JPH0558486B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

１ 発光素子、ビームスプリツター又は光フアイ
バー方向性結合器、光フアイバーループ、位相変
調器、受光素子及び上記位相変調器を駆動する信
号を発生する信号発生器、角速度／角度演算部を
有する位相変調型光フアイバージヤイロ装置にお
いて、上記信号発生器を上記位相変調器駆動用の
第１の信号及び該第１の信号の２倍の角周波数の
第２の信号、上記第１の信号の３倍の角周波数の
第３の信号及び上記第１の信号の４倍の角周波数
の第４の信号を出力するようになすと共に、上記
受光素子の出力を上記第１、第２、第３及び第４
の信号を基準とする第１、第２、第３及び第４の
同期検波器にそれぞれ入力し、該第１乃至第４の
同期検波器の出力及び上記角速度／角度演算部の
角速度出力を入力とする変調度演算器及び該変調
度演算器の出力を入力する変調度制御増幅器とを
設け大きな角速度が入力される場合においても、
上記位相変調器の変調度を一定にするように制御
することを特徴とする光フアイバージヤイロ装
置。 ２ 上記特許請求の範囲第１項記載の光フアイバ
ージヤイロ装置において、上記変調度演算器で
は、上記第１及び第３の同期検波器の出力の第１
の比及び上記第２及び第４の同期検波器の出力の
第２の比を演算し、上記第１及び第２の比と最適
変調度x₀に対応する第１及び第２の最適比との差
から第１及び第２の変調度偏差Δx₁及びΔx₂を演
算すると共に角速度／角度演算部の角速度出力
Δφが（2m＋１）×π／２±π／４の範囲にある場合は 第１の変調度偏差Δx₁を又、角速度／角度演算部
の角速度出力Δφが2m×π／２±π／４の範囲にある場 合は第２の変調度Δx₂を変調度制御増幅器にフイ
ードバツクするようになしたことを特徴とする。

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は運動体、例えば航空機、船舶、自動車
等の角速度及びそれ等の方位を測定する光フアイ
バージヤイロ装置に関する。 〔従来の技術〕 光のサグナツク効果を利用した従来の光フアイ
バージヤイロ装置の一例を第２図に示す。同図の
例では、レーザなどの発光素子１１から出た光１
１が、ビームスプリツター１７で、右回り光１３
と、左回り光１２とに分割され、これらの光１
３，１２が２個の集光レンズ４，５を通つて一本
の光フアイバー３ａを複数回巻回して形成した光
フアイバーループ３の両端３−１，３−２から光
フアイバーループ３に夫々入射し、夫々光フアイ
バーループ３を通つた後、他方の端３−２，３−
１より集光レンズ５，４を通つて出射光１５，１
４として出射し、ビームスプリツター１７で合成
され、互いに干渉し、その干渉光１６が受光素子
２に入るように構成される。 この構成に於て、光フアイバーループ３が角速
度を受けない静止した状態では、出射光１４，１
５に位相差が生じないが、光フアイバーループ３
に角速度Ωが印加されると、光フアイバループ３
を互いに逆方向に進む光１２，１３にサグナツク
効果が生じ、出射光１４，１５間に角速度Ωに比
例した位相差が生じる。この位相差Δθは Δθ＝4πLR／λCΩ ……(1) で表わされる。ここで、Ｒは光フアイバーループ
３の半径、Ｌは光フアイバーループ３の長さ、λ
は発光素子１から出る光の波長、Ｃは光速を示
す。従つて、受光素子２からの出力Ｉは Ｉ∝１＋cosΔθ ……(2) となる。つまり、受光素子２の出力Ｉを測定する
ことにより、印加角速度Ωを検出できることにな
る。しかし、このままでは、入力角速度Ωが小さ
な場合、位相差Δθが微小で、cosΔθの変化を検
出するのが難しいという欠点がある。 このような点から、例えば第３図に示すような
構成の光フアイバージヤイロ装置が提案されてい
る４（この方式は位相変調方式光フアイバージヤ
イロ装置と呼ばれている）。この例では、第２図
の例に加えて、光フアイバー３ａの１端３−２と
光フアイバーループ３との間に、位相変調器６を
設け、信号発生器７からの信号で、この位相変調
器６を駆動し、光フアイバー３ａ内を互いに逆方
向に伝播する光１２，１３に位相変調を加えるも
のである。位相変調器６に印加する信号、つま
り、信号発生器７からの信号の角周波数をωmと
すると、受光素子２の出力Ｉは、 Ｉ＝Ｋ｛１＋cosