JPH0361889B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は例えばループ状に構成された光フア
イバの光学路の両端から右回り光及び左回り光を
入射して互に逆方向に通つた光を互に干渉させ、
その干渉光の強度からその光学路の周方向に与え
られた角速度を検出する光干渉角速度計に関す
る。

＜従来技術＞ 従来のこの種の光干渉角速度計は第１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１
６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
て互に干渉され、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
数回ループ状に巻回し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及び１８の位相差はほゞゼ
ロであるが、光学路１６の周方向に沿う角速度、
つまり光学路１６の軸心回りの角速度Ωが印加さ
れるとこの角速度によつていわゆるサグナツク効
果が生じ、光学路１６を伝搬した出射光１７，１
８の間に位相差Δφが生じる。この位相差Δφは Δφ＝4πRL／λCΩ ……(1) で表わされる。こゝで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。従つて干渉光１９の光強度I_Oは Io ∝１−cosΔφ ……(2) となる。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。入力角速
度Ωが小さな場合においては位相差Δφが小さく、
cosΔφ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において入力感度を最適
化するため第２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両光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１９
の強度Ioは Io＝Ｃ｛１＋cosΔφ（Jo（ｘ）＋2J₂（ｘ）
cos2ωt′＋…＋2J₂m（ｘ）cos2mωt′＋…） ＋sinΔφ（2J₁（ｘ）sinωt′＋2J₃（
ｘ）sin3ωt′＋… ＋2J₂m−₁（ｘ）sin（2m−₁）ωt′＋…
）｝……(3) となる。

こゝで Ｃ：定数 Jn：ｎ次のベツセル関数（ｎ＝０、１、２、３
…） ｘ：2A sinπfoτ 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−τ／２ 式(3)から明らかなように干渉光１９の強度Ioに
はcosΔφに比例する項と、sinΔφに比例する項と
が含まれている。従来においては低入力角速度域
の感度を高めるため、受光器２１の出力を同期検
波器２４において駆動信号源２３の変調信号によ
り同期検波してsinΔφに比例する成分の内、位相
変調器２２の駆動周波数foと同一成分のみを取り
出していた。このため入力角速度Ωが大きくなつ
て右回り光１４と左回り光１５との位相差Δφが
π／２近くになると極端に感度が悪くなり、ダイ
ナミツクレンジが制限されていた。

＜発明の目的＞ この発明の目的はダイナミツクレンジが広く、
高い精度で全範囲にわたつて直線性よく測定する
ことができ、かつ全作動温度範囲にわたつて入力
感度を一定に保つことができる光干渉角速度計を
提供することにある。

＜発明の概要＞ この発明によれば光学路と光分配結合器との間
に位相変調器を挿入し、右回り光と左回り光との
干渉光を受光器で受光し、その受光器の出力を位
相変調器の駆動周波数で第１同期検波器において
同期検波し、また前記受光器の出力を前記駆動周
波数の２倍の周波数で第２同期検波器において同
期検波する。右回り光と左回り光との位相差が±
mπ（ｍ＝０、１、２…）に対し約±π／４の範囲
にあることを検出し、その検出出力により前記第
１同期検波器の出力をジヤイロ出力端子へ送出
し、右回り光と左回り光との位相差が±（2m＋
１）π／２（ｍ＝０、１、２…）に対し約±π／４ の範囲であることを検出してその出力で前記第２
同期検波器の出力を前記ジヤイロ出力端子へ送出
する。

更に必要に応じて前記第１同期検波器、第２同
期検波器の各出力を２乗して加算し、その加算出
力によりその出力が一定になるように位相変調器
の駆動電圧又は受光器の出力を帰還制御する。

