JPS6212811A - 光干渉角速度計 - 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】 「産業上の利用分野」 この発明は移動体等に発生する角速度を検出する光干渉
角速度計に関する。

「従来技術」 第４図に示すようにレーザなどの光源１１からの光１２
が光分配結合器１３により右回り光１４と左回り光１５
とに分配され、これらの光１４゜１５は少くとも一周す
る光学路１６の両端に入射　　：され、光学路１６をそ
れぞれ右回り、左回りに通って光学路１６より出射光１
７．１８として出射され、これら出射光１７．１８は、
分配結合器１３により結合されて互に干渉し、干渉光１
９として受光器２１に受光され゛る。

光学路１６は例えば光ファイバを複数回ループ状に巻い
たもので構成される。光学路１６にその周方向の角速度
が印加されない状態においては出射光１７および１８の
位相差ははソゼロであるが、光学路１６の軸心回りに角
速度Ωが印加されるとこの角速度によっていわゆるサブ
ナック効果が生じ、光学路１６を伝搬した出射光１７．
１８の間に位相差Δダが生じる。この位相差△〆は、で
表わされる。ここでＲはループ状に構成された光学路１
６の半径、Ｌはループ状に構成された光学路１６の長さ
、λは光源１１の光の波長、Ｃは光の速度を示す。さら
に干渉光１９の光強度Ｉｏは、１０　ｏｅ　１−４−閘
Δグ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・（２）となる。従って干渉光１９
の強度Ｉｏを測定することによって角速度ｇを検出する
ことができる。

しかしこの場合、入力角速度が小さな場合においては位
相差Δ〆が小さく、鍋Δダの変化が僅かであり、感度が
極端に低くなる。

とのよ５な点から従来より入力感度を最適化するため第
５図に示すように光学路１６の一端と光分配結合器１３
との間に例えば電歪振動子に光ファイバを巻回して構成
した位相変調器２２を直列に挿入し、変調信号源２３か
らの駆動信号により互に逆方向に伝搬する光１４，１５
を位相変調する方法がとられている。この場合干渉光の
強度工〇は、 Ｉｏ−Ｃ（ｌ　−）−ｃｏｓΔｌ　（ＪＯ（Ｘ）　＋　
２　Ｊ２（Ｘ）　ｃｏｓ２６）Ｊ’＋、、。

＋２Ｊ２ｍ（ｘ）ｃｏｓ２ｍω’ｔ　＋−）　＋　５ｉ
ｒｒΔｌ　（２Ｊｔ（ｘ）ｓｉｎωｔ’＋　２Ｊａ　（
ｘ）　ｓｉｎ　３ａ＞ｔ　’＋−＋　２Ｊ２ｍ−１（ｘ
）　ｓｉｎ（２ｍ−１）ωｔ′＋・・・））・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・（３）となる。

ここでＣ：定数 Ｊｎ：ｎ次のベッセル関数’（ｎ−０，１，２，３・）
ｘ　　：　　２Ａｓｉｎ１Ｃｆｏｆ Ａ：変調指数 τ：光学路１６を通る光の伝搬時間 ｆｏ：位相変調器２２の駆動周波数 ｔ　、　ｔ　　、／２ （３）式から明らかなように干渉光１９の強度ｉｏには
、ｃｏｓ△戸　に比例する項と、Ｓ−△グに比例する項
とが含まれている。

先行技術として、特願昭５９−７０４５２号に述べられ
ているよ５に△グが±ｍπ（ｍ−Ｑ、１．２・・・）−
に対し約±１の範囲で高感度化するため、受光器２１の
出力を同期検波器２４において駆動信号源２３の周波数
２ｆｏをに分周器２５で分周した変調信号ｆ。

により同期検波してｓｉｎΔグに比例する成分の内、位
相変調器２２の駆動周波数ｆｏと同一成分ｖ１を取り出
し、更にΔグが±（２ｍ＋１）・８（ｍ−０，１，２・
・・）に対し約±π凶の範囲で高感度化するため、受光
器２１の出力を同期検波器２６において駆動信号源２３
０周波数２　ｆｏ　Ｉｃより同期検波してｃｏｓΔグに
比例する成分の内、位相変調器２２の駆動周波数ｆｏの
２倍の成分ｖ２を取り出している。

