JPH0352003B2 - - Google Patents

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は少な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
通つて光学路１６より出射光１７，１８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１９と
して受光器２１に受光される。

光学路１６は例えば光フア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の位相差はほゞゼロである
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つていわゆるサブナツク効果
が生じ、光学路１６を伝搬した出射光１７，１８
間に位相差△φが生じる。この位相差△φは、 △φ＝4πRL／cλ・Ω ……(1) で表わされる。ここでＲはループ状に構成された
光学路１６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、 Io∝１＋cos△φ ……(2) となる。従つて干渉光１９の強度Ioを測定するこ
とによつて角速度Ω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△φが小さく、cos△φの変化が僅
かであり、感度が極端に低くなる。

このよう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
ア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Io
は、 Io＝Ｃ｛１＋cos△φ（J₀（ｘ）＋2J₂（ｘ）cos2ωt′
＋…＋2J₂m（ｘ）cos2mωt′＋…） ＋sin△φ（2J₁（ｘ）sinωt′＋2J₃（ｘ）sin3ωt′＋
…＋2J₂m−１（ｘ）sin（2m−１）ωt′＋…）｝……(3
) となる。

ここで Ｃ：定数 Jn：ｎ次のベツセル関数（ｎ＝０、１、２、３
…） ｘ：2Asinπfoτ Ａ：変調指数 τ：光学路１６を通る光の伝搬時間 f₀：位相変調器２２の駆動周波数 t′：ｔ−τ／２ (3)式から明らかなように干渉光１９の強度Ioに
は、cos△φに比例する項と、sin△φ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
れているように△φが±mπ（ｍ＝０、１、２…）
に対し約±π／４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2f₀を1/2分周器２５で分周した
変調信号f₀により同期検波してsin△φに比例す
る成分の内、位相変調器２２の駆動周波数f₀と同
一成分V₁を取り出し、更に△φが±（2m＋１）・
π／２（ｍ＝０、１、２…）に対し約±π／４の
範囲で高感度化するなめ、受光器２１の出力を同
期検波器２６において駆動信号源２３の周波数
2f₀により同期検波してcos△φに比例する成分の
内、位相変調器２２の駆動周波数f₀の２倍の成分
V₂を取り出している。

ここで、 V₁＝K₁J₁（ｘ）sin△φ ……(4) V₂＝K₂J₂（ｘ）cos△φ ……(5) K₁、K₂：定数 となる。

±mπ（ｍ＝０、１、２…）に対し±π／４の範
囲では同期検波出力V₁をジヤイロ出力として取
り出すと共に、±（2m＋１）π／２（ｍ＝０、１、 ２、３…）に対し±π／４の範囲では同期検波出
力V₂をジヤイロ出力として取り出し、V₁とV₂の
切換回路数ｍを計数することにより角速度情報
Ω₁、Ω₂を Ω₁＝cλ／4πR（mπ／２＋K₁V₁） Ω₂＝cλ／4πR（mπ／２＋K₂V₂） により求めることができる。この先行技術によれ
ば広い範囲にわたつて高感度にしかも直源性よく
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（＝
2Asinf₀〓）の値に左右される。ｘの値は変調指数
Ａ、位相変調器２２の駆動周波数f₀および光学路
１６を通る光の伝搬時間τによつて決まる。駆動
周波数f₀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１６を構成する光フアイバを巻きつけ、そ
の電歪振動子に周波数f₀の駆動電圧を印加して振
動させ、光学路１６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f₀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、温度によつて変
化するため変調指数Ａ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光電変換回路の出力から、
位相変調器における光位相変調周波数f₀に対し、
nf₀（ｎは正整数）の周波数成分を第１同期検波手
段で取出し、光電変換回路の出力から（ｎ＋２）
f₀の周波数成分を第２同期検波手段により取出
し、これら第１、第２同期検波手段の出力によ
り、これらが互いに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
設けたものである。

従つ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隣接する奇数次のベ
ツセル関数値の相互または隣接する偶数次のベツ
セル関数値相互が等しくなるように位相変調器の
駆動状態が制御されるから全作動温度範囲にわた
つて入力感度を一定に保ち、ジヤイロの入出力特
性であるスケールフア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てある。

受光器２１の出力は、同期検波回路２４，２
６，２７によつてそれぞれ信号V₁、V₂、V₃を出
力する。信号V₁はこの例では変調周波数f₀で同期
検波されたもので(4)式で表わされsin△φに比例
するジヤイロ出力として端子３３に出力されると
共に差動増幅器３１の＋入力に供給される。

