JPH0470562B2 - - Google Patents
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- JPH0470562B2 JPH0470562B2 JP25068086A JP25068086A JPH0470562B2 JP H0470562 B2 JPH0470562 B2 JP H0470562B2 JP 25068086 A JP25068086 A JP 25068086A JP 25068086 A JP25068086 A JP 25068086A JP H0470562 B2 JPH0470562 B2 JP H0470562B2
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Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
産業上の利用分野
本発明は、位相変調方式光フアイバジヤイロに
関するものであり、更に詳述するならば、その位
相変調方式光フアイバジヤイロの信号検出回路に
関するものである。
関するものであり、更に詳述するならば、その位
相変調方式光フアイバジヤイロの信号検出回路に
関するものである。
従来の技術
現在、ジヤイロが様々な分野で利用され、特
に、航空機、飛翔体、自動車などの移動体のナビ
ゲーシヨンや姿勢制御のための角速度センサとし
て活用されている。このジヤイロを使用すれば、
角速度だけでなく、それを積分することにより方
位などのデータも得ることができる。
に、航空機、飛翔体、自動車などの移動体のナビ
ゲーシヨンや姿勢制御のための角速度センサとし
て活用されている。このジヤイロを使用すれば、
角速度だけでなく、それを積分することにより方
位などのデータも得ることができる。
そのようなジヤイロの中で、光フアイバジヤイ
ロは、光及びその光が伝搬する光フアイバが磁界
や電界の影響を受け難いため、シールドの問題な
くどのような環境でも使用でき、また、可動部が
全くなく且つ小型化が可能であり、更に、最小検
出可能角速度（感度）、ドリフト、可測範囲（ダ
イナミツクレンジ）、スケールフアクタの安定性
の点において、従来のジヤイロに比較して優れて
いるために、近年注目され開発されている。
ロは、光及びその光が伝搬する光フアイバが磁界
や電界の影響を受け難いため、シールドの問題な
くどのような環境でも使用でき、また、可動部が
全くなく且つ小型化が可能であり、更に、最小検
出可能角速度（感度）、ドリフト、可測範囲（ダ
イナミツクレンジ）、スケールフアクタの安定性
の点において、従来のジヤイロに比較して優れて
いるために、近年注目され開発されている。
そのような光フアイバジヤイロの例は、例え
ば、ギヤロレンジ テー．ジー．、ブカロ ジエ
ー．エー．他『光フアイバセンサ技術』アイ イ
ー イー イージヤーナル オブ カンタム エ
レクトロニクス（Giallorenzi T.G.，Bucaro J.
A.et al“Optical Fiber Sensor Technology”，
IEEE J.of Quantum Electronics）QE−18，No.
４，pp626−662（1982）やクラシヨウ及びアイ．
ピー．ギレス『光フアイバジヤイロスコープ』ジ
ヤーナル オブ フイジクス エレクトロニクス
サイエンス インストルメント（Culshaw
and I.P.Giles“Fiber Optic Gyroscopes”J.
Phys.E：Sci Instrum.）16 pp5−15，（1983）
や、坪川、大塚「光フアイバジヤイロスコープ」
レーザ研究，11，No.．12，pp889−902（1983）な
どに詳しく示されている。
ば、ギヤロレンジ テー．ジー．、ブカロ ジエ
ー．エー．他『光フアイバセンサ技術』アイ イ
ー イー イージヤーナル オブ カンタム エ
レクトロニクス（Giallorenzi T.G.，Bucaro J.
A.et al“Optical Fiber Sensor Technology”，
IEEE J.of Quantum Electronics）QE−18，No.
４，pp626−662（1982）やクラシヨウ及びアイ．
ピー．ギレス『光フアイバジヤイロスコープ』ジ
ヤーナル オブ フイジクス エレクトロニクス
サイエンス インストルメント（Culshaw
and I.P.Giles“Fiber Optic Gyroscopes”J.
Phys.E：Sci Instrum.）16 pp5−15，（1983）
や、坪川、大塚「光フアイバジヤイロスコープ」
レーザ研究，11，No.．12，pp889−902（1983）な
どに詳しく示されている。
(a) 光フアイバジヤイロの原理
ここで、光フアイバジヤイロの原理を第２図
を参照して説明する。
を参照して説明する。
発光素子１０からの光をビームスプリツタ１
２により分割して、コイル状に多数回シングル
モード光フアイバ１８を巻回した光フアイバル
ープすなわちセンサコイル２０の両端に入力し
て、センサコイル２０に右回り（CW）と左回
り（CCW）に光を伝搬させる。そのとき、セ
ンサコイル２０が角速度Ωで回転していると、
右回り光、左回り光に位相差Δθが生じ、Δθを
測定することによつて角速度Ωを検出するもの
である。
２により分割して、コイル状に多数回シングル
モード光フアイバ１８を巻回した光フアイバル
ープすなわちセンサコイル２０の両端に入力し
て、センサコイル２０に右回り（CW）と左回
り（CCW）に光を伝搬させる。そのとき、セ
ンサコイル２０が角速度Ωで回転していると、
右回り光、左回り光に位相差Δθが生じ、Δθを
測定することによつて角速度Ωを検出するもの
である。
センサコイル２０の中を右回りに伝搬した光
