JPS585365B2 - 回転速度測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、回転速度の測定装置に関し、特に検出素子が
光フアイバコイルであるサグナック（ＳＡＧＮＡＣ）効
果すなわち環状光干渉計による回転速度検出効果を用い
たジャイロ（回転速度測定装置）に関する。

本発明においては、光フアイバコイルのサグナック効果
を用いた回転速度測定装置であって、２つの位相の相関
した光ビームが光切換スイッチの方へ指向され、該光切
換スイッチは、スイッチの動作が第１のポート対の部材
と第２のポート対の部材の間の接続を交換するような形
で第２のポート対と光学的に接続される第１のポート対
を有し、該２つの光ビームは、該スイッチから反対方向
において、単一モードのファイバの複数個の巻回から成
る光フアイバサグナックコイルおよび１つまたはそれ以
上の制御可能な光学的非可逆性（ｎｏｎ−ｒｅｃｉｐｒ
ｏｃａｌ）要素を通して該スイッチを通り戻るように指
向され次に該光ビニムは混合され、干渉ビームが光検知
器において検知され、該光検知器の出力は、帰還制御回
路の入力に接続され、２つのビームの経路は、コイルに
いかなる回転も存在しない場合に、光検知器における２
つのビームが０およびπとは実質的に異なる位相角だけ
隔てられるようなものであり、スイッチの動作は、サグ
ナックコイルを通る伝播時間の逆数に等しいかまたはそ
の整数倍である周波数において動作可能である発振器に
より制御され、それにより、スイッチが２つの状態のい
ずれか１方にあるときにコイル内へ投入された光は、ス
イッチが再たび同一の状態にあるときにスイッチを通し
て戻るようにコイルから放出され、帰還制御回路は切換
スイッチのスイッチングと同位相または逆位相の光検知
器出力の交流成分を最小化するように非可逆性要素を制
御するように構成される、光フアイバコイルのサグナッ
ク効果を用いた回転速度検出装置が提供される。

サグナック効果ジャイロ（回転速度測定装置）の基礎に
ある原理は、ループ中を伝播する光は、ループが光の伝
播方向と同一の方向に回転させられるときループを回る
光学的経路の距離において増加が見られ、ループが光の
伝播方向と反対方向に回転させられるとき光学的経路の
距離の減少が見られるという効果を利用することである
。

前記のループは、単二モードの光ファイバにより好適に
与えられ、光ファイバは典型的には約１０ｋｍの長さで
あり、コイルに巻回される。

前記のようなコイルの場合は、経路差は下記の式で与え
られる。

△Ｌ＝２Ω ＲＬ／に こで、Ωはコイルの角回転速度、 Ｌはファイバの長さ、 Ｃは自由空間における光の速度、 Ｒはコイルの半径である。

光学的経路距離の増分△Ｌは、コイルから脱出してくる
光の位相により測定され得る。

前記の目的のために光源からの光は、コイルを通すよう
に指向され、光検知器において、異な名経路を通るよう
に指向された同一光源からの光と干渉させられる。

見掛は上の位相変化を測定させる傾向を有する外来的な
効果を相殺するために、２つの干渉ビームの光学的経路
を可能な限り同様のものとすることが望ましい。

多くの適用例について、前記の事は、光を、両方の方向
においてコイルを通るように指向させ、２つの放出ビー
ムを干渉させることにより好適に実現される。

原理的には、装置は第１図において示されるが、第１図
においては、レーザ光源Ｓからの光は、ビーム分割鏡Ｍ
を経由して光ファイバ「サグナック」コイルＣの両方の
端部に指向される。

コイルＣから戻ってくる光は、干渉信号入力を光検知器
りに供給するために鏡Ｍにより再結合される。

コイルが回転しているとすると、再結合されるビームの
一方の位相は、角φだけ進んでおり、一方他方のビーム
の位相は、同一の角だけ遅れている。

第２図は、検知器出力特性をあられし、検知器りの出力
が位相角φにより変化する様子を示している。

第２図においては、第１図の装置はあまりに対称的であ
り過ぎて出力において回転の２つの方向の間の区別が行
われないことが示される。

さらに、第１図の装置は、特性の傾きが小さな値の位相
角φに対して極端に小であるから小さな回転速度に対し
て非常に小さな感応性しか有さない。

前記の問題は、第３図に概略的に示されるように、２つ
の光学経路を分離し、僅かに異なる長さにし、それによ
り、２つのビームが光検知器りに干渉信号入力を発生す
るように再結合されるとき。

