JPH0340805B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、光フアイバジャイロ、リングレーザ
ジャイロなどの光ジャイロのドリフト補正に係
り、特に長期的に高い精度を与えることができる
ように高精度でドリフト量の検出ができるように
した光フアイバジャイロに関する。

〔発明の背景〕

航空機、船舶、自動車、或いはロボツトなど各
種の移動体の慣性航法や姿勢制御用、または走行
位置表示用などには、回転角速度の検出を要し、
そのため従来は主として旋回コマを用いた、いわ
ゆる機械式のジャイロが用いられていた。

しかしながら、近年、このような機械式のジャ
イロ以外の種々の物理現象を利用したジャイロが
実用化されるようになり、そのうちの一つに光ジ
ャイロがある。

しかして、この光ジャイロにも光フアイバジャ
イロやリングレーザジャイロなど種々のものが知
られているが、このうちの光フアイバジャイロの
基本的な構成例を第１図によつて説明すると、こ
の第１図において、１は高源用の半導体レーザ、
２はアイソレータ、３はビームスプリツタ、４，
４′はレンズ、５は受光素子、６は検出器、７は
検出処理部を構成する光学モジュール、８は光フ
アイバコイル、９はドラムである。

レーザ１を供給源とするレーザ光はアイソレー
タ２を通つてからビームスプリツタ３に入射し、
ここで２つに分けられ、それぞれレンズ４，４′
を介して光フアイバ８の一方の端部８ａと他方の
端部８ｂからそれぞれ光フアイバコイル８内に入
射する。

光フアイバコイル８は例えば数10ｍから数1000
ｍ位の長さの光フアイバをドラム９に巻いてコイ
ル状にしたもので、その一方の端部８ａから入射
されたレーザ光は光フアイバコイル８の中を右廻
りに旋回しながら通過したあと他方の端部８ｂか
らコイル８を抜け出し、他方の端部８ｂから入射
されたレーザ光はコイル８の中を左廻りに旋回し
ながら通過したあと一方の端部８ａからコイル８
を抜け出す。そして、これらの端部８ａ，８ｂを
抜け出したレーザ光はそれぞれ別のレンズ４，
４′を通つて再びビームスプリツタ３に戻り、こ
こで合成されて受光素子５に入射する。

従つて、受光素子５に入射するレーザ光は、光
フアイバコイル８を右廻りに通過したものと、左
廻りに通過したものとによる干渉光となつてい
る。

そこで、いま、この光フアイバコイル８に矢印
Ａ又はＢで示すようなドラム９の中心軸を回転軸
とする方向の回転運動が角速度ωで与えられる
と、サグナツク効果により受光素子５に入射して
いるレーザ光の干渉状態が変化（レーザ光の明暗
の強度、又は干渉縞の移動）し、これが受光素子
５によつて電気信号に変換され、検出器６によつ
て回転角速度ωを表わす信号として検出されるこ
とになる。

従つて、この第１図に示す光フアイバジャイロ
によれば、ドラム９の中心軸と直角な平面を回転
角速度検出面として、この面内で中心軸回りに発
生する回転角速度ωの大きさとその回転方向とを
測定することができる。

ところで、一般に、光を応用した計測処理によ
れば、高い分解能が得られ、高精度が期待される
反面、光学系を構成するレンズなどのガラス材や
これらを保持する部材の僅かな変形や僅かな屈折
率の変化によつても測定動作に大きな影響が現わ
れ、測定値にドリフトを生じる。

一方、このような変形や屈折率の変化は温度変
化によつて生じ、従つて、従来の光ジャイロでは
温度変化によるドリフトが著しく、充分な精度が
得られないという問題点がある。

例えば、上記の第１図で説明した光フアイバジ
ャイロでは、その光学モジュール７の中には、光
源となる半導体レーザ１をはじめ、ビームスプリ
ツタ３やレンズ４，４′があり、これらは僅かな
温度変化に対しても屈折率の変化を生じ、さらに
は熱膨張の変化による変形のために、レーザ光に
対する光路に差を生じる。さらに、長尺の光フア
イバからなる光フアイバコイル８が光路に含まれ
ているため、温度変化に伴なう光フアイバコイル
８の光学的性質の変化が大きく現われ、特に温度
変化の影響が著しい。

なお、これを防止するためには、例えば光学系
をできるだけ小型化したり、固体化を図つたりす
ることが考えられるが、感度の低下や固体化技術
の面から限界がある。また、温度制御を行なうこ
とも考えられるが、このためには1/10〜1/100℃
の高精度の温度制御が必要になり、コスト面から
実用的でないという問題点がある。