及び左回り伝搬した光の電界の強さEcw、Eccw
は、次のように表される。
及び左回り伝搬した光の電界の強さEcw、Eccw
は、次のように表される。
Ecw＝Ersin（ωt＋Δθ／２）
Eccw＝Elsin（ωt−Δθ／２）
但し、
Er、El：左回り光及び右回り光の振幅
ω：光の角周波数
ｔ：時間
Δθ：サニヤツク効果による位相差
そのように位相差Δθが生じた左回り光と右回
り光とをビームスプリツタ１２で合成して、受
光素子２６に入射する。その受光素子２６の検
出強度から、位相差Δθを知ることができる。
その位相差Δθは、次のように表すことができ
る。
り光とをビームスプリツタ１２で合成して、受
光素子２６に入射する。その受光素子２６の検
出強度から、位相差Δθを知ることができる。
その位相差Δθは、次のように表すことができ
る。
Δθ＝4πLa／cλΩ ……(1)
但し、
Ｌ：センサコイルのフアイバ長
ａ：センサコイルの半径
ｃ：真空中の光速度
λ：光の波長
Ω：回転角速度
これをサニヤツク効果という。
位相差Δθの検出方法には多様なものがあり、
様々なものが提案されている。
様々なものが提案されている。
最も簡単に、左回り光、右回り光の和を、受
光素子で二乗検波すると、出力Ｉは、 Ｉ∝｛１＋cos（Δθ）｝ ……(2) という形になる。
光素子で二乗検波すると、出力Ｉは、 Ｉ∝｛１＋cos（Δθ）｝ ……(2) という形になる。
これはcosの中にΔθがあるので、Δθが０に
近い時の感度が悪いという欠点がある。
近い時の感度が悪いという欠点がある。
そこで、左回り、右回りの光のいずれかの位
相を90°ずらして、二乗検波するという光学機
構が提案されている。この場合、出力Ｉは、 Ｉ∝｛１＋sin（Δθ）｝ ……(3) の形になるから、Δθが０に近い時の感度が良
い。
相を90°ずらして、二乗検波するという光学機
構が提案されている。この場合、出力Ｉは、 Ｉ∝｛１＋sin（Δθ）｝ ……(3) の形になるから、Δθが０に近い時の感度が良
い。
しかし、いずれか一方の光を分離するために
は、光路を分離するための新たなビームスプリ
ツタが３つ必要になる。また、分離された光路
の長さを常に等しくしておかなければならな
い。
は、光路を分離するための新たなビームスプリ
ツタが３つ必要になる。また、分離された光路
の長さを常に等しくしておかなければならな
い。
Δθが０に近い時の感度の改善を、上述した
ように静的な光学的な検出機構によつて行うに
は、上記のような難点がある。
ように静的な光学的な検出機構によつて行うに
は、上記のような難点がある。
(b) 位相変調方式光フアイバジヤイロ
そこで、動的な機構によつて、Δθを検出し
ようとする光フアイバジヤイロも多く提案され
ている。例えば、位相変調方式、周波数変調方
式などである。その中で、最小検出可能角速度
などの点で最も優れているものが、位相変調方
式光フアイバジヤイロである。
ようとする光フアイバジヤイロも多く提案され
ている。例えば、位相変調方式、周波数変調方
式などである。その中で、最小検出可能角速度
などの点で最も優れているものが、位相変調方
式光フアイバジヤイロである。
位相変調方式光フアイバジヤイロは、光フア
イバのセンサコイルの一方の端に、位相変調器
を設け、変調信号の大きさを測定することによ
り位相差Δθを求める方式である。
イバのセンサコイルの一方の端に、位相変調器
を設け、変調信号の大きさを測定することによ
り位相差Δθを求める方式である。
その位相変調方式光フアイバジヤイロについ
て第３図を参照して説明する。
て第３図を参照して説明する。
発光素子１０からの可干渉光は、ビームスプ
リツタ１２により２つに分けられ、光フアイバ
１８の両端に結合される。その光フアイバ１８
は、センサコイル２０を構成するように巻回さ
れた部分と、角周波数ωnで駆動されるピエゾ
素子のような位相変調器２４に巻き付けられた
光フアイバの位相変調部とに分けられている。
そして、光フアイバの両端から結合された光
は、それぞれ、光フアイバのセンサコイル２０
内を右回りと左回りに伝搬し、反対側の端部よ
り出射し、ビームスプリツタ１２により合成さ
れて受光素子２６に入射する。
リツタ１２により２つに分けられ、光フアイバ
１８の両端に結合される。その光フアイバ１８
は、センサコイル２０を構成するように巻回さ
れた部分と、角周波数ωnで駆動されるピエゾ
素子のような位相変調器２４に巻き付けられた
光フアイバの位相変調部とに分けられている。
そして、光フアイバの両端から結合された光
は、それぞれ、光フアイバのセンサコイル２０
内を右回りと左回りに伝搬し、反対側の端部よ
り出射し、ビームスプリツタ１２により合成さ
れて受光素子２６に入射する。
位相変調器をセンサコイルに対して非対称な
位置に設けると、同時に発光素子を出た光が、
右回り、左回りに分けられてセンサコイルと位
相変調器巻回部とを通過するが、変調の時刻が
異なるので、受光素子で出力を二乗検波した
時、変調信号が出力に現われる。変調信号の振
幅にΔθが含まれるから、変調信号の大きさを
知つてΔθを求めることができる。
位置に設けると、同時に発光素子を出た光が、
右回り、左回りに分けられてセンサコイルと位
相変調器巻回部とを通過するが、変調の時刻が
異なるので、受光素子で出力を二乗検波した
時、変調信号が出力に現われる。変調信号の振
幅にΔθが含まれるから、変調信号の大きさを
知つてΔθを求めることができる。
例えば、位相変調器を左回り光の入射端の近
傍に設けたとする。光フアイバのセンサコイル
の長さがＬ、フアイバコアの屈折率をｎ、光速
をｃとすると、光がセンサコイルを通過するに
要する時間τは τ＝nL／ｃ ……(4) である。
傍に設けたとする。光フアイバのセンサコイル
の長さがＬ、フアイバコアの屈折率をｎ、光速
をｃとすると、光がセンサコイルを通過するに