＜実施例＞ 第３図はこの発明の実施例を示し、第２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、通過周波数帯を位相変調器２２の駆動
周波数fo及び2foとした帯域通過波器２５及び
２６をそれぞれ通じて同期検波器２４及び２７へ
供給される。駆動周波数foの２倍の周波数の信号
源２８の出力が変調信号源２３としての２分の１
分周器へ供給され、その出力は電圧調整器３１，
３２へ供給される。電圧調整器３１，３２の出力
はスイツチ３３で一方が選択され、位相変調器３
２へ駆動信号として供給される。また分周器２３
の出力はスイツチ３４に直接供給すると共に、イ
ンバータ３５を通じて供給し、スイツチ３４は分
周器２３、インバータ３５の一方の出力を参照信
号として周期検波器２４へ供給する。信号源２８
の出力は移相器３６を通じてスイツチ３７へ直接
供給されると共にインバータ３８を通じて供給さ
れる。スイツチ３７は移相器３６、インバータ３
８の一方の出力を同期検波器２７に参照信号とし
て供給される。

同期検波器２４の出力は端子３９へ供給される
と共にスイツチ４１へ供給され、また同期検波器
２７の出力は利得調整器４２を通じてスイツチ４
１及び端子４３へ供給される。スイツチ４１は端
子３９又は４３の出力を低域通過波器４４へ供
給し、低域通過波器４４の出力は直線正補正回
路４５を通じてジヤイロ出力端子４６へ供給され
る。

ジヤイロ出力端子４６の出力は制御回路４７内
の比較器４８，４９の非反転入力側、反転入力側
へ供給され、それぞれ基準電源５１，５２の基準
電圧＋Vr−Vrと比較される。比較器４８，４９
の出力はそれぞれ可逆カウンタ５３のアツプカウ
ント端子UP、ダウンカウント端子DOへ供給さ
れてそれぞれアツプカウント、ダウンカウントさ
れる。可逆カウンタ５３の重みが2°の出力端子の
出力はスイツチ３３，４１に切替え制御信号とし
て供給され、重みが2′の出力端子の出力はスイツ
チ３４，３７に切替え制御信号として供給され
る。スイツチ３３，３４，３７，４１はそれぞれ
初期状態（切替え制御信号が論理“０”）で端子
NC側、つまり電圧調整器３１、分周器２３、移
相器３６、端子３９側に接続され、切替え制御信
号が論理“１”でそれぞれ端子NO側、つまり電
圧調整器３２、インバータ３５、インバータ３
８、端子４３に接続される。可逆カウンタ５３の
計算値は出力端子５４から取出すことができる。

この第３図に示した構成によれば帯域通過波
器２５から駆動周波数fo成分が取出され、従つて
(3)式より(4)式に示すように I₁ ∝ sinΔφ・J₁（ｘ）sinωt′……(4) sinΔφに比例した成分が取出される。これが同
期検波器２４で検波され、sinΔφに比例した出力
が端子３９に得られる。(4)式でJ₁（ｘ）＝0.53時感
度が最大となるから、ｘ＝2Asinπfoτ＝1.84とな
るように位相変調器２２を駆動することが好まし
い。このためこの実施例では駆動周波数foを適切
な値に選定し、電圧調整器３１を調整して変調指
数Ａを調整し、感度が最大になるようにした場合
である。

端子３９の出力は先に述べたようにsinΔφに比
例し、第４図Ａの曲線５５に示すように右回り光
と左回り光との位相差Δφに対してsinΔφ変化す
る。

一方帯域通過波器２６からは駆動周波数foの
２倍の成分が取出され、これは(3)式より(5)式で示
すようにcosΔφに比例する二次成分である。

I₂ ∝ sinΔφ・J₂（ｘ）cos 2ωt′ ……(5) この場合J₂（ｘ）0.49の時感度が最大とな
り、、この例では電圧調整器３２を調整して変調
指数Ａを調整し、最大感度が得られるようにして
ある。端子３９，４３の両出力が位相差Δφ＝
π／４で同一レベルになるように利得調整用増幅
器４２の利得が調整される。端子４３の出力は第
４図Ａの曲線５６に示すように位相差Δφに対し
cosΔφに比例したものとなる。