２つのビームはコイルの回転がまったく無い場合にも固
定された位相角ψにより分離されることにより、克服さ
れ得る。

第３図においては、光路距離における前記の差は、必要
な位相遅れψを与える一括された要素Ｐにより表わされ
る。

対応する検知器の出力特性は第４図にあられされる。

固定された位相角ψの値の適切な選択は、実質的に。

およびπとは異なる値の１つであり、この位相角は、特
性の急峻な部分において動作点を与える。

前記のように位相角ψを選択することは、感応性を改善
するのみならず、反対方向の回転速度を区別する。

前記の利点に対して欠点は、固定された位相角ψにおけ
るいかなるドリフトもφの測定における直接的誤差を生
ずることである。

ψはφよりも大きなオーダの値であるから、前記のこと
は、ψの値を決定する光学要素について非常に厳しい許
容条件が課せられる。

前記の条件は、本発明による方向転換装置を採用するこ
とにより緩和される。

第３図の装置においては、サグナックコイルの回転は検
知器りにおいて干渉する２つの信号の位相差におけるサ
グナック効果により生ずる変化を測定することにより決
定される。

本発明によるジャイロは、１つまたはそれ以上の制御可
能な非逆向性要素を光学回路において協働させるという
別の手法を使用し、前記の非可逆性要素は、帰還ループ
によりサグナック効果を正確に相殺する効果を生ずるよ
うに調整される。

前記の手法は、平衡状態が光検知器の出力を監視し、光
検知器の出力を帰還制御のために使用することにより検
知される、打消し技術である。

前記の目的のための非逆向性要素の適切な形式は、例え
ばファラデーセルまたはブラック光弾性周波数移行セル
であり得る。

ブラッグセルにおいては、周波数ω１の電気信号が同じ
周波数のひずみパターンを生じさせるためにセルに印加
される。

このひずみパターンは、セルを通して伝播する周波数ω
。

の光と、周波数ω。

＋ωの周波数転移された光出力を発生するように相互作
用するように配置される。

第５図を参照すると、本発明を好適な形式において具体
化するジャイロにおいて非可逆性要素としてブラックセ
ルの対Ｂ１およびＢ２が用いられる。

レーザ光源からの周波数ω。

の光は、ビーム分割鏡Ｍ、およびＭ２により切換スイッ
チＳＷを通してセルＢ１およびＢ２に指向させられる。

鏡Ｍ１およびＭ２からの光ビームは、第１のポート対１
および２から切換スイッチＳＷに入射し、第２のポート
対３および４から放射される。

スイッチＳＷの１方の状態においてポート１がポート３
に接続されポート２がポート４に接続され、それにより
鏡Ｍ１からの光ビームはブラッグセルＢ１に指向させら
れ、鏡Ｍ２からの光ビームはブラッグセルＢ２に指向さ
せられる。

スイッチｓｗの他方の状態においては、ポート１がポー
ト４に接続されポート２がポート３に接続されるように
切換えられ、それにより鏡Ｍ１からの光ビームはブラッ
クセルＢ２に指向させられ鏡Ｍ２からの光ビームはブラ
ッグセルＢ、に指向させられる。

２つのブラッグセルＢ１およびＢ２は、それぞれ、周波
数ω１およびω２において動作する局部発振器ＬＯ，お
よびＬＯ２により駆動され、周波数ω１は可変であり、
一方周波数ω２は固定される。

ブラッグセルから放射される周波数ω。

十ω１およびω。

＋ω２である２つの周波数移行されたビームは、光フア
イバサグナックコイルＣの対向する端部に指向させられ
る。

各放射ビームは、他のブラッグセルを通って返還され、
それにより、周波数はω。

十ω１＋ω２へさらに移行される。ブラッグセルを通っ
て返還される２つのビームは、切換スイッチを通って返
換され、鏡Ｍ１およびＭ２を通るように指向させられ、
光検知器りに干渉信号入力を供給するために再結合され
る。

コイルが軸に関して回転されず、かつ、２つの局部発振
器が同一の周波数において動作するとすれば、光検知器
において受信される周波数ω。

＋２ω１の２つの信号の間に特定の位相角が存在する。

この位相角は、光源から検知器への２つの経路の非均等
部分における光経路距離における差によるものである。

局部発振器がそのままであり、コイルが軸について一定
の速度において回転させられるとすると、光検知器にお
ける位相角は、１方の信号の位相が進められ、他方の信
号の位相は遅らせられるために、変化させられる。