要する時間τは τ＝nL／ｃ ……(4) である。
変調信号が、上記したように、角周波数ωn
の正弦波であるとする。同時に発光素子を出た
光が、右回り光、左回り光に分かれ、それぞれ
位相変調を受ける時の、変調信号の位相差φ
は、 φ＝ωnτ ＝nLωn／ｃ ＝2πfnnL／ｃ ……(5) 但し、 ωn＝2πfn となる。
の正弦波であるとする。同時に発光素子を出た
光が、右回り光、左回り光に分かれ、それぞれ
位相変調を受ける時の、変調信号の位相差φ
は、 φ＝ωnτ ＝nLωn／ｃ ＝2πfnnL／ｃ ……(5) 但し、 ωn＝2πfn となる。
サニヤツク効果により、右回り光、左回り光
は、±Δθ／２の位相差を持つが、位相変調器に
よつて、位相がさらに変調される。位相変調器
の振幅をｂとすると、右回り光、左回り光の電
界の強さEcw、Eccwは、 Ecw＝Ersin｛ωt＋Δθ／２＋bsin（ωnｔ＋φ／２）｝
……(6) Eccw＝Elsin｛ωt＋Δθ／２＋bsin（ωnｔ−φ／２）
｝……(7) となる。
は、±Δθ／２の位相差を持つが、位相変調器に
よつて、位相がさらに変調される。位相変調器
の振幅をｂとすると、右回り光、左回り光の電
界の強さEcw、Eccwは、 Ecw＝Ersin｛ωt＋Δθ／２＋bsin（ωnｔ＋φ／２）｝
……(6) Eccw＝Elsin｛ωt＋Δθ／２＋bsin（ωnｔ−φ／２）
｝……(7) となる。
以上のような電界強度を有する右回り光、左
回り光は、ビームスプリツタ１２で合成されて
受光素子２６によつて二乗検波されるので、受
光素子の出力Ｓ（Δθ，ｔ）はEcwとEccwの和を
二乗したものに比例する。
回り光は、ビームスプリツタ１２で合成されて
受光素子２６によつて二乗検波されるので、受
光素子の出力Ｓ（Δθ，ｔ）はEcwとEccwの和を
二乗したものに比例する。
Ｓ（Δθ，ｔ）＝｛Ecw＋Eccw｝2 ……(8)
これを計算すると、
Ｓ（Δθ，ｔ）＝ErElcos｛Δθ＋2bsin（φ／２）cos
ωnｔ｝＋D.C.＋｛2ω以上｝……(9) 但し、D.C.は直流成分を意味する。
ωnｔ｝＋D.C.＋｛2ω以上｝……(9) 但し、D.C.は直流成分を意味する。
｛2ω以上｝は、光の角振動数の２倍の振動
数の項という意味である。なお、これは検出器
にはかからないので０である。
数の項という意味である。なお、これは検出器
にはかからないので０である。
となる。かくして、位相変調器によりもたらさ
れる位相差φがあるので、Δθを、変調信号の
振幅に関係づけて得ることができる。
れる位相差φがあるので、Δθを、変調信号の
振幅に関係づけて得ることができる。
そこで、D.C.を省略して、Ｓ（Δθ，ｔ）をベ
ツセル函数を使つて級数展開する。まず、(9)式
は次のように表される。
ツセル函数を使つて級数展開する。まず、(9)式
は次のように表される。
Ｓ（Δθ，ｔ）＝ErE〓｛cosΔθcos〔2bsin（φ／２co
sωnｔ〕−sinΔθsin〔2bsin（φ／２cosωnｔ〕｝…
…(10) 一方、ベツセル函数の母函数回転から、 ex/2(t-1/t)＝∞ 〓n=-∞ Jo（ｘ）tn ……（11） である。ｔ＝ei〓と置くと、 eixsin〓＝∞ 〓n=-∞ Jo（ｘ）eni〓 ……（12） と表すことができる。（12）式の実数部、虚数
部の展開から、(10)式のcos、sinの部分の級数展
開を得ることができる。Ｓ（Δθ，ｔ）を、これ
らの部分に分けて、 Ｓ（Δθ，ｔ）＝（SccosΔθ＋SssinΔθ）ErEl……（
13） と書くと、θ→θ＋π/2の変換をした後、 J-o（ｘ）＝（−）nJo（ｘ） ……（14） 但し、ｎは正の整数 という性質を使つて、 ξ＝2bsinφ／２ ……(15) とおいて、上記ScとSsを書くと、 Sc＝J0（ξ）＋２∞ 〓n=1 （−）nJ2o（ξ）cos2nωnｔ ……（16） SS＝２∞ 〓n=0 （−）nJ2o+1（ξ）cos（2n＋１）ωnｔ ……（17） となる。そこで、再び、Ｓ（Δθ，ｔ）を表すと次
の如くである。
sωnｔ〕−sinΔθsin〔2bsin（φ／２cosωnｔ〕｝…
…(10) 一方、ベツセル函数の母函数回転から、 ex/2(t-1/t)＝∞ 〓n=-∞ Jo（ｘ）tn ……（11） である。ｔ＝ei〓と置くと、 eixsin〓＝∞ 〓n=-∞ Jo（ｘ）eni〓 ……（12） と表すことができる。（12）式の実数部、虚数
部の展開から、(10)式のcos、sinの部分の級数展
開を得ることができる。Ｓ（Δθ，ｔ）を、これ
らの部分に分けて、 Ｓ（Δθ，ｔ）＝（SccosΔθ＋SssinΔθ）ErEl……（
13） と書くと、θ→θ＋π/2の変換をした後、 J-o（ｘ）＝（−）nJo（ｘ） ……（14） 但し、ｎは正の整数 という性質を使つて、 ξ＝2bsinφ／２ ……(15) とおいて、上記ScとSsを書くと、 Sc＝J0（ξ）＋２∞ 〓n=1 （−）nJ2o（ξ）cos2nωnｔ ……（16） SS＝２∞ 〓n=0 （−）nJ2o+1（ξ）cos（2n＋１）ωnｔ ……（17） となる。そこで、再び、Ｓ（Δθ，ｔ）を表すと次
の如くである。
Ｓ（Δθ，ｔ）＝１／２（Er 2El 2）＋（2ωt以上の
成分）＋ErElJ0（ξ）cosΔθ ＋ErEl２∞ 〓n=1 （−１）nJ2o（ξ）cos2nωnｔ・cosΔθ ＋ErEl２∞ 〓 〓n=1 （−１）nJ2o+1（ξ）cos（2n＋１）ωnｔ・sinΔθ
……(10)ａ ＝DC成分＋2ErElJ1（ξ）cosωnｔ・sinΔθ−2ErElJ2
（ξ）cos2ωnｔ・cosΔθ＋高次成分……(10)ｂ これは、変調信号ωnの基本波と、高周波信号
の級数和である。