特に、前述のような航空機、船舶、自動車など
の移動体における慣性航法や姿勢制御、或いは走
行位置表示などのための回転角速度の検出には、
長時間にわたつての安定性（低ドリフト性）が要
求されるが、従来の光ジャイロではそのままでこ
のような要求を満足するものが得られないという
欠点があつた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点を除
き、温度制御を施こさなくても充分に安定に高精
度が保てるようにした光ジャイロのドリフト補正
方法を提供するにある。

〔発明の概要〕

この目的を達成するため、本発明は、光ジャイ
ロに、その回転角速度検出面を180度反転させて
裏返しにする手段を設け、反転前と反転後の検出
出力の比較によりドリフトの大きさが任意に、し
かも正確に検出できるようにした光ジャイロにお
いて、随時、検出感度の較正が行なえるようにし
た点を特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明による光ジャイロのドリフト補正
方法について、図示の実施例により詳細に説明す
る。

ここで、本発明の実施例について説明する前
に、まず第２図ないし第４図によつて本発明の動
作原理について説明する。

第２図は第１図に示した光フアイバジャイロの
基本的な構成のものを実用的な光フアイバジャイ
ロ装置として単体に構成したもので、光学モジュ
ール７を光フアイバコイル８が設けてあるドラム
９に取付けて単体の装置としたものであり、第２
図イは通常の検出動作時での状態（以下、通常状
態という）を、そして同図ロはイの状態から180
度反転して裏返した状態（以下、反転状態とい
う）をそれぞれ示したものである。

次に、第３図イ，ロはそれぞれ第２図イ，ロの
状態におけるサグナツク効果の説明図で、光フア
イバジャイロに或る値の回転角速度Δωが与えら
れている場合での光フアイバコイル８内を通るレ
ーザ光の光路状態を示したもので、実線８a′は光
フアイバコイル８の端部８ａから入射したレーザ
光の光路を、そして破線８b′は同じく端部８ｂか
ら入射したレーザ光の光路をそれぞれ表わしてい
る。

一方、光フアイバコイル８には回転角速度Δω
が与えられているから、レーザ光が光フアイバコ
イル８の中を通過するのに必要な時間をt₀とすれ
ば、この時間t₀の間に光フアイバコイル８は
Δωt₀だけ回動し、この結果、回転角速度Δωの回
転方向（第３図では右回り）と同じ方向で光フア
イバコイル８の中を通過するレーザ光、つまり第
３図イでは実線８a′の光路を通るレーザ光、そし
て第３図ロでは破線８b′の光路を通るレーザ光の
方が、他方の光路、つまり第３図イでは破線８
b′の光路を通るレーザ光、第３図ロでは実線８
a′の光路を通るレーザ光よりも長い光路を通るこ
とになり、サグナツク効果を現わすことになる。
そして、第３図イの通常状態とロの反転状態とで
は、光路の長短関係が反転していることが判る。

そこで、光フアイバジャイロを、時間ｔイの間
は第３図イに示す通常状態に保ち、その後、光フ
アイバジャイロを反転裏返して時間ｔロの間は第
３図ロに示すような反転状態にし、さらにその
後、再び第３図イの通常状態に戻し、かつ、この
間にはΔωの一定の回転角速度が光フアイバジャ
イロに与えられていたとする。

そうすると、この間に光フアイバジャイロによ
つて検出される回転角速度検出信号Ｓは第４図に
示すようになる。なお、この第４図で、時間ｔロ
は光フアイバジャイロを第２図のイの状態からロ
の状態に反転して裏返えすときの時間と、第２図
のロの状態からイの状態に反転して通常状態に戻
すときの時間を表わしている。

そこで、これら第３図イ，ロと第４図から明ら
かなように、時間ｔイのときの検出信号Ｓは回転
角速度Δωによるものであり、これに対して時間
ｔロにおける検出信号Ｓも同じく回転角速度Δω
によるものではあるが、第３図のイとロの比較か
ら明らかなように、この時間ｔロでは回転角速度
Δωに対して光フアイバコイル８による光路の関
係が反転しており、このため、回転角速度Δωに
よる検出信号Ｓの方向も反転して現われ、従つて
この時間ｔロにおける検出信号Ｓの大きさは時間
ｔイにおける検出信号Ｓの大きさとは異なつたも
のとなり、その差は丁度、回転角速度Δωに対応
した検出信号Ｓの値ΔωSの２倍となつて現われ
ることが判る。そして、この結果、時間ｔイにお
ける検出信号Ｓのレベルと時間ｔロにおけるそれ
との差を求め、この差の1/2に相当するレベル
（直線０−０で表わす）を求めてやれば、この直
線０−０が回転角速度ω＝０を表わすレベル、つ
まり零点となり、この零点の変動がドリフトであ
るから、これによりドリフトを補正することがで
きることになる。

