピエゾアクチーエイタ
への17−ド線、30,31.32・・・ビニ/アクテ
ユエイタのコントローラ、33,34..35・・・発
振器、36・・・光検出器、37・・・増幅器、38.
39゜40・・・復調器。 特許出願人  日本航空電子工業株式会社代 理  人
  草  野       卓力4図  。 AI 沖5図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)第1、第2及び第3の反射鏡により環状光路を形
    成し、その環状光路を互に反射方向にほぼ単色光の2つ
    の光ビームを回転進行させ、これら2つの光ビームの周
    波数の差を検出して上記環状光路の軸心を中心とする回
    転角速度を決定する角速度計において、 上記第1、第2反射鏡の一方を上記環状光路の法線方向
    に移動させると共に、上記環状光路の長さを一定値に保
    持しながら他方を上記法線方向に逆向きに移動させる法
    線方向移動手段と、第1、第2反射鏡の一方を環状光路
    のつくる面内で、その環状光路の接線方向に移動させる
    接線方向移動手段とを用い、 その法線方向移動手段及び接線方向移動手段の一方によ
    る反射鏡の各移動点につき、他方の移動手段を制御して
    ロックイン周波数の最小値を求め、その各最小値中の最
    小値が得られた第1、第2反射鏡の位置にこれらを設定
    することを特徴とする光角速度計のロックイン周波数低
    減法
JP59119858A 1984-06-13 1984-06-13 光角速度計のロツクイン周波数低減法 Granted JPS611072A (ja)

Priority Applications (1)

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JP59119858A JPS611072A (ja) 1984-06-13 1984-06-13 光角速度計のロツクイン周波数低減法

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JPS611072A true JPS611072A (ja) 1986-01-07
JPH038592B2 JPH038592B2 (ja) 1991-02-06

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ID=14772013

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JP59119858A Granted JPS611072A (ja) 1984-06-13 1984-06-13 光角速度計のロツクイン周波数低減法

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