位相差Δφが０±π／４の範囲内にあれば、ス
イツチ３３，３４，３８，４１は第３図に示した
状態にあつて端子３９よりのsinΔφに比例した出
力がジヤイロ出力端子４６に出力される。比較器
４８においてはその入力つまりジヤイロ出力端子
４６の出力が基準電圧Vrを越えると第４図に示
すようなパルスを発生する。このパルスは可逆カ
ウンタ５３によつて加算カウントされる。一方ジ
ヤイロ出力端子４６の出力が−Vrよりも負方向
に大きくなると比較器４９より第４図Ｃに示すよ
うなパルスが発生し、これは可逆カウンタ５３で
減算カウントされる。可逆カウンタ５３の重みが
2°の出力は第４図Ｄに示すように変化し、重みが
2′の出力は第４図Ｅに示すように変化する。可逆
カウンタ５３の重みが2°の出力が高レブル（論理
“１”）の時スイツチ３３，４１が切替えられ、端
子４３の信号即ちcosΔφに比例した出力がジヤイ
ロ出力端子４６に出力される。逆にジヤイロ出力
端子４６の出力が基準電圧−Vrより負の方向に
大きくなること比較器４９よりパルスがられ、可
逆カウンタ５３が減算カウントされて、それによ
り重みが2°の出力が高レベルとなり、スイツチ３
３，４１が作動して先の場合と同様に端子４３の
信号即ちcosΔφに比例した出力がジヤイロ出力端
子４６に出力される。

以上の状態から更に位相差Δφが絶対量として
増加し、cosΔφに比例した出力が基準電圧＋Vr
又は−Vrよりも絶対値で大きくなると比較器４
８又は４９よりパルスが得られて可逆カウンタ５
３が加算或は減算し、スイツチ３３，４１が復帰
して端子３９の信号、即ちsinΔφに比例した出力
がジヤイロ出力端子４６に得られるようになる。
これと共にsinΔφとcosΔφに比例する出力が位相
Δφに対し正の特性となるように可逆カウンタ５
３の重みが2′の出力によつて信号極性反転指令
（切変え制御信号）が出力され、スイツチ３４，
３７が切替えられる。これにより同期検波器２
４，２７の参照信号の極性が反転され、同期検波
器２４，２７の出力の極性が反転される。上述に
おいて位相差Δφがπ／４におけるsinΔφと
cosΔφに比例するジヤイロ出力電圧が基準電圧
Vrより絶対値で僅かに少な目に設定しておくと、
第４図Ａに示したsinΔφとcosΔφに比例する信号
５５，５６を、制御回路４７の制御によつて第４
図Ｇに示すように鋸歯状の出力として得ることが
できる。かつsinΔφとcosΔφに比例する信号の切
替えにヒステリシスを持たせることができ安定に
動作させることができる。このようにして位相差
Δφが±mπに対し約±π／４の範囲にある場合
は、sinΔφ成分をジヤイロ出力として取り出さ
れ、±（2m＋１）π／２に対し約±π／４の範囲にあ る場合はcosΔφ成分がジヤイロ出力として取り出
され、全範囲にわたつて直線性が最も好ましい状
態で出力が得られる。

この出力より角速度は次式で求めることができ
る Ω＝Cλ／4πRL（mπ／２＋KV₀），ｍ＝０、±１、±２
、 ……(6) Ｃは光速、λは光源１１の光の波長、Ｒは光学
路１６の半径、Ｌは光学路１６の長さ、Ｋは比例
定数（rad／Ｖ）、V₀はジヤイロ出力端子４６の
電圧、ｍは角度加算パルスの総数の角度減算パル
スの総数との差、つまり可逆カウンタ５３の計数
値内容であつて、これは端子５４から取り出され
る。この角度Ωの極性は、可逆カウンタ５３の最
上位ビツトの出力を用いて判定される。

