JP2697357B2 - 光ファイバ回転角速度センサ - Google Patents
光ファイバ回転角速度センサInfo
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- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 26
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 claims 5
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 claims 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 description 1
- 125000002924 primary amino group Chemical group [H]N([H])* 0.000 description 1
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
- G01C19/64—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
- G01C19/72—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams with counter-rotating light beams in a passive ring, e.g. fibre laser gyrometers
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、温度補正の可能な光フ
ァイバ回転角速度センサに関するものである。
ァイバ回転角速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】光ファイバ回転角速度センサ（以下、Ｏ
ＦＧと呼ぶ）は、光源から出た光を光ファイバセンシン
グループへの左右両回りの光に分岐させ、伝搬後の左右
両回り光を再び結合して干渉光出力を得、受光部に結合
して演算処理して角速度を求めるものである。
ＦＧと呼ぶ）は、光源から出た光を光ファイバセンシン
グループへの左右両回りの光に分岐させ、伝搬後の左右
両回り光を再び結合して干渉光出力を得、受光部に結合
して演算処理して角速度を求めるものである。
【０００３】ここで、ＯＦＧはサグナック効果と呼ばれ
る相対論的慣性効果を利用している。この効果は、光フ
ァイバセンシングループの光路を反対方向に伝搬する２
つの光の伝搬時間、つまり位相が光ファイバセンシング
ループの回転角速度に比例して変化する現象である。こ
れにより、センシングループは回転した時、左回り光と
右回り光の間に位相差△φを生じる。実際のＯＦＧで
は、この位相差Δφを直接検出しているのではなく、光
出力値の変化として検出している。この光出力値Ｐs は
定数成分とｃｏｓ△φに比例する。つまり、Ｐs ＝Ｐs1
＋Ｐs2＋２Ｐs1Ｐs2ｃｏｓ△φ … (1) ここで、Ｐs1，Ｐs2は左右回転方向の成分 で表される。
る相対論的慣性効果を利用している。この効果は、光フ
ァイバセンシングループの光路を反対方向に伝搬する２
つの光の伝搬時間、つまり位相が光ファイバセンシング
ループの回転角速度に比例して変化する現象である。こ
れにより、センシングループは回転した時、左回り光と
右回り光の間に位相差△φを生じる。実際のＯＦＧで
は、この位相差Δφを直接検出しているのではなく、光
出力値の変化として検出している。この光出力値Ｐs は
定数成分とｃｏｓ△φに比例する。つまり、Ｐs ＝Ｐs1
＋Ｐs2＋２Ｐs1Ｐs2ｃｏｓ△φ … (1) ここで、Ｐs1，Ｐs2は左右回転方向の成分 で表される。
【０００４】また、この位相差△φと回転角速度Ω（°
／ｓｅｃ）の関係は△φ＝（８πＳ／λＣ）×Ω
… (2) ここで、Ｃは光速、Ｓはセンシングループ面積、λは光
の波長 である。
／ｓｅｃ）の関係は△φ＝（８πＳ／λＣ）×Ω
… (2) ここで、Ｃは光速、Ｓはセンシングループ面積、λは光
の波長 である。
【０００５】この光学系では光出力Ｐs がｃｏｓ△φに
依存し、微小回転では低感度となるため、微小回転の検
出は不可能である。従って、従来、圧電セラミック等か
らなる位相変調器により、左右両回り光間に位相差△φ
をπ／２だけシフトさせる位相バイアス法が採用されて
いる。すなわち、△φ’＝△φ＋π／２として、光出力
Ｐs を Ｐs ＝ｃｏｓ△φ’＝ｃｏｓ（△φ＋π／２）＝ｓｉｎ
△φ … (3) と表し、ｓｉｎ△φに依存させている。
依存し、微小回転では低感度となるため、微小回転の検
出は不可能である。従って、従来、圧電セラミック等か
らなる位相変調器により、左右両回り光間に位相差△φ
をπ／２だけシフトさせる位相バイアス法が採用されて
