JPH0371012A - 光ファイバ回転角速度計 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は光ファイバ方式の回転角速度計に係り、特に、
位相変調方式の光ファイバ回転角速度計に関するもので
ある。

［従来の技術１ 回転系においては、光ファイバリング干渉計のループ内
を右回りに伝搬する光と左回りに伝搬する光との間に位
相差が生じる（ザグナック効果）。これを利用した光フ
ァイバ回転角速度計には、光ファイバリング干渉計を伝
搬する光に位相変調をかけて検出感度の最適化を図る位
相変調方式のものが知られている。

この位相変調方式回転速度計（ＰＨ−Ｏｐｔｉｃａｌ。

Ｆｉｂｅｒ　Ｒｏｔａｔｉｏｎ　５ｅｎｓｏｒ以下Ｐ　
Ｍ　−□　ＯＦ　ＲＳと略）は、一般に零点ドリフ１−
１最少分解機能に優れた方式と言われている。

位相変調の変調度は回転角速度のスチールファクタに影
響するが、一般に温度によって変化するため、干渉計出
力信号に含まれる高調波成分の比を一定に制御するよう
に位相変調信号の電圧を調整し、変調度を一定に保つ手
法が既にＢＯｅｈｌｌｌ等によって公表（Ｋ、ＢＯｅｈ
Ｉｎ、　ｅｔ　ａｌ、　Ｅｌｅｃ−ｔｒｏｎ、　Ｌｅｆ
ｔ、、　１９．ＰＰ、９９７−９９９（１９８３））さ
れている。

この位相変調方式回転角速度計の基本構成を第２図、第
３図により説明する。

第２図は０ＦＲ８の光学系の構成を示す。光源１は偏波
面保存（ＰＭ）ファイバ２に結合されており、入射光は
方向性結合器２ａより、偏光子３、方向性結合器２ｂに
て２分され、それぞれ接続点４より、一方はＰＭファイ
バループ５に入射して左回りに周回し、他方は光位相変
調器６を通過し、ＰＭファイバループ５に入射して右回
りに周回する。ＰＭファイバループ５に、それぞれ入射
された光は、それぞれ他端より方向性結合器２ｂ、偏光
子３、方向性結合器２ａを介して受光器７に受光され、
信号処理回１ｉ’８８にて信号処理がなされ角速度か検
出されると共に光位相変調器６の変調度が制御される。

この位相変調器６はＰＺＴシリンダにＰＭファイバを２
〜３ｍ巻き付け、ＰＺＴに交流電圧を印加することで変
調度を制御する方式％式％ 第３図は信号処理日ｌｌ！８８の詳細を示し、図におい
て９は第２図に示しｆｓ　ＯＦ　ＲＳ光学系、１０は光
源１を駆動するためのＡＰＣ回路である。

０ＦＲ８光学系９の受光器７の出力は、増幅器１１を通
り、同期検波器１２ａ〜１２ｃで同期検波器され、検波
成分は、フィルタ１３を介して直流化され、多重化装置
１４．Ａ／Ｄ変換器１５、インターフェース回路１６を
経てマイク１７コンピユータ１７に入力される。一方２
１は正弦波などの交流発生器で、分周器２２を通り、基
本波、２倍波、４倍波を同期検波器１２ａ〜１２ｃの基
準信号として加えると共に光位相変調器６に所定の交流
電圧の基本波を印加する。１８は外部高速演算プロセッ
サで、角速度を出力１９したり高調波成分比（４倍波７
２倍波）を変調度出力２０と、電圧制御装置２３を高速
に自動調整するようになっている。

同期検波系では位相変調信号の位相と干渉計出力の位相
の差が生じてもそれに影響されないように、干渉計出力
の直交成分を検出し、ＲＭＳｉを計算する方式がすでに
知られている。

第２図、第３図において光源の光出力は一定になるよう
にＡＰＣがかけられている。

干渉計からの信号出力は 基本波　　Ｓ＋　＝に＋　　（ｍ）Ｓｉｎ　ａΩ２倍波
　　３２　＝に２　（ｍ）ｃｏｓ　ａΩ４倍波　　Ｓ４
　：に４　　（ｍ）ＣＯ３ａΩと書ける４ｍは変調指数
、Ｋ１．、に２．に４はそれぞれゲイン、ａはスケール
ファクタ、Ωは入力角速度である。

ここで回転角速度は次式で求められる。

３２　Ｋ１ ［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上述した位相変調方式の角速度計におい
ては、以下の問題がある。

（１）ＰＭ−ＯＦＲ３の信号検出分の同期検波系におい
て、位相変調器に印加する変調信号と光子理系の出力信
号との位相差Δθがスケールファクタ誤差を発生させる
。通常は前述のように干渉計出力の直交成分を検出し、
そのＲ，Ｍ、Ｓ値を計算する方式が採られているが、変
調周波数が数１０ｋＨｚ以上となると、その高調波成分
、例えは２．４倍波は１００　Ｋｌｌｚ以上となり、同
期検波器の特性のばらつきによりΔθの影響でスゲ−ス
フアクタエラーか発生していた。

（２）光源出力や光部品の損失は一般に温度で変化する
。このため角速度の演算は光出力レベルの変化に依存し
ないようにＳ　＋　／　Ｓ　２の比を求めることによっ
て行っている。しかし、実際の回路では２倍波からの基
本波への若干のもれ込みかあり、この量は光出力レベル
変化に対応して変化し、零点バイアスドリフトを発生さ
せていた。

本発明の目的は、前記した従来技術の欠点を解消し、ス
ケールファクタの安定性及び零点ドリフトを大幅に改善
する光ファイバ回転角速度計を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の要旨は、サグナック効果を利用した光ファイバ
リンク干渉計のループの一端に光位相変調器を接続し、
測定対象とする角速度を、干渉計から出力される変調信
号の基本波と高調波成分比から求めると共に位相変調度
が一定となるよう高調波成分比をモニタし制御する位相
変調方式回転角速度計において、上記変調信号の位相を
、干渉計出力中の高調波成分の位相をモニタすることに
より制御するようにしたものである。また、光ファイバ
リンク干渉計のレベル変動に基づく出力変動を、干渉計
出力中の直流分をモニタし、それに応じて出力が一定と
なるようゲインを制御するようにしたものである。

高周波成分の位相としては、２倍波の位相を求めるか、
例えは同期検波信号の実部と虚部の大きさを求めその比
を採る方法を用いる。またゲインの制御は、プログラマ
ブルゲインアンプを用い、ソフト的に制御する。

［作　用Ｊ 上記構成によれば、干渉光学系から出力される２倍高調
波の位相をモニタし、その結果をもとに光位相変調器に
印加する変調信号を位相シフタなどで位相制御し、これ
によってスケールファクタエラーの温度特性を大幅に向
上させることかできる。

また干渉光学系から出力される直流成分をモニタし、そ
の結果をもとに増幅器のゲインを制御することにより角
速度の零点ドリフトの温度特性を大幅に向上できる。

［実施例］ 以下本発明の好適実施例を添付図面に基ついて説明する
。

先ず、ザブナック効果を利用したＦＯＲ８用光学系の詳
細は第２図で説明した通りであり、本発明においては信
号処理回路を第１図に示すように改良した点にある。

第１図は第３図で示した信号処理回路と基本的に同じて
あり、９はＰＭ□０ＦＲ３用光学系、１０は光源１を駆
動するＡ、　Ｐ　Ｃ回路、１１は光検出器７からの出力
を増幅する増幅器、１２ａは基本波用同期検波器、１２
ｃは４倍波用同期検波器、１３はフィルタ、１４は多重
化装置、１５はＡ／Ｄ変換器、１６はインターフェース
回路、■７はマイクロコンピュータ、１８は高速演算プ
ロセッサ、１９は角速度出力、２０は変調度出力、２１
−は正弦波発生器、２２は分周器、２３は光位相変調器
６の変調度を制御する電圧制御器であり、これらは第３
図で説明した通りである。

さて第１図においての改良点は、２倍波の同期検波器と
して２相弐同期検波器２４を設げ、この２倍波の同期検
波出力から２倍波の位相を位相検出器２５で検出し、こ
れをＡ／Ｄ変換器、マイクロコンピュータ−７及び高速
演算プロセッサ１８を介して入力し、他方基本波を位相
シフタ２７を介して電圧制御器２３に入力し、位相検出
器で検出した位相をモニタすると共にその位相差に基づ
いて基本波を位相シフタ２７で位相制御し、光位相変調
器６のＰＺＴに印加する変調信号の位相を自動制御する
ようにしたことであり、また増幅器１１の出力の直流分
を直流分検出器２８でモニタし、増幅器１１のゲインを
制御してレベル変動に基づく出力変動を一定に制御する
ようにしたことにある。このゲインの制御は図てはハー
ド的構成で示しであるが、実際には増幅器ＩＩをプログ
ラマブルゲインアンプとし、ゲインをＣＰＵを介して制
御する。

以上の改良により、本発明においては、スゲルファクタ
及び零点ドリフタか大幅に改良できる。

なお、位相モニタは２倍波の代りに４倍波等の高調波で
行ってもよく、マイクロコンピュータ１フと高速演算プ
ロセッサ１８か一体化されたＣＰＵを用いてもよい。ま
た本発明による０ＦＲ３のスケールファクタ、直線性の
温度特性を予め測定し、マイコンのメモリ内にテーブル
化して収納し、それをもとに、別途投げた温度センザ出
力を用いて補正をかける方式も考えられる。

さらに本発明による０ＦＲ８はＣＰＵを含む。

また角速度の時間積分は角度であるのて、いわゆ０ るレート積分ジャイロと同等の機能も出すことができる
。

［発明の効果］ 以上本発明は次の効果を奏する。

（１）零点ドリフト、スケールファクタエラーの温度安
定性が向上することによって、回転角速度センサの用途
が拡大すると共に、それを用いた運動体の位置や角度の
制御システムの機能、精度が向上する。

（２）光方式の回転角速度センサの実用化によって、従
来の機械式ジャイロで問題であった、寿命、耐振特性、
重量、消費電力等の改良が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の０ＦＲ８の信号処理回路の−実鉋例を
示すブロック図、第２図は０ＦＲ３の光学系を示すブロ
ック図、第３図は従来の０ＦＲ８の信号処理回路を示す
ブロック図である。 図中、６は光位相変調器、７は受光器、９は１ 光ファイバ角速度計用光学系、１１は増幅器、１２ａ、
１２ｃは位相検波器、１７はマイクロコンピュータ、１
８は高速演算プロセッサ、２０は変調度出力、２１は正
弦波発生器、２３は電圧制御器、２４は２相弐同期検波
器、２５は位相検出器、２７は位相シフタ、２８は直流
分検出器である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ザグナック効果を利用した光ファイバリング干渉計
   のループの一端に光位相変調器を接続し、測定対象とす
   る角速度を、干渉計から出力される変調信号の基本波と
   高調波成分比から求めると共に位相変調度が一定となる
   よう高調波成分比をモニタし制御する位相変調方式回転
   角速度計において、上記変調信号の位相を、干渉計出力
   中の高調波成分の位相をモニタすることにより制御する
   ことを特徴とする光ファイバ回転角速度計。 ２、光ファイバリング干渉計のレベル変動に基づく出力
   変動を、干渉計出力中の直流分をモニタし、それに応じ
   て出力が一定となるようゲインを制御する請求項１記載
   の光ファイバ回転角速度計。