信号V₂は、変調周波数f₀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cos△φに比例
するジヤイロ出力として端子３４に出力される。

信号V₃は、変調周波数f₀の３倍の周波数で同期
検波されたもので V₃＝K₃・J₃（ｘ）・sin△φ ……(6) K₃：定数 で表わされ差動増幅器３１の一入力に供給され
る。

自動電圧調整器３０は、差動増幅器３１の正の
信号によつて位相変調器２２に印加する駆動周波
数f₀の信号の電圧を増加させ、差動増幅器３１の
負の信号によつて位相変調器２２に印加する駆動
周波数f₀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V₁＝V₃のとき（但しK₁、K₃はあらかじめ等し
くなるよう調整されているものとする）第１種ベ
ツセル関数のJ₁（ｘ）、J₃（ｘ）が同じ値即ちｘの
値が約3054第２図のＡ点になるよう自動電圧調整
器３０によつて位相変調器２２に印加される電圧
が調整されている。

「発明の作用効果」 今例えば何らかの原因、例えば変調指数Ａ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J₁（ｘ）は減少しJ₃
（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Ａの値を減少させる。

一方変調指数Ａ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図から一次ベツセル関数
J₁（ｘ）は増加し第３次ベツセル関数J₃（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Ａ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指数Ａ
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、ジヤイロ出力としてのV₁およびV₂
の感度を一定に保つことができる。

「変形実施例」 上述では一次ベツセル関数J₁（ｘ）と三次ベツ
セル関数J₃（ｘ）が等しくなるように動作させた
場合を説明したが、他の例として二次ベツセル関
数J₂（ｘ）と四次ベツセル関数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f₀に対し、２倍の周波数2f₀と
４倍の周波数4f₀で同期検波し、その同期検波出
力V₂とV₄を差動増幅器３１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
３０によつて位相変調器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sin△φに比例するジヤイロ出力は同
期検波出力V₃をcos△φに比例するジヤイロ出力
としては同期検波出力V₂またはV₄を使用すれば
よい。更にベツセル関数の一般的性質から隣接す
る奇数次のベツセル関数値が、又は隣接する偶数
次のベツセル関数値がそれぞれ等しくなるように
制御してもよいことは目的である。

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
を制御するように構成して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
波数f₀とその２倍の周波数2f₀または4f₀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、こ
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_Lと和または差の周波数（f₀＋f_L）または
（f₀−f_L）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イルタによつて取り出し、
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、V₃またはV₂、V₃、V₄を得るよ
う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V₃の値か
ら一次ベツセル関数J₁（ｘ）と二次ベツセル関数
J₃（ｘ）の値を求め、これらベツセル関数J₁（ｘ）
とJ₃（ｘ）により初期値からのずれを数学的に求
めるジヤイロ出力を補正することも考えられる。

このためには例えば V₁＝K₁J₁（ｘ）sin△φ V₃＝K₃J₃（ｘ）sin△φ V₁とV₃の比は V₁／V₃＝K₁J₁（ｘ）／K₃J₃（ｘ） K₁＝K₃であるから V₁／V₃＝J₁（ｘ）／J₃（ｘ） となる。

V₁／V₃とｘの関係は第３図に示すように規定
することができる。この結果第３図に示すV₁／
V₃とｘの関係をあらかじめROM等に記憶させて
おき、V₁／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ヤイロ出力の値のズ
レを補正することができる。

またJ₁（ｘ）／J₃（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
出力を単にジヤ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59−70452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
ブロツク図、第２図はこの発明の動作を説明する
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
めのブロツク図、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ツク図である。 １１：光源、１３：光分配結合器、１６：光学
器、２１：受光器、２２：位相変調器、２４，２
６，２７：同期検波回路、２３，３２：駆動信号
源、２５，２９：1/2分周器、２８：1/3分周器、
３０：自動電圧調整器、３１：差動増幅器、３
３，３４：端子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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
   れた信号から、上記位相変調器における光変調
   周波数f₀に対しnf₀（ｎは正の整数）の周波数成
   分を同期検波により取出す第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
   れた信号から、（ｎ＋２）f₀の周波数成分を同
   期検波により取出す第２同期検波手段と、 Ｈ 上記第１および第２同期検波手段からの出力
   がほゞ等しくなるように、その出力で上記位相
   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。