いる。すなわち、△φ’＝△φ＋π／２として、光出力
Ｐs を Ｐs ＝ｃｏｓ△φ’＝ｃｏｓ（△φ＋π／２）＝ｓｉｎ
△φ … (3) と表し、ｓｉｎ△φに依存させている。
【０００６】このように位相バイアス法と呼ばれるＯＦ
Ｇでは、回転角速度に対して正弦関係で変化する光出力
値をモニタし、角速度を求めている。ＯＦＧ内では、予
め回転角速度に対応する光出力値を相関マップとしてセ
ンサ内のメモリに記憶しており、この角速度と光出力値
の相関マップに基づいて検出光出力に対応する回転角速
度を算出している。図２はこの相関マップを示してい
る。光出力値ＳがＯＦＧの受光部で感知されると、相関
マップに基づいて角速度Ωが演算される。
Ｇでは、回転角速度に対して正弦関係で変化する光出力
値をモニタし、角速度を求めている。ＯＦＧ内では、予
め回転角速度に対応する光出力値を相関マップとしてセ
ンサ内のメモリに記憶しており、この角速度と光出力値
の相関マップに基づいて検出光出力に対応する回転角速
度を算出している。図２はこの相関マップを示してい
る。光出力値ＳがＯＦＧの受光部で感知されると、相関
マップに基づいて角速度Ωが演算される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところで、ＯＦＧは回
転角速度センサであると同時に、角速度を時間で積分す
ることにより角度の検出も可能である。このため、ＯＦ
Ｇは自動車、ロボット等に搭載され、ナビゲーションや
自動搬送等に応用されている。この様な応用分野では使
用温度範囲も広いため、温度に対して安定したセンサの
特性が要求される。
転角速度センサであると同時に、角速度を時間で積分す
ることにより角度の検出も可能である。このため、ＯＦ
Ｇは自動車、ロボット等に搭載され、ナビゲーションや
自動搬送等に応用されている。この様な応用分野では使
用温度範囲も広いため、温度に対して安定したセンサの
特性が要求される。
【０００８】しかし、ＯＦＧを構成する光源（半導体レ
ーザ）や光ファイバ等の光学部品は温度変化に敏感に反
応して光の波長等の物理的変化が生じる。従って、同じ
回転角速度であっても温度変化に伴い光出力値が変化し
てしまうため、ある特定の温度下で予め作成した一つの
相関マップでは、温度変化に対応できず、安定した回転
角速度を算出できないという欠点があった。
ーザ）や光ファイバ等の光学部品は温度変化に敏感に反
応して光の波長等の物理的変化が生じる。従って、同じ
回転角速度であっても温度変化に伴い光出力値が変化し
てしまうため、ある特定の温度下で予め作成した一つの
相関マップでは、温度変化に対応できず、安定した回転
角速度を算出できないという欠点があった。
【０００９】本発明の目的は、前記した従来技術の欠点
を解消し、温度に対して安定な角速度の得られる光ファ
イバ回転角速度センサを提供することにある。
を解消し、温度に対して安定な角速度の得られる光ファ
イバ回転角速度センサを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、光源から円形
の光ファイバ光路に入射した左右両回り光間に生じる位
相差に応じた光出力から角速度を求める相関マップを有
し、この相関マップに基づいて検出光出力に対応した角
速度を求める光ファイバ回転角速度センサにおいて、相
関マップを異なる温度について２個以上もつようにした
ものである。
の光ファイバ光路に入射した左右両回り光間に生じる位
相差に応じた光出力から角速度を求める相関マップを有
し、この相関マップに基づいて検出光出力に対応した角
速度を求める光ファイバ回転角速度センサにおいて、相
関マップを異なる温度について２個以上もつようにした
ものである。
【００１１】そして、温度変化に対して自動的に対応で
きるように、温度を検出するセンサを備え、検出温度に
対応する相関マップを選択し、選択された相関マップに
基づいて検出光出力から角速度を求めるようにすること
が望ましい。
きるように、温度を検出するセンサを備え、検出温度に
対応する相関マップを選択し、選択された相関マップに
基づいて検出光出力から角速度を求めるようにすること
が望ましい。
【００１２】また、温度に対する検出精度を一定にする
ために、相関マップが、光出力値を等分割値にするよう
に作成されていることが望ましい。
ために、相関マップが、光出力値を等分割値にするよう
に作成されていることが望ましい。
【００１３】
【作用】ある特定の温度下で作成した相関マップを用い
て、これとは異なる温度下での検出光出力から角速度を
求めようとすると、光学部品の物理的特性のシフトの影
響を受けるため角速度は正しく求められない。
て、これとは異なる温度下での検出光出力から角速度を
求めようとすると、光学部品の物理的特性のシフトの影
響を受けるため角速度は正しく求められない。
【００１４】そこで、温度の異なる相関マップを、その
数は多いほどよいのであるが、少なくとも２個用意す