そこで、光ジャイロに、その回転角速度検出面
を180度反転させて裏返しにする手段を設け、光
ジャイロ使用中の任意の時点で、それに与えられ
ている回転角速度が変化していないときに、光ジ
ャイロに対する一連の反転操作を行なつてやれ
ば、いつでも零点を求めることができ、ドリフト
を補正できることが判る。

以上の本発明の動作原理にしたがつて動作させ
ることができる本発明の実施例を以下に説明す
る。

まず、第５図は、光ジャイロによつて検出しな
ければならない回転角速度の座標系の一例を示し
たもので、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸に対して光ジャイロ
を設け、三次元の回転角速度の検出を行なうよう
にした場合のものであり、Ｘ軸に対してω_xの回
転角速度を、Ｙ軸に対してω_yの回転角速度を、
そしてＺ軸に対してω_zの回転角速度をそれぞれ
検出し、移動体の慣性航法や姿勢制御に利用しよ
うとした場合のものである。

第６図は第５図で説明した三次元の検出が可能
でかつ三次元のいずれの軸方向の検出に対しても
本発明によるドリフト補正が行なえるようにした
一実施例で、この第６図において、１０は光ジャ
イロ本体で、中には第５図に示すＸ，Ｙ，Ｚの３
軸方向に対してそれぞれの回転角速度ω_x、ω_y、
ω_zの検出が行なえるように、３組の光ジャイロ
（光フアイバジャイロ、リングレーザジャイロな
どの光ジャイロ）が組込まれている。

１１はこのジャイロを装備すべき移動体のボデ
イに固定された部材を表わす。

１２_x，１２_y，１２_zは部材１１に対して図の
矢印方向に進退可能に取付けられた駆動側クラン
プである。

１３_x，１３_y，１３_zはそれぞれの駆動側クラ
ンプ１２_x〜１２_zに挿入されて固定されるように
なつている駆動側軸である。

１４_x，１４_y，１４_zは反転用のモータで、駆
動側軸１３_x〜１３_zのそれぞれとジャイロ本体１
０に固定して取付けられているそれぞれの軸１５
_ｘ，１５_y，１５_zとの間で回転力を発生する働き
をする。

１６_x，１６_y，１６_zはジャイロ本体１０に固
定して取付けられている軸である。

１７_x，１７_y，１７_zは部材１１に対して図の
矢印方向に進退可能に取付けられたクランプであ
る。

次に、この実施例の動作について説明する。

いま、例えばＸ軸又はＹ軸の回転角速度ω_x又
はω_yの検出動作における光ジャイロのドリフト
補正が必要になつたとする。

そうすると、このときには、Ｘ軸とＹ軸のそれ
ぞれの駆動側クランプ１２_x，１２_yとクランプ１
７_x，１７_yを部材１１の方に向つて縮長させ、そ
れぞれを対応する駆動軸１３_x，１３_y及び軸１６
_ｘ，１６_yから外す。

ついでＺ軸のモータ１４_zを動作制御し、駆動
側クランプ１２_zによつて固定されている駆動側
軸１３_zに対して軸１５_zを回転させ、光ジャイロ
本体１０をＸ軸とＹ軸を含む平面内で180度回転
させたあと、駆動側軸１３_xと１３_yがそれぞれ対
応するクランプ１７_xと１７_yに、そして軸１６_x
と１６_yがそれぞれ対応する駆動側クランプ１２_x
と１２_yにそれぞれ対向する位置をとるようにし、
さらにそのあとクランプ１２_xを軸１６_xに、クラ
ンプ１７_xを軸１３_xに、クランプ１２_yを軸１６_y
に、そしてクランプ１７_yを軸１３_yにそれぞれ嵌
合して光ジャイロ本体１０を固定状態に戻す。

そうすると、この状態では、第６図に示した状
態から、第５図のＸ軸方向とＹ軸方向を180度反
転させたことになり、回転角速度ω_x、ω_yに対す
る光ジャイロの検出面を裏返したことになる。

そこで、この状態で回転角速度ω_x、又はω_y、
或いはこれらの双方を検出し、反転前の検出信号
と比較してやれば、第４図で説明したように、Ｘ
軸まわりの回転角速度ω_xとＹ軸まわりの回転角
速度ω_yの検出動作に対する光ジャイロの零点を
知ることができ、ドリフトの補正を行なうことが
できる。

次に、Ｚ軸まわりの回転角速度ω_zに対するド
リフト補正の必要が生じたときには、Ｚ軸とＹ軸
（又はＸ軸）のクランプ１２_z，１２_y，１７_z，１
７_yを縮長させ、モータ１４_x（又はモータ１４_y）
によつて光ジャイロ本体１０をＺ軸とＹ軸（又は
Ｘ軸）を含む平面内で180度反転させてから回転
角速度ω_zを検出してやればよい。

以上の動作をＸ，Ｙ，Ｚの各軸まわりの回転角
速度検出信号について示したのが第７図で、図中
の区間ＩはＺ軸によつて、つまりモータ１４_zに
よつて反転を行なつた場合のものであり、この区
間ＩでＸ，Ｙの両軸における零点Δω_xＳ，Δω_yＳ
を求めてドリフトの補正が行なえ、区間はＸ軸
によつて、つまりモータ１４_xによつて反転した
場合のもので、この区間ではＺ，Ｙの両軸での
零点Δω_zＳとΔω_yＳを求め、ドリフト補正を行な
うことができる。

そして、この第７図におけるω_zＳ及びω_xＳは、
反転処理中にモータ１４_z又は１４_xによつて与え
られている回転角速度ωによつて発生されてくる
検出信号の大きさであり、従つて、この回転角速
度ωに対する検出信号の大きさω_zＳ又はω_xＳに
より、光ジャイロの検出感度の較正を行なうこと
ができる。すなわち、このときに与えられる回転
角速度ωは、モータ１４_x，１４_y，１４_zの何れ
かによつて与えられるものであるから、これらモ
ータの制御により、予め設定した既知の回転角速
度値とすることができ、従つて、この既知の回転
角速度ωのもとでの検出信号の大きさω_zＳ又は
ω_xＳなどは、夫々に対応する回転角速度検出面
での検出感度を表すことになり、結局、検出感度
の較正を行なうことができるのである。なお、Ｙ
軸における光ジャイロの検出感度の較正のために
は、モータ１４_yによる反転を行なえばよい。

従つて、この実施例によれば、光ジャイロのド
リフト補正と検出感度の較正とを、光ジャイロの
使用中に任意に行なうことができるから、誤差の
累積をなくすことができ、常に正確な回転角速度
の検出を行なうことができる。

なお、以上の実施例では主として光フアイバジ
ャイロを中心にして説明したが、光ジャイロとし
ては種々の方式のものが知られており、従つて、
本発明も光フアイバジャイロをはじめとしてリン
グレーザ方式の光ジャイロ、すなわちメカニカ
ル・デイサ型、磁気光学バイアス型、光フアイバ
共振型など種種の光ジャイロに容易に適用できる
ことはいうまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、光ジャ
イロのドリフトを、光ジヤイロの使用中に任意に
補正することができるから、従来技術の欠点を除
き、温度変化やその他の環境変化に伴なつてドリ
フトを生じても、適宜その補正と、検出感度の較
正が可能で、長時間にわたる誤差の累積をなく
し、常に正確な回転角速度の検出が行なえる高精
度の光ジャイロを容易に提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は光フアイバジヤイロの基本的な構成の
一例を示す説明図、第２図イ，ロ及び第３図イ，
ロは本発明の動作原理を理解するための説明図、
第４図は動作説明用の特性図、第５図は本発明の
一実施例における回転角速度の検出座標の説明
図、第６図は本発明による光ジャイロの補正方法
の一実施例を示す斜視図、第７図はその動作説明
用の特性図である。 １０……光ジャイロ本体、１２_x，１２_y，１２
_ｚ……駆動側クランプ、１３_x，１３_y，１３_z……
駆動側軸、１４_x，１４_y，１４_z……モータ、１
５_x，１５_y，１５_z，１６_x，１６_y，１６_z……軸、
１７_x，１７_y，１７_z……クランプ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 複数の互いに直交する回転角速度検出面を有
   し、これら複数の回転角速度検出面をそれぞれ
   180度反転して裏返しにする手段を備え、この裏
   返し処理の前後における検出量の比較により零点
   検出を行なうようにした光ジャイロのドリフト補
   正方法において、上記複数の回転角速度検出面の
   中の１の回転角速度検出面に対して上記裏返し処
   理を実行したことにより所定の回転角速度が与え
   られることになる他の１の回転角速度検出面によ
   る回転角速度信号を検出し、この信号を上記所定
   の回転角速度と比較することにより検出感度の較
   正を行なうように構成したことを特徴とする光ジ
   ャイロのドリフト補正方法。