成分）＋ErElJ0（ξ）cosΔθ ＋ErEl２∞ 〓n=1 （−１）nJ2o（ξ）cos2nωnｔ・cosΔθ ＋ErEl２∞ 〓 〓n=1 （−１）nJ2o+1（ξ）cos（2n＋１）ωnｔ・sinΔθ
……(10)ａ ＝DC成分＋2ErElJ1（ξ）cosωnｔ・sinΔθ−2ErElJ2
（ξ）cos2ωnｔ・cosΔθ＋高次成分……(10)ｂ これは、変調信号ωnの基本波と、高周波信号
の級数和である。
適当なフイルタを使えば、基本波ωn又は任
意の次数の高調波の信号を取り出すことができ
る。どの信号を採用しても、cosΔθ又はsinΔθ
の大きさを知ることができる。
意の次数の高調波の信号を取り出すことができ
る。どの信号を採用しても、cosΔθ又はsinΔθ
の大きさを知ることができる。
その場合、その次数のベツセル函数Jo（ξ）
の値が大きくなるよう、位相変調器による変調
の振幅ｂ、変調角周波数ωn、センサコイル通
過時間τを設定すべきである。
の値が大きくなるよう、位相変調器による変調
の振幅ｂ、変調角周波数ωn、センサコイル通
過時間τを設定すべきである。
最も高感度が期待できるのは、（17）式の１
次の項（ｎ＝０）すなわち(10)ｂ式の右辺第２項
である。これは、基本波成分である。この基本
波成分をＰ（Δθ，ｔ）とすると、 Ｐ（Δθ，ｔ）＝2ErElJ1（ξ）cosωnｔ・sinΔθ……
（18） である。かくして、sinΔθに比例した出力がえ
られ、基本波成分の振幅を求めて、Δθを知る
ことができる。
次の項（ｎ＝０）すなわち(10)ｂ式の右辺第２項
である。これは、基本波成分である。この基本
波成分をＰ（Δθ，ｔ）とすると、 Ｐ（Δθ，ｔ）＝2ErElJ1（ξ）cosωnｔ・sinΔθ……
（18） である。かくして、sinΔθに比例した出力がえ
られ、基本波成分の振幅を求めて、Δθを知る
ことができる。
なお、J1（ξ）を最大にすると感度が良くな
るので、ξ＝1.8に設定する。このとき、直流
成分J0（ξ）はほぼ０である。
るので、ξ＝1.8に設定する。このとき、直流
成分J0（ξ）はほぼ０である。
以上が位相変調方式の光フアイバジヤイロの
基本構成である。
基本構成である。
受光素子の出力として、式(10)ａで表わされる
ように、位相変調角周波数ωnの成分とその高
調波成分が得られる。ωnの偶数倍高調波成分
は、cosΔθに比例する振幅を有し、ジヤイロが
回転していないとき、すなわちΔθ＝０のとき
最大となる。一方、ωnおよびこの奇数倍高調
波成分の振幅はsinΔθに比例し、Δθ＝０のとき
は０である。このためΔθが小さい領域ではωn
成分またはその奇数倍高調波成分の振幅をとり
出せば、回転角速度に比例した出力が得られ
る。通常はωn成分をとり出し、同期検波によ
りこのωn成分の振幅をジヤイロの回転方向を
表わす符号をも含めて検出する。
ように、位相変調角周波数ωnの成分とその高
調波成分が得られる。ωnの偶数倍高調波成分
は、cosΔθに比例する振幅を有し、ジヤイロが
回転していないとき、すなわちΔθ＝０のとき
最大となる。一方、ωnおよびこの奇数倍高調
波成分の振幅はsinΔθに比例し、Δθ＝０のとき
は０である。このためΔθが小さい領域ではωn
成分またはその奇数倍高調波成分の振幅をとり
出せば、回転角速度に比例した出力が得られ
る。通常はωn成分をとり出し、同期検波によ
りこのωn成分の振幅をジヤイロの回転方向を
表わす符号をも含めて検出する。
第４図は、従来の位相変調方式光フアイバジ
ヤイロの信号検出回路の構成を示す概略図であ
る。
ヤイロの信号検出回路の構成を示す概略図であ
る。
図示の回路においては、受光素子２６のから
出力される受光信号は、増幅器３２で増幅され
て、同期検波器３４に入力される。一方、位相
変調器を所与の位相変調周波数で駆動する駆動
回路２２の出力は、位相調整回路３０の入力に
接続され、その位相調整回路３０の出力は、参
照信号として同期検波器３４に供給される。位
相調整回路３０、増幅器３２及び同期検波器３
４が、信号検出回路２８を構成する。
出力される受光信号は、増幅器３２で増幅され
て、同期検波器３４に入力される。一方、位相
変調器を所与の位相変調周波数で駆動する駆動
回路２２の出力は、位相調整回路３０の入力に
接続され、その位相調整回路３０の出力は、参
照信号として同期検波器３４に供給される。位
相調整回路３０、増幅器３２及び同期検波器３
４が、信号検出回路２８を構成する。
以上のように構成される信号検出回路は、次
のように動作する。
のように動作する。
受光素子２６が出力する受光信号は、増幅器
２６において増幅された後、同期検波器３４に
入力される。位相変調器波数駆動回路２２が出
力する位相変調器を励振する周波数の信号は、
位相調整回路３０に入力されて上記受光信号と
の位相のずれが補正される。位相のずれが補正
された信号は、参照信号として同期検波器３４
に入力される。同期検波器３４は、受光信号を
参照信号の角周波数で同期検波する。
２６において増幅された後、同期検波器３４に
入力される。位相変調器波数駆動回路２２が出
力する位相変調器を励振する周波数の信号は、
位相調整回路３０に入力されて上記受光信号と
の位相のずれが補正される。位相のずれが補正
された信号は、参照信号として同期検波器３４
に入力される。同期検波器３４は、受光信号を
参照信号の角周波数で同期検波する。
このように、従来は、位相変調器を励振する
信号から同期検波のための参照信号を得てい
た。このとき、位相変調器での電気−機械変換
時の位相変化等不確定な位相変化があるため、
式(10)ａで表わされるωn成分の位相は一般には
確定しない。同期検波時に、受光信号と参照信
号の位相がψだけずれていると、出力は式
（18）の右辺にcosψを掛けた値となる。最大の
出力を得るためには、上記位相のずれを補正す
る位相調整回路３０を設ける必要があつた。