る。このように相関マップを、異なる温度について２個
以上有していると、検出温度に近い相関マップを選択す
ることが可能となり、その相関マップを利用することに
より、より正しい角速度が求められる。
数は多いほどよいのであるが、少なくとも２個用意す
る。このように相関マップを、異なる温度について２個
以上有していると、検出温度に近い相関マップを選択す
ることが可能となり、その相関マップを利用することに
より、より正しい角速度が求められる。
【００１５】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。
る。
【００１６】図１は、本実施例によるＯＦＧの構成を示
す。半導体レーザ等よりなる光源１１から出た光を、第
１の光方向性結合器１３ａで光ファイバ形の偏光子１５
に結合して直線偏光にし、この直線偏光を第２の光方向
性結合器１３ｂで光ファイバセンシングループ１２への
左右両回りの光に分岐して入射する。光ファイバセンシ
ングループ１２を伝搬して出射した左右両回り光を、第
２の光方向性結合器１３ｂで再び結合して干渉光出力を
得て、偏光子１５を通し、第１の光方向性結合器１３ａ
で位相変調器１７に結合して左右両回り光間に位相△φ
をπ／２だけシフトさせた後、フォトダイオード等から
なる受光器１４にて受光し、その光出力信号を演算処理
する演算回路１６に導く。
す。半導体レーザ等よりなる光源１１から出た光を、第
１の光方向性結合器１３ａで光ファイバ形の偏光子１５
に結合して直線偏光にし、この直線偏光を第２の光方向
性結合器１３ｂで光ファイバセンシングループ１２への
左右両回りの光に分岐して入射する。光ファイバセンシ
ングループ１２を伝搬して出射した左右両回り光を、第
２の光方向性結合器１３ｂで再び結合して干渉光出力を
得て、偏光子１５を通し、第１の光方向性結合器１３ａ
で位相変調器１７に結合して左右両回り光間に位相△φ
をπ／２だけシフトさせた後、フォトダイオード等から
なる受光器１４にて受光し、その光出力信号を演算処理
する演算回路１６に導く。
【００１７】この演算回路１６内のメモリ１８には、光
源１１から光ファイバセンシングループ１２に入射した
左右両回り光間に生じる位相差ｓｉｎΔφに応じた光出
力から角速度を求める相関マップが記憶保持されてい
る。光出力値と角速度の相相関マップは、これを利用し
て検出光出力から角速度を求めるもので、２個以上保持
されている。２個以上の相関マップは異なる温度下で作
成されている。
源１１から光ファイバセンシングループ１２に入射した
左右両回り光間に生じる位相差ｓｉｎΔφに応じた光出
力から角速度を求める相関マップが記憶保持されてい
る。光出力値と角速度の相相関マップは、これを利用し
て検出光出力から角速度を求めるもので、２個以上保持
されている。２個以上の相関マップは異なる温度下で作
成されている。
【００１８】１９はサーミスタ等からなる温度センサ
で、ＯＦＧ内の温度を検出するものである。後述するよ
うに演算回路１６により、検出温度に対応する相関マッ
プが選択され、選択された相関マップに基づいて検出光
出力に対応した角速度が求められる。
で、ＯＦＧ内の温度を検出するものである。後述するよ
うに演算回路１６により、検出温度に対応する相関マッ
プが選択され、選択された相関マップに基づいて検出光
出力に対応した角速度が求められる。
【００１９】図３には、メモリ１８に記憶保持される上
述した相関マップを３個例示してある。ある角速度Ω1
に着目すると、ＯＦＧの温度Ｔがｔ1 →ｔ0 →ｔ2 と変
化するに従い相関マップが変化して、光出力値もＰ11、
Ｐ10、Ｐ12と変化することがわかる。特に、図４は角速
度Ω1 での温度Ｔ（℃）と光出力値Ｐ（Ｖ）の関係を示
す。この図４において、今、温度Ｔ＝ｔx 時での予想さ
れる光出力値Ｐ1xを考える。そうするとＰ1xは次式で表
される。
述した相関マップを３個例示してある。ある角速度Ω1
に着目すると、ＯＦＧの温度Ｔがｔ1 →ｔ0 →ｔ2 と変
化するに従い相関マップが変化して、光出力値もＰ11、
Ｐ10、Ｐ12と変化することがわかる。特に、図４は角速
度Ω1 での温度Ｔ（℃）と光出力値Ｐ（Ｖ）の関係を示
す。この図４において、今、温度Ｔ＝ｔx 時での予想さ
れる光出力値Ｐ1xを考える。そうするとＰ1xは次式で表
される。
【００２０】Ｐ1x＝Ｐ10＋（ｔx −ｔ0 ）×（Ｐ12−Ｐ
10）／（ｔ2 −ｔ0 ） … (4) この式 (4)の意味するところは、次の通りである。先
ず、２個以上の相関マップから、検出温度ｔx が、マッ
プ作成温度間ｔ0 、ｔ2 （ｔ0 ＜ｔx ＜ｔ2 ）に丁度入
るような相隣る２個の相関マップを選択する。すると、
予想される検出光出力Ｐ1xは、各相関マップの光出力値
Ｐ12とＰ10の中間に来るはずであり、その値Ｐ1xは温度
ｔ0 とｔ2の２点間の光出力勾配から近似的に求められ
る、ということである。
10）／（ｔ2 −ｔ0 ） … (4) この式 (4)の意味するところは、次の通りである。先
ず、２個以上の相関マップから、検出温度ｔx が、マッ
プ作成温度間ｔ0 、ｔ2 （ｔ0 ＜ｔx ＜ｔ2 ）に丁度入
るような相隣る２個の相関マップを選択する。すると、
予想される検出光出力Ｐ1xは、各相関マップの光出力値
Ｐ12とＰ10の中間に来るはずであり、その値Ｐ1xは温度
ｔ0 とｔ2の２点間の光出力勾配から近似的に求められ
る、ということである。
【００２１】ところで、式 (4)を変形して、Ｐ10につい
て書き直すと、次式が得られる。
て書き直すと、次式が得られる。
【００２２】Ｐ10＝Ｐ1x−（ｔx −ｔ0 ）×（Ｐ12−Ｐ
10）／（ｔ2 −ｔ0 ） … (5) この式の意味するところは、検出温度ｔx 下での検出光
出力Ｐ1xが分かれば、温度ｔx 下での相関マップが存在
しなくても、その温度ｔx のときの実際の正しい角速度
Ωx は、温度ｔ0 の相関マップを使った時の検出光出力
Ｐ10から求められる角速度に近似できるということであ
る。
10）／（ｔ2 −ｔ0 ） … (5) この式の意味するところは、検出温度ｔx 下での検出光
出力Ｐ1xが分かれば、温度ｔx 下での相関マップが存在
しなくても、その温度ｔx のときの実際の正しい角速度
Ωx は、温度ｔ0 の相関マップを使った時の検出光出力
Ｐ10から求められる角速度に近似できるということであ
る。
【００２３】よって、ＯＦＧ内部に図３に示す様な２個
以上の異なる温度下で作成した相関マップを記憶し、Ｏ
ＦＧ内の温度を温度センサ１９でモニタして、検出光出
力が受光器１４で感知され、その出力が演算回路１６に
入力されると、そのときの検出温度を、中間に含む相関
マップを選択することにより、式 (5)から温度ｔ0 の時
の相関マップに基づいて角速度を近似して導き出すこと
ができる。
以上の異なる温度下で作成した相関マップを記憶し、Ｏ
ＦＧ内の温度を温度センサ１９でモニタして、検出光出
力が受光器１４で感知され、その出力が演算回路１６に
入力されると、そのときの検出温度を、中間に含む相関
マップを選択することにより、式 (5)から温度ｔ0 の時
の相関マップに基づいて角速度を近似して導き出すこと
ができる。
【００２４】なお、上記実施例では相隣る相関マップの
内、低い方の温度ｔ0 の相関マップにおける光出力値Ｐ
10を基準にしたが、高い方の温度ｔ2 の相関マップにお
ける光出力値Ｐ12を基準にすることも可能である。その
場合には、式 (5)式は次のように書き換えられる。
内、低い方の温度ｔ0 の相関マップにおける光出力値Ｐ
10を基準にしたが、高い方の温度ｔ2 の相関マップにお
ける光出力値Ｐ12を基準にすることも可能である。その
場合には、式 (5)式は次のように書き換えられる。
【００２５】Ｐ12＝Ｐ1x＋（ｔx −ｔ0 ）×（Ｐ12−Ｐ
10）／（ｔ2 −ｔ0 ） … (6) 以上述べたように本実施例によれば、ＯＦＧ内温度を検
出するセンサを備え、検出温度に対応する相関マップを
選択し、選択された相関マップに基づいて検出光出力か
ら角速度を求めるようにしたので、温度によらず常に高
精度の回転角速度を得ることができ、従って、低温ある
いは高温でもＯＦＧの精度は低下せず、広い温度範囲に
亘って安定した角速度測定ができる。その結果、ＯＦＧ
の応用範囲も広がり、高い信頼性を得ることができる。
10）／（ｔ2 −ｔ0 ） … (6) 以上述べたように本実施例によれば、ＯＦＧ内温度を検
出するセンサを備え、検出温度に対応する相関マップを
選択し、選択された相関マップに基づいて検出光出力か
ら角速度を求めるようにしたので、温度によらず常に高
精度の回転角速度を得ることができ、従って、低温ある
いは高温でもＯＦＧの精度は低下せず、広い温度範囲に
亘って安定した角速度測定ができる。その結果、ＯＦＧ
の応用範囲も広がり、高い信頼性を得ることができる。
【００２６】この場合において、特に、相関マップを光
出力値が等分割値になるように作成すると、検出値に対
して等しい近似が行なえるので一層精度が向上する。
出力値が等分割値になるように作成すると、検出値に対
して等しい近似が行なえるので一層精度が向上する。
【００２７】
【発明の効果】本発明によれば、２個以上の異なる温度
での相関マップを作成することで、光出力値を温度補正
することが可能となり、温度に対して正確な回転角速度
を求めることができる。
での相関マップを作成することで、光出力値を温度補正
することが可能となり、温度に対して正確な回転角速度
を求めることができる。
【図１】本発明のＯＦＧの実施例を示す構成図。
【図２】位相バイアス法による回転角速度と光出力値の
相関マップ図。
相関マップ図。
【図３】本実施例によるＯＦＧ中に記憶される温度の異
なる複数の相関マップ図。
なる複数の相関マップ図。
【図４】本実施例による温度と光出力値の関係特性図。