この実施例におけるダイナミツクレンジは、位
相差Δφで約±６４π、即ち±３２波長に相当す
るレンジである。このダイナミツクレンジは可逆
カウンタ５３のビツト数を大きくすることによつ
て広げることができる。制御回路４７としては、
このように論理回路で構成する場合のみならずジ
ヤイロ出力端子４６の出力をデイジタル信号に変
換し、基準値と比較して可逆カウンタ５３と対応
する計数動作などを計算機で処理して、先のよう
に位相差のそれぞれの範囲に対応してsinΔφと
cosΔφに比例したジヤイロ出力を取り出すように
することもできる。

(4)、(5)式から解かれるように入力感度はＸ（＝
2A sin πfoτ）の値に左右される。Ｘの値は変調
指数Ａ、位相変数器２２の駆動周波数fo及び光学
路１６を通る光の伝搬時間τによつて決まる。駆
動周波数fo及び伝搬時間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。位相変調器２２は例えば電歪振動子に
光学路１６の一端部を巻きつけ、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。

この問題を解決するには例えば次のようにすれ
ばよい。即ちsinΔφに比例した同期検波後の出力
をV₁、cosΔφに比例した同期検波後の出力をV₂
とすると V₁＝K₁sinΔφ、V₂＝K₂cosΔφ ……(7) と表わすことができる。こゝでK₁，K₂は比例定
数である。仮にK₁＝K₂＝Ｋとし、V₁とV₂を２乗
して変え合わせるとその値は下式の通り一定値を
とる。

Vf＝V² ₁＝V² ₂＝K²（sin²Δφ ＋cos²Δφ）＝K²（一定） ……(8) 従つてこのVfの値が常に一定になるように変
調指数Ａ又は受光器２１からの出力電圧を制御す
れば入力感度を一定に保つことができる。第５図
は位相変調器２２に印加す周波数foの駆動電圧を
制御して変調指数Ａを変え、入力感度を一定に保
つ構成例を示したものである。

まずsinΔφに比例した端子３９の出力と、
cosΔφに比例した端子４３の出力とはそれぞれス
イツチ５７，５８に直接胸腔されると共に利得調
整用増幅器６１，６２を通じて供給される。可逆
カウンタ５３の重みが2°の出力端子６３を通じて
スイツチ５７，５８，６４に制御信号として供給
される。スイツチ６４には基準電源６５，６６が
接続されている。端子６３の制御信号が“０”の
時はスイツチ５７，５８，６４は接点NCの位置
にある。よつて端子３９に入力された信号V₁は、
そのまま２乗回路６７に供給され、端子４３に入
力された信号は増幅器６２によつて比例定数K₂
がK₁と等しくなるように増幅されて２乗回路６
８に供給される。２乗回路６７，６８でそれぞれ
２乗された二つの信号は、加算回路６９によつて
加算され、その加算出力は作動増幅器７１によつ
て基準電源６５の基準電圧と比較され、その誤差
信号が増幅される。その増幅された誤差信号は自
動利得調整回路７２に供給され、端子７３に入力
された周波数foの駆動電圧の振幅が制御され、そ
の出力は端子７４から位相変調器２２（第３図）
に供給される。

この一連の閉ループにおいて前記誤差信号が常
に零になるようにされる。このため入力感度は常
に一定に保たれる。

一方端子６３の重みが2°の制御信号が“１”と
なつた場合、スイツチ５７，５８，６４はNO接
点に切替えられる。その結果端子３９に入力され
た信号は増幅器６１に供給され、比例定数K₁が
K₂と等しくなるよう増幅されて２乗回路６７に
供給される。端子４３に入力された信号はその
まゝ２乗回路６８に供給される。２乗された二つ
の信号は加算回路６９によつて加算され、作動増
幅器７１によつて基準電源６６の基準電圧と比較
され、誤差信号が増幅される。その増幅された誤
差信号は、自動利得調整回路７２に供給され、端
子７３に入力された周波数foの駆動電圧の振幅が
制御され、端子７４を通じて位相変調器２２に供
給される。その結果前述と同様、入力感度が一定
に保たれる。