信号から同期検波のための参照信号を得てい
た。このとき、位相変調器での電気−機械変換
時の位相変化等不確定な位相変化があるため、
式(10)ａで表わされるωn成分の位相は一般には
確定しない。同期検波時に、受光信号と参照信
号の位相がψだけずれていると、出力は式
（18）の右辺にcosψを掛けた値となる。最大の
出力を得るためには、上記位相のずれを補正す
る位相調整回路３０を設ける必要があつた。
発明が解決しようとする問題点
上記したように、従来の位相変調方式光フアイ
バジヤイロの信号検出回路は位相調整回路を備え
ていたが、位相調整回路自体の位相調整精度が、
ジヤイロの角速度検出精度に影響するという問題
があつた。また、通常、位相調整回路による位相
調整は一度しか行われず調整後固定される。しか
し、位相変調器の温度特性等によつて、使用状態
において電気−機械変換時の位相変化等に変動が
生じる。その結果、ジヤイロの角速度検出精度に
影響するという問題があつた。更に、位相調整の
作業は、個々の位相変調方式光フアイバジヤイロ
ごとに、具体的には位相変調器ごとに、実施しな
ければならないので、非常に煩雑であつた。
バジヤイロの信号検出回路は位相調整回路を備え
ていたが、位相調整回路自体の位相調整精度が、
ジヤイロの角速度検出精度に影響するという問題
があつた。また、通常、位相調整回路による位相
調整は一度しか行われず調整後固定される。しか
し、位相変調器の温度特性等によつて、使用状態
において電気−機械変換時の位相変化等に変動が
生じる。その結果、ジヤイロの角速度検出精度に
影響するという問題があつた。更に、位相調整の
作業は、個々の位相変調方式光フアイバジヤイロ
ごとに、具体的には位相変調器ごとに、実施しな
ければならないので、非常に煩雑であつた。
そこで、本発明は、温度特性等による電気−機
械変換時の位相変化等の変動を効果的に補償でき
ると共に、位相変調器ごとの調整を必要としな
い、位相変調方式光フアイバジヤイロの信号検出
回路を提供せんとするものである。
械変換時の位相変化等の変動を効果的に補償でき
ると共に、位相変調器ごとの調整を必要としな
い、位相変調方式光フアイバジヤイロの信号検出
回路を提供せんとするものである。
問題点を解決するための手段
すなわち、本発明によるならば、発光素子と、
多数回コイル状に巻回されたセンサコイル部分を
含み且つ前記発光素子からの光が分岐されて両端
に結合され該センサコイルを両方向に伝搬した光
を両端から出力する光フアイバと、該光フアイバ
の一方の端付近に設けられて光フアイバを伝搬す
る光の位相を変調する位相変調器と、前記光フア
イバを伝搬した両回り光を受ける受光素子と、該
受光素子の出力を前記位相変調器と位相変調周波
数の参照信号で同期検波する同期検波器とを具備
し、前記センサコイルが回転したときに生ずる両
回り光間の位相差から回転角速度を測定する位相
変調方式光フアイバジヤイロにおいて、第１図に
示すように、前記受光素子２６の出力を受けて前
記位相変調周波数と等しい周波数成分を取り出し
て前記同期検波器３４に前記参照信号として出力
する参照信号抽出回路３５を更に具備する。
多数回コイル状に巻回されたセンサコイル部分を
含み且つ前記発光素子からの光が分岐されて両端
に結合され該センサコイルを両方向に伝搬した光
を両端から出力する光フアイバと、該光フアイバ
の一方の端付近に設けられて光フアイバを伝搬す
る光の位相を変調する位相変調器と、前記光フア
イバを伝搬した両回り光を受ける受光素子と、該
受光素子の出力を前記位相変調器と位相変調周波
数の参照信号で同期検波する同期検波器とを具備
し、前記センサコイルが回転したときに生ずる両
回り光間の位相差から回転角速度を測定する位相
変調方式光フアイバジヤイロにおいて、第１図に
示すように、前記受光素子２６の出力を受けて前
記位相変調周波数と等しい周波数成分を取り出し
て前記同期検波器３４に前記参照信号として出力
する参照信号抽出回路３５を更に具備する。
作 用
以上のように構成される信号検出回路は、次の
ように動作する。
ように動作する。
位相変調器の位相変調周波数をωnとすると、
参照信号抽出回路３５は、受光素子２６から出力
される受光信号から、周波数ωnの成分またはそ
の高調波成分を検出し、高調波成分の場合には更
に分周して周波数ωnの成分を抽出して、参照信
号として同期検波器３４に出力する。従つて、そ
の参照信号は、温度特性等による電気−機械変換
時の位相変化等の変動を受けた信号であり、同期
検波器に入力される受光信号の周波数ωnの位相
と同相である。従つて、その受光信号を上記した
参照信号で同期検波すれば、温度特性等による電
気−機械変換時の位相変化等の変動を受けずに、
最大の出力を得ることができる。
参照信号抽出回路３５は、受光素子２６から出力
される受光信号から、周波数ωnの成分またはそ
の高調波成分を検出し、高調波成分の場合には更
に分周して周波数ωnの成分を抽出して、参照信
号として同期検波器３４に出力する。従つて、そ
の参照信号は、温度特性等による電気−機械変換
時の位相変化等の変動を受けた信号であり、同期
検波器に入力される受光信号の周波数ωnの位相
と同相である。従つて、その受光信号を上記した
参照信号で同期検波すれば、温度特性等による電
気−機械変換時の位相変化等の変動を受けずに、
最大の出力を得ることができる。
受光素子の出力信号は、式(10)ａのように表わさ
れる。通常はωn成分の係数J1（ξ）が最大になる
ように、ξ＝1.8付近に変調度が設定される。こ
のとき、J1（ξ）≒0.58となる。一方2ωn成分の振
幅はJ2（ξ）に比例し、J2（ξ）≒0.31である。こ
のため、0.58sinΔθ＜0.31cosΔθ、すなわち0°＜Δ
θ
＜28°の領域では、受光素子の出力のうち2ωn成
分がωn成分よりも大きい。