ここで、 Ｖｉ　−ＫＩＪ　１　（Ｘ）　ｓｉｎ△２・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・（４）ｖ２雪に２Ｊ２
（Ｘ）ＣＯ５Δダ曲曲・・・・・・・曲・・（５）Ｋｌ
、　Ｋ２　：定数 となる。

±ｍπ（ｍ−Ｑ、１．２・・・）に対し±π凶の範囲で
は同期検波出力ｖ１をジャイロ出力として取り出すと共
に、±（２ｍ　＋　１　）　７　（ｍ−０，１，２，３
・）に対し士ｘ／４の範囲では同期検波出力ｖ２をジャ
イロ出力として取り出し、ｖｌとｖ２の切換回数ｍを計
数することにより角速度情報Ω１．Ω２を Ｃλ　　ｍπ Ωｔ　−５７，（−ＨｊＫｔＶｔ　） 、Ω２−ａ　、Ｂ　（２＋に２■２　）により求めるご
とができる。この先行技術によれば広い範囲にわたって
高感度にしかも点源性よく角速度を測定することが゛で
きる。

「発明が解決しようとする問題点」 （４）、　（５）式から解かれるように入力感度はｘ　
（＝　２　Ａｓ１ｎπｆｏｔ　）の値に左右される。Ｘ
の値は変調指数Ａ２位相変調器２２の駆動周波数ｆａお
よび光学路１６を通る光の伝搬時間てによって決まる。

駆動周波数ｆｏおよび伝搬時間τは温度による影響が比
較的小さいが、変調指数Ａは温度による影響を受けやす
い。

つまり位相変調器２２は、例えば電歪振動子に光学路１
６を構成する光ファイバを巻きつけ、その電歪振動子に
周波数ｆｏの駆動電圧を印加ｌ−て振動させ、光学路１
６を伸縮させ、そこを通る右回り光と左回り光とを位相
変調させるようにしたものである。

駆動周波数ｆｏはその電歪振動子を効率よく伸縮させる
ため電歪振動子の共振点に合わせるのが一般的である。

この共振周波数は、温度によって変化するため変調指数
人は、電歪振動子の機械的Ｑ（共振周波数における機械
的振動の″するどさ”をさす）の高い程温度の影響を受
ける。その結果Ｘ値が変化し、入力感度が変動する不都
合が生じる。

「問題点を解決するための手段」 この発明においては干渉光に含まれる係数の中の奇数次
のベッセル関数Ｊ２ｎ＋１（ｘ）の相互または偶数次の
ベッセル関数Ｊ２ｎ（ｘ）の相互が実質的に等しくなる
ように位相変調器の駆動状態を制御する自動制御ループ
を設けたものでちる。

従ってこの発明によれば自動制御ループにより干渉光に
含まれる係数の中の奇数次のベッセル関数Ｊ２ｎ＋１（
ｘ）の相互または偶数次のベッセル関数Ｊｚｎ（ｘ）の
相互が等しくなるように位相変調器の駆動状態を制御す
るものであるから全作動温度範囲にわたって入力感度を
一定に保ち、ジャイロの入出力特性であるスケールファ
クタを安定に保つことができる光干渉角速度計を提供す
ることができる。

「実施例」 第１図は、この発明の実施例を示し、第５図と対応する
部分に同一符号を付けである。

受光器２１の出力は、同期検波回路２４，２６゜２７に
よってそれぞれ信号Ｖ１．　Ｖ２．　Ｖａを出力する。

信号Ｖ１はこの例では変調周波数ｆＯで同期検波された
もので（４）式で表わされｓｉｎΔダに比例するジャイ
ロ出力として端子３３に出力されると共に差動増幅器３
１の十人力に供給される。