なお基準電源６５は(4)式におけるsinΔφに比例
する入力感度が最大となるよう設定された基準電
圧を出力し、一方基準電源６６は(5)式における
cosΔφに比例する入力感度が最大となるよう設定
された基準電圧を出力する。第５図で駆動信号の
電圧を作動増幅器７１の出力で制御したが、前記
受光器２１の出力を作動増幅器７１の出力で自動
制御してもよい。

＜効果＞ 第２図に示した従来方式においては、前述の通
り右回り光と左回り光間の位相差がπ／２近くに
なると極端に感度が悪くなり、ダイナミツクレン
ジが制限されていたが、この発明によれば先に示
した(6)式においてｍの値が変化してもｍが０の場
合の時と直線性は第４図Ｇに示したように同一で
あり、偏差値は高レンジにおいて増加することは
ない。直線性補正回路４５を設けることによつて
計測範囲全域にわたつて直線性の高いものを得る
ことができる。又この発明においてはダイナミツ
クレンジを理論的には限りなく広げることができ
る。更に位相変調器２２の駆動電圧又は受光器２
１の出力をcosΔφに比例する信号とsinΔφに比例
する信号によつて制御することにより、作動温度
範囲にわたつて入力感度を一定に保つことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はそれぞれ従来の光干渉角速
度計を示すブロツク図、第３図はこの発明による
光干渉角速度計の一例を示すブロツク図、第４図
はその動作の説明に供するための波形図、第５図
はこの発明による光干渉角速度計の一部を示すブ
ロツク図である。 １１：光源、１３：光分配結合器、１６：光学
路、２１：受光器、２２：位相変調器、２４，２
７：同期検波回路、２５，２６：帯域通過波
器、４２，６１，６２：利得調整用増幅器、２
８：信号源、２３：1/2分周器、３１，３２：電
圧調整器、３６：移相器、４４：低域通過波
器、４５：直線性補正回路、３５，３８：インバ
ータ、４６：ジヤイロ出力端子、４７：制御回
路、４８，４９：比較器、５１，５２，６５，６
６：基準電源、５３：可逆カウンタ、６７，６
８：２乗回路、６９：加算回路、７２：自動利得
調整回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも一周する光学路と、その光学路に
   対し右回り光及び左回り光を通す手段と、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、その干渉手段と上記光学路の一
   端との間にこれらに継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、上記
   干渉光の光強度を電気信号として検出する受光器
   と、その受光器の出力を上記位相変調器の駆動周
   波数と同じ周波数で同期検波する第１同期検波器
   と、上記受光器からの出力を上記位相変調器の駆
   動周波数の２倍の周波数で同期検波する第２同期
   検波器と、上記右回り光と左回り光の位相差が±
   mπ（ｍ＝０、１、２…）に対し約±π／４の範囲
   であることを検出する第１範囲検出手段と、上記
   右回り光と左回り光の位相差が±（2m＋１）π／
   ２（ｍ＝０、１、２…）に対し約±π／４の範囲
   であることを検出する第２範囲検出手段と、上記
   第１範囲検出手段の出力により上記第１同期検波
   器の出力をジヤイロ出力端子へ導く手段と、上記
   第２範囲検出手段の検出出力により上記第２同期
   検波器の出力を上記ジヤイロ出力端子へ導く手段
   とを具備した光干渉角速度計。 ２ 上記第１同期検波器の出力を２乗する第１の
   ２乗回路と、上記第２同期検波器の出力を２乗す
   る第２の２乗回路と、これら第１、第２の２乗回
   路の出力を加え合せる加算手段と、その加算手段
   の出力によりその出力が一定となるように上記位
   相変調器の駆動電圧又は上記受光器の出力を制御
   する手段とを有する特許請求の範囲第１項記載の
   光干渉角速度計。