れる。通常はωn成分の係数J1（ξ）が最大になる
ように、ξ＝1.8付近に変調度が設定される。こ
のとき、J1（ξ）≒0.58となる。一方2ωn成分の振
幅はJ2（ξ）に比例し、J2（ξ）≒0.31である。こ
のため、0.58sinΔθ＜0.31cosΔθ、すなわち0°＜Δ
θ
＜28°の領域では、受光素子の出力のうち2ωn成
分がωn成分よりも大きい。
一般に、位相変調方式光フアイバジヤイロは、
sinΔθ≒Δθと近似できる領域に限定した回転角速
度の検出に使用される。Δθ＝28°のとき、sinΔθ
でΔθを近似すると約４％の誤差が生じるため、
通常はΔθが28°を超えるような検出には適用しな
い。
sinΔθ≒Δθと近似できる領域に限定した回転角速
度の検出に使用される。Δθ＝28°のとき、sinΔθ
でΔθを近似すると約４％の誤差が生じるため、
通常はΔθが28°を超えるような検出には適用しな
い。
また、Δθが28°を超えるような検出を行う場合
にも、フイルタによつて2ωn成分をωn成分より
大きくすることは容易である。
にも、フイルタによつて2ωn成分をωn成分より
大きくすることは容易である。
そこで、参照信号抽出回路は、このように成分
が最も大きい2ωn成分の信号を取り出し、閾値が
2ωn成分の振幅よりも低い分周器で分周してωn
成分を得るように構成することが好ましい。この
ωn成分を周期検波時の参照信号に使用する。
が最も大きい2ωn成分の信号を取り出し、閾値が
2ωn成分の振幅よりも低い分周器で分周してωn
成分を得るように構成することが好ましい。この
ωn成分を周期検波時の参照信号に使用する。
実施例
以下添付図面を参照して本発明による位相変調
方式光フアイバジヤイロの信号検出回路の実施例
を説明する。
方式光フアイバジヤイロの信号検出回路の実施例
を説明する。
第５図は、本発明の信号検出回路を用いた位相
変調方式光フアイバジヤイロの１実施例の構成を
示した図である。この位相変調方式光フアイバジ
ヤイロは、光フアイバジヤイロの基本的条件を備
えた最小構成を成している。なお、最小構成につ
いては、イゼキール エス．及びアーデイテイエ
イチ．ジエー．『光フアイバ回転センサ』スプリ
ンガー−フエアラーク ベルリン（Ezekil S.and
Arditty H.J.“Fiber Optic Rotation Sensors”，
Springer−Verlag Berlin.）1982に詳しい説明が
ある。
変調方式光フアイバジヤイロの１実施例の構成を
示した図である。この位相変調方式光フアイバジ
ヤイロは、光フアイバジヤイロの基本的条件を備
えた最小構成を成している。なお、最小構成につ
いては、イゼキール エス．及びアーデイテイエ
イチ．ジエー．『光フアイバ回転センサ』スプリ
ンガー−フエアラーク ベルリン（Ezekil S.and
Arditty H.J.“Fiber Optic Rotation Sensors”，
Springer−Verlag Berlin.）1982に詳しい説明が
ある。
図示の位相変調方式光フアイバジヤイロにおい
ては、発光素子１０のような光源が設けられ、電
源（不図示）により駆動されて、光ビームを発生
する。なお、光源としては、He−Neレーザ、半
導体レーザ、スーパールミネツセントダイオード
などが使用できる。その発光素子１０が発生する
光ビームは、直列に並んだハーフミラーのような
ビームスプリツタ１２，１４に送られる。ビーム
スプリツタ１２は、光を受光素子２６に分岐する
ためのものであり、また、ビームスプリツタ１４
は、光源１０からの光を２つに分岐して、光フア
イバ１８の両端に結合する。
ては、発光素子１０のような光源が設けられ、電
源（不図示）により駆動されて、光ビームを発生
する。なお、光源としては、He−Neレーザ、半
導体レーザ、スーパールミネツセントダイオード
などが使用できる。その発光素子１０が発生する
光ビームは、直列に並んだハーフミラーのような
ビームスプリツタ１２，１４に送られる。ビーム
スプリツタ１２は、光を受光素子２６に分岐する
ためのものであり、また、ビームスプリツタ１４
は、光源１０からの光を２つに分岐して、光フア
イバ１８の両端に結合する。
光フアイバ１８は、光フアイバセンサを構成す
るように、多数回コイル状に巻かれてセンサコイ
ル２０と、位相変調器２４に結合された部分とか
らなつている。
るように、多数回コイル状に巻かれてセンサコイ
ル２０と、位相変調器２４に結合された部分とか
らなつている。
位相変調器２４は、例えば、圧電振動素子で構
成され、位相変調器駆動回路２２に接続され、角
周波数ωnで駆動されるようになされている。こ
の場合は、光フアイバ１８は、例えば圧電振動素
子に巻き付けられる。
成され、位相変調器駆動回路２２に接続され、角
周波数ωnで駆動されるようになされている。こ
の場合は、光フアイバ１８は、例えば圧電振動素
子に巻き付けられる。
光フアイバ１８を右回りと左回りとに伝搬した
光ビームは、光フアイバ１８の両端から出力され
て、ビームスプリツタ１４によりまとめられ、ビ
ームスプリツタ１２を介して、受光素子２６に入
射する。
光ビームは、光フアイバ１８の両端から出力され
て、ビームスプリツタ１４によりまとめられ、ビ
ームスプリツタ１２を介して、受光素子２６に入
射する。
その受光素子２６の電気出力は、増幅器３２に
入力する。該光信号増幅器３２の出力は、角周波
数ωnの成分を通過するバンドパスフイルタ３６
を介して同期検波器３４の入力に接続されてい
る。
入力する。該光信号増幅器３２の出力は、角周波
数ωnの成分を通過するバンドパスフイルタ３６
を介して同期検波器３４の入力に接続されてい
る。
受光素子２６の出力は、更に、角周波数2ωnの
成分を通過するバンドパスフイルタ３７を介して
１／２分周器４２に入力する。その1/2分周器の出力