信号ｖ２は、変調周波数ｆｏの２倍の周波数で同期検波
されたもので（５）式で表わされｃｏｓΔグに比例する
ジャイロ出力として端子３４に出力される。

信号ｖ３は１．変調周波数ｆｏの３倍の周波数で同期検
波されたもので ■３■に３・Ｊａ（Ｘ）うｉΔ〆・・・・・・・・・・
・・・−・（６）Ｋ３：定数 で表わされ差動増幅器３１の一人力に供給される。

自動１圧調整器３０は、差動増幅器３１の正の信号によ
って位相変調器２２に印加する駆動周波数ｆ＋の信号の
電圧を増加させ、差動増幅器３１の負の信号によって位
相変調器２２に印加する駆動周波数ｆｏの信号の電圧を
小さくするよう構成し、自動制御ループを構成している
。

ここで装置は、差動増幅器３１の出力がゼロ即ちＶｌ−
Ｖ３のとき（但しＫｌ、に３　　はあらかじめ等しくな
るよ５調整されているものとする）第１種ベッセル関数
のＪｌ（ｘ）、　Ｊａ（ｘ）が同じ値即ちＸの値が約３
．０５４第２図のＡ点になるよう自動電圧調整器３０に
よって位相変調器２２に印加される電圧が　　：調整さ
れ【いる。

「発明の作用効果」 今例えば何らかの原因、例えば変調指数人が増　　□加
し、その結果としてＸの値が増加したとすると第２図に
Ａ点に示すようにＪｌ（ｘ）は減少しＪａ（ｘ）は増加
する。その結果、差動増幅器３１は、負の信号を自動電
圧調整器３０に供給し、位相変調器２２への印加電圧を
減少させ光位相変調の変調指数人の値を減少させる。

一方変調指数人が減少しその結果としてＸの値が減少し
たとすると第２図から一次ペツセル関数Ｊ１（ｘ）は増
加し第３次ベッセル関数Ｊａ　（ｘ）は減少する。その
結果差動増幅器３１は、正の信号を自動電圧調整器３０
に供給し位相変調器２２への駆動信号の印加電圧を増加
させ光位相変調の変調指数人の値を増加させる。

このようにして、この発明によれば変調積数人の値を変
えるような外部作用（例えば、温度、振動衝撃など）が
働いてもＸの値を常に一定に保つことができ、ジャイロ
出力としてのＶｌおよびｖ２の感度を一定に保つことが
できる。

「変形実施例」 上述では一次ペツセル関数Ｊｚ（ｘ）と三次ベッセル関
数Ｊ３（Ｘ）が等しくなるよ５に動作させた場合を説明
したが、他の例として二次ベッセル関数Ｊｇ　（ｘ）と
四次ベッセル関数Ｊ４（Ｘ）が等しくなるように制御す
ることもできる。この場合には第２図に示すＢ点を利用
する。この場合位相変調器２２の駆動周波数ｆｅｉ’（
対し、２倍の周波数２ｆｏと４倍の周波数４　ｆｏで同
期検波し、その同期検波出力ｖ２とｖ４を差動増幅器３
１に与え、その差動出力を自動電圧調整器３０に与え、
自動電圧調整器３０ＩＣよって位相変調器２２に与える
駆動信号の電圧を制御するように構成すればよい。

この場合ｉΔダに比例するジャイロ出力は同期検波出力
ｖ３をＣＯ１Δメに比例するジャイロ出力としては同期
検波出力ｖ２またはｖ４を使用すればよい。

また上述では位相変調器２２に印加する駆動信号の電圧
を制御するように構成した場合を説明したが、位相変調
器２２に与える駆動信号の周波数を制御するよ５に構成
し【も同様の作用効果が得られる。