１１ 光源 １２ 光ファイバセンシングループ １３ａ，１３ｂ 光方向性結合器 １４ 受光器 １５ 偏光子 １６ 演算回路 １７ 位相変調器 １８ メモリ １９ 温度センサ
Claims (3)
- 【請求項１】光源から円形の光ファイバ光路に入射した
左右両回り光間に生じる位相差に応じた光出力から回転
角速度を求めるセンサであって、予め回転角速度に対応
する光出力値を相関マップとして記憶し、この記憶マッ
プに基づいて検出光出力に対応した角速度を求める光フ
ァイバ回転角速度センサにおいて、前記相関マップを異
なる温度について２個以上有していることを特徴とする
光ファイバ回転角速度センサ。 - 【請求項２】温度を検出するセンサを備え、検出温度に
対応する相関マップを選択し、選択された相関マップに
基づいて検出光出力に対応した角速度を求めるようにし
たことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ回転角
速度センサ。 - 【請求項３】前記相関マップが光出力値を等分割値にす
るように作成されていることを特徴とする請求項１また
は２に記載の光ファイバ回転角速度センサ。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3109308A JP2697357B2 (ja) | 1991-05-14 | 1991-05-14 | 光ファイバ回転角速度センサ |
| US07/845,030 US5272516A (en) | 1991-05-14 | 1992-03-03 | Fiber optic rotation sensor including a temperature sensor and logic circuit storing at least two correlation maps |
| GB9205053A GB2255821B (en) | 1991-05-14 | 1992-03-09 | Fiber optic rotation sensor |
| CA002063356A CA2063356C (en) | 1991-05-14 | 1992-03-18 | Fiber optic rotation sensor |
| DE4215126A DE4215126A1 (de) | 1991-05-14 | 1992-05-08 | Faseroptischer rotationssensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3109308A JP2697357B2 (ja) | 1991-05-14 | 1991-05-14 | 光ファイバ回転角速度センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04337417A JPH04337417A (ja) | 1992-11-25 |
| JP2697357B2 true JP2697357B2 (ja) | 1998-01-14 |
Family
ID=14506912
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3109308A Expired - Lifetime JP2697357B2 (ja) | 1991-05-14 | 1991-05-14 | 光ファイバ回転角速度センサ |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5272516A (ja) |
| JP (1) | JP2697357B2 (ja) |
| CA (1) | CA2063356C (ja) |
| DE (1) | DE4215126A1 (ja) |
| GB (1) | GB2255821B (ja) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2818329B2 (ja) * | 1991-11-29 | 1998-10-30 | 日立電線株式会社 | 光ファイバジャイロ |
| US5410515A (en) * | 1993-04-29 | 1995-04-25 | Honeywell Inc. | Rapid turn-on source for fiber optic gyroscope |
| JPH0783672A (ja) * | 1993-09-13 | 1995-03-28 | Hitachi Cable Ltd | 光ファイバジャイロ |
| US5850286A (en) * | 1997-05-12 | 1998-12-15 | Litton Systems, Inc. | Fiber optic gyro with optical intensity spike suppression |
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