しかしながら、この位相関係はまた、第１の局部発振器
の周波数が変化させられるとき、変化させられる。

これは、光が一方の方向にある周波数にお−いて反対の
方向に異なる周波数においてコイルを通して伝播するか
らである。

それゆえ、光検知器の出力は、帰還制御回路Ｆに供給さ
れ、この帰還制御回路は、第１の局部発振器の周波数ω
１を制御するために用いられる出力を供給し、それによ
り、検知器りにおいて干渉するビームの間の一定の位相
角を維持する。

このような帰還制卸回路は、切換スイッチの動作なしで
機能させるようにすることも可能である。

装置は、単に、非均等な経路長さが検知器において位相
角差ψを与えるように構成されることが必要されるだけ
であり、この位相角は、実質的に０およびπとは異なる
ものであり、それにより光検知器出力の動作特性（第４
図のものと同様である）における動作点は、ゼ宅傾度の
領域と隔っている。

しかしながら、このような装置は、ψの値を決定する要
素のパラメータの任意のドリフトが体系的な誤差を生ず
るという欠点がある。

切換スイッチの動作は、サグナック効果がω１とω２の
間の周波数差による効果により正確に補償されないとき
は常に、交流信号が光検知器の出力において発生させら
れ、この交流信号は切換スイッチのスイッチングと同位
相または反対位相のいずれかであるように、接続を切換
える。

それゆえ、この交流信号は、帰還制御回路を制御するた
めに用いられ、このようにして位相角ψの値における小
さな変化が体系的な誤差を生ずることが防止される。

この切換の原理が正しく機能するために、スイッチが２
つの状態のいずれか１方にあるときにコイル内に放射さ
れた光は、スイッチが再たび同一の状態にあるときにコ
イルからスイッチへと戻るように放出されることが確実
化される必要がある。

前記のことは、スイッチの動作周波数がコイルを通る伝
播時間の逆数に等しいかまたはその整数倍である必要が
あるということを意味する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、光フアイバコイルにおけるサグナック効果を
検知する装置を示す図、第２図は、第１図の装置の光検
知器の出力特性を示す特性図、第３図は、第１図の装置
の修正形の装置を示す図、第４図は、第３図の装置の光
検知器の出力特性を示す特性図、そして、第５図は、サ
グナック効果により回転速度を測定する装置を示す図で
ある。 符号の説明、Ｃ：光フアイバコイル、Ｄ＝光検知器、Ｍ
、Ｍｌ、Ｍ２：ビーム分割鏡、Ｓ：レーザ光源、Ｐ：遅
れ要素、Ｂ１ｙＢ２ニブラッグセル、ＬＯｌ、ＬＯ２：
局部発振器、Ｆ：帰還制御回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光フアイバコイルのサグナック効果すなわち環状光
   干渉計による回転速度検出効果を用いた回転速度測定装
   置であって、２つの位相の相関した光ビームが光切換ス
   イッチの方へ指向され、該光切換スイッチは、スイッチ
   の動作が第１のポート対の部材と第２のポート対の部材
   の間の接続を交換するような形で第２のポート対と光学
   的に接続される第１のポート対を有し、該２つの光ビー
   ムは、該スイッチから反対方向において、単一モードの
   ファイバの複数個の巻回から成る光フアイバ環状光干渉
   計コイルおよび１つまたはそれ以上の制御可能な光学的
   非可逆性要素を通して該スイッチを通り戻るように指向
   され、次に該光ビームは混合され、干渉ビームが光検知
   器において検知され、該光検知器の出力は、帰還制御回
   路の入力に接続され、２つのビームの経路は、コイルに
   いかなる回転も存在しない場合に、光検知器における２
   つのビームが０およびπとは実質的に異なる位相角だけ
   隔てられるようなものであり、スイッチの動作は、環状
   光干渉計コイルを通る伝播時間の逆数に等しいかまたは
   その整数倍である周波数において動作可能である発振器
   により制御され、それにより、スイッチが２つの状態の
   いずれか１方にあるときにコイル内へ投入された光は、
   スイッチが再たび同一の状態にあるときにスイッチを通
   して戻るようにコ身ルから放出され、帰還制御回路は切
   換スイッチのスイッチングと同位相または逆位相の光検
   知器出力の交流成分を最小化するように非可逆性要素を
   制御するように構成される、光フアイバコイルのサグナ
   ック効果を用いた回転速度測定装置。 ２ 非可逆性要素として、１つまたはそれ以上のブラッ
   グ光弾性周波数移行セルを協働させる特許請求の範囲第
   １項記載の回転速度測定装置。