また上述の実施例では位相変調器２２の駆動周波ａｆＯ
とその２倍の周波数２　ｔｏまたは２ｆｏと４　ｆ。

の周波数で干渉光の受光信号を同期検波する構成につい
て説明したが、他方例として同期検波器２４と２６およ
び２７のそれぞれの前段に゛ミキサを設け、とのミキサ
により局部発振器から与えられる局部発振信号ｆ、と和
または差の周波数（ｆｏ＋ｆｂ）または（ｆｏ−ｆｂ）
を得るようにし、その和または差の周波数の何れか一方
をフィルタによって取り出し、その取り出した信号の周
波数の奇数と偶数次の周波数の信号により同期検波する
ようにし、同期検波出力Ｖ１．　Ｖ２．　ＶａまたはＶ
２．　Ｖｓ、　Ｖ４を得るよ５に構成することもできる
。

更に他の例として同期検波出力ｖ１とｖｌの値から一次
ペッセル関数Ｊｌ（Ｘ）と二次ベッセル関数Ｊ　ｓ　（
ｘ）−の値を求め、これらベッセル関数、ｈ　（ｘ）と
Ｊａ（ｘ）により初期値からのずれを数学的に求めジャ
イロ出力を補正することも考えられる。

このためＫは例えば Ｖｌ−ＫＩＪｔ（ｘ）ｓｉｎΔ〆 Ｖａ−ＫａＪａ（ｘ）ｓｉｔΔグ ｖｌとｖｌの比は に１−　Ｋａであるから ＶＩＪｔ（ｘ） Ｖ３　　Ｊａ（ｘ） となる。

ｖ１／ｖ３　　とＸの関係は第３図に示すよ５に規定す
ることができる。この結果第３図に示すＶｌ／’Ｖａと
Ｘの関係をあらかじめＲＯＭ等に記憶させておき、ｖｌ
／ｖ３の値からＸの値を読み出し、このＸの値により初
期値からのジャイロ出力の値のズレな補正することがで
きる。

またＪｌ（ｘ）／ｒｓ（ｘ）とＸの関係式により演算に
よりＸの値を求めるように構成することもできる。

また上述では同期検波器２４と２６の同期検波出力を単
にジャイロ出力として取り出して利用するだけの構成だ
けを例示して説明したが、この発明は特願昭５９−７０
４５２号により提案した構造の光干渉角速度計にも適用
できることは容易に理解できよう。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を説明するためのブセツク
図、第２図はこの発明の詳細な説明するためのグラフ、
第３図はこの発明による光干渉角速度計の他の実施例の
動作を説明するためのグラフ、第４図は従来の光干渉角
速度計を説明するためのプ覧ツク図、第５図は先に提案
した光干渉角速度計を説明するためのブロック図である
。 １１：光源、１３：光分配結合器、１６：光学器、２１
：受光器、２２：位相変調器、２４゜２６．２７：同期
検波回路、２３，３２：駆動信号源、２５．２９１４分
周器、２８：に分周器、３０：自動電圧調整器、３１：
差動増幅器、３３．３４：端子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ａ、少なくとも一周する光学路と、 Ｂ、その光学路に対し右回り光および左回り光を通す手
   段と、 Ｃ、その光学路を伝搬してきた右回り光と左回り光を干
   渉させる干渉手段と、 Ｄ、その干渉手段と上記光学路の一端との間にこれらに
   縦続的に配されて右回り光と左 回り光に位相変化を与える位相変調器と、 Ｅ、上記干渉光の光強度を電気信号として検出する光電
   変換回路と、 Ｆ、この光電変換回路によつて電気信号に変換された信
   号を上記位相変調器における光 変調周波数に関連した周波数で同期検波す る第１同期検波手段と、 Ｇ、上記光電変換回路によつて電気信号に変換された信
   号を上記第１同期検波器におけ る同期検波周波数の奇数倍または偶数倍の 周波数で同期検波する第２同期検波手段と、Ｈ、上記干
   渉光に含まれる係数である第１種ベッセル関数の奇数次
   のベッセル関数相互 または偶数次のベッセル関数相互が実質的 に等しくなるよう上記第１および第２同期 検波手段からの出力で上記位相変調器の駆 動状態を制御する手段と、 とを具備した光干渉角速度計。