は、位相補正回路４０を介して参照信号として同
期検波器３４に入力される。該同期検波器は、参
照信号で受光信号を同期検波して出力する。
成分を通過するバンドパスフイルタ３７を介して
１／２分周器４２に入力する。その1/2分周器の出力
は、位相補正回路４０を介して参照信号として同
期検波器３４に入力される。該同期検波器は、参
照信号で受光信号を同期検波して出力する。
以上のように構成される位相変調方式光フアイ
バジヤイロは、次のように動作する。
バジヤイロは、次のように動作する。
電源により駆動される発光素子１０からの光ビ
ームは、ビームスプリツタ１２を通過してビーム
スプリツタ１４で２つの分岐され光フアイバ１８
の両端に結合される。
ームは、ビームスプリツタ１２を通過してビーム
スプリツタ１４で２つの分岐され光フアイバ１８
の両端に結合される。
光フアイバ１８に入力された光ビームは、回転
を受けているセンサコイル２０の部分で位相差が
でき、また、位相変調器駆動回路２２からの角周
波数ωnで駆動される位相変調器２４において位
相変調される。
を受けているセンサコイル２０の部分で位相差が
でき、また、位相変調器駆動回路２２からの角周
波数ωnで駆動される位相変調器２４において位
相変調される。
そのように光フアイバ１８において位相差がで
き且つ位相変調された右回り光ビームと左回り光
ビームは、光フアイバ１８の両端から出力され
て、ビームスプリツタ１４により合成され、更
に、ビームスプリツタ１２を介して受光素子２６
に入射する。
き且つ位相変調された右回り光ビームと左回り光
ビームは、光フアイバ１８の両端から出力され
て、ビームスプリツタ１４により合成され、更
に、ビームスプリツタ１２を介して受光素子２６
に入射する。
受光素子２６が出力する受光信号は、増幅器３
２で増幅され、受光信号の中の2ωn成分はバンド
パスフイルタ３７で取り出された後、分周器４２
で分周され、ωnの角周波数の参照信号のして位
相補正回路４０を介して同期検波器３４に出力さ
れる。一方、受光信号中からωn成分がバンドパ
スフイルタ３６で取り出されて同期検波器３４に
入力され、上記参照信号で周期検波され、回転角
を示す信号が出力される。
２で増幅され、受光信号の中の2ωn成分はバンド
パスフイルタ３７で取り出された後、分周器４２
で分周され、ωnの角周波数の参照信号のして位
相補正回路４０を介して同期検波器３４に出力さ
れる。一方、受光信号中からωn成分がバンドパ
スフイルタ３６で取り出されて同期検波器３４に
入力され、上記参照信号で周期検波され、回転角
を示す信号が出力される。
なお、フイルタ３７及び分周器４２の内部回路
及び付属回路などの電気回路中での位相変化があ
るため、光信号中のωn成分と参照信号であるωn
成分との位相が必ずしも一致しない。そこで、位
相補正回路４０を設けて位相を等しくしている。
しかし、この位相補正回路４０は、電気回路だけ
での位相変化を補正するものであることから、予
め確定した位相量の補正を行う。従つて、位相補
正回路４０は、個々の位相変調方式光フアイバジ
ヤイロごとに、具体的には位相変調器ごとに、調
整を行う必要はない。
及び付属回路などの電気回路中での位相変化があ
るため、光信号中のωn成分と参照信号であるωn
成分との位相が必ずしも一致しない。そこで、位
相補正回路４０を設けて位相を等しくしている。
しかし、この位相補正回路４０は、電気回路だけ
での位相変化を補正するものであることから、予
め確定した位相量の補正を行う。従つて、位相補
正回路４０は、個々の位相変調方式光フアイバジ
ヤイロごとに、具体的には位相変調器ごとに、調
整を行う必要はない。
発明の効果
以上の説明から明らかなように、本発明の位相
変調方式光フアイバジヤイロの信号検出回路にお
いては、受光信号から同期検波のための参照信号
を抽出しているので、位相変調器の温度特性等に
よつて使用状態において電気−機械変換時の位相
変化等に変動が生じても、効果的に補償して最大
出力を得ることができる。
変調方式光フアイバジヤイロの信号検出回路にお
いては、受光信号から同期検波のための参照信号
を抽出しているので、位相変調器の温度特性等に
よつて使用状態において電気−機械変換時の位相
変化等に変動が生じても、効果的に補償して最大
出力を得ることができる。
そして、受光信号から同期検波のための参照信
号を抽出する参照信号抽出回路は、個々の位相変
調方式光フアイバジヤイロごとに調整作業が必要
であつた位相調整回路を不要としている。それ
故、非常に煩雑な位相調整が必要ないので、位相
変調方式光フアイバジヤイロの設置、調整が簡略
化できる。
号を抽出する参照信号抽出回路は、個々の位相変
調方式光フアイバジヤイロごとに調整作業が必要
であつた位相調整回路を不要としている。それ
故、非常に煩雑な位相調整が必要ないので、位相
変調方式光フアイバジヤイロの設置、調整が簡略
化できる。
なお、本発明による位相変調方式光フアイバジ
ヤイロの信号検出回路は、電気回路での位相変化
を補償する位相調整回路を使用しているが、それ
は電気回路として独立に設定することができる。
従つて、高い精度で位相補正をすることができま
た位相補正の精度が位相変調器の特性等には依存
しなくなるので、光フアイバジヤイロの計測性能
が向上する。
ヤイロの信号検出回路は、電気回路での位相変化
を補償する位相調整回路を使用しているが、それ
は電気回路として独立に設定することができる。
従つて、高い精度で位相補正をすることができま
た位相補正の精度が位相変調器の特性等には依存
しなくなるので、光フアイバジヤイロの計測性能
が向上する。
従つて、本発明による位相変調方式光フアイバ
ジヤイロの信号検出回路は、広い範囲にわたつて
活用することができる。
ジヤイロの信号検出回路は、広い範囲にわたつて
活用することができる。
第１図は、本発明の位相変調方式光フアイバジ
ヤイロの信号検出回路の構成概略図であり、第２
図は、光フアイバジヤイロの原理を説明する基本
構成図であり、第３図は、位相変調方式光フアイ
バジヤイロの原理を説明する基本構成図であり、
第４図は、従来の位相変調方式光フアイバジヤイ
ロの信号検出回路の構成概略図であり、第５図
は、本発明の信号検出回路を用いた位相変調方式
光フアイバジヤイロの１実施例の構成概略図であ
る。 〔主な参照番号〕、１０……発光素子、１２…
…ビームスプリツタ、１８……光フアイバ、２０
……センサコイル、２２……位相変調器駆動回
路、２４……位相変調器、２６……受光素子、２
８……信号検出回路、３０……位相調整回路、３
２……光信号増幅器、３４……同期検波器、３
６，３７……フイルタ、４０……位相補正回路、
４２……分周器。
ヤイロの信号検出回路の構成概略図であり、第２
図は、光フアイバジヤイロの原理を説明する基本
構成図であり、第３図は、位相変調方式光フアイ
バジヤイロの原理を説明する基本構成図であり、
第４図は、従来の位相変調方式光フアイバジヤイ
ロの信号検出回路の構成概略図であり、第５図
は、本発明の信号検出回路を用いた位相変調方式
光フアイバジヤイロの１実施例の構成概略図であ
る。 〔主な参照番号〕、１０……発光素子、１２…
…ビームスプリツタ、１８……光フアイバ、２０
……センサコイル、２２……位相変調器駆動回
路、２４……位相変調器、２６……受光素子、２
８……信号検出回路、３０……位相調整回路、３
２……光信号増幅器、３４……同期検波器、３
６，３７……フイルタ、４０……位相補正回路、
４２……分周器。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 発光素子と、多数回コイル状に巻回されたセ
ンサコイル部分を含み且つ前記発光素子からの光
が分岐されて両端に結合され該センサコイルを両
方向に伝搬した光を両端から出力する光フアイバ
と、該光フアイバの一方の端付近に設けられて光
フアイバを伝搬する光の位相を変調する位相変調
器と、前記光フアイバを伝搬した両回り光を受け
る受光素子と、該受光素子の出力を前記位相変調
器の位相変調周波数の参照信号で同期検波する同
期検波器とを具備し、前記センサコイルが回転し
たときに生ずる両回り光間の位相差から回転角速
度を測定する位相変調方式光フアイバジヤイロに
おいて、前記受光素子の出力を受けて前記位相変
調周波数と等しい周波数成分を取り出して前記同
期検波器に前記参照信号として出力する参照信号
抽出回路を更に具備することを特徴とする位相変
調方式光フアイバジヤイロ。 ２ 前記参照信号抽出回路は、前記受光素子の出
力を受けて、前記位相変調周波数の所定の高調波
成分を抽出するフイルタと、該フイルタの出力を
受けて前記位相変調周波数と等しい周波数まで分
周する分周器とを具備していることを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の位相変調方式光フア
イバジヤイロ。 ３ 前記参照信号抽出回路は、更に、前記フイル
タ及び前記分周器を構成する電気回路での位相変
化を補償する位相補正回路を有していることを特
徴とする特許請求の範囲第２項記載の位相変調方
式光フアイバジヤイロ。 ４ 前記フイルタは、前記位相変調周波数の２倍
の高調波成分を抽出するフイルタであり、前記分
周器は、1/2分周器であることを特徴とする特許
請求の範囲第２項または第３項に記載の位相変調
方式光フアイバジヤイロ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25068086A JPS63106517A (ja) | 1986-10-23 | 1986-10-23 | 位相変調方式光フアイバジヤイロ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25068086A JPS63106517A (ja) | 1986-10-23 | 1986-10-23 | 位相変調方式光フアイバジヤイロ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63106517A JPS63106517A (ja) | 1988-05-11 |
| JPH0470562B2 true JPH0470562B2 (ja) | 1992-11-11 |
Family
ID=17211447
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25068086A Granted JPS63106517A (ja) | 1986-10-23 | 1986-10-23 | 位相変調方式光フアイバジヤイロ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS63106517A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5148236A (en) * | 1990-06-18 | 1992-09-15 | Honeywell Inc. | Demodulation reference signal source |
-
1986
- 1986-10-23 JP JP25068086A patent/JPS63106517A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63106517A (ja) | 1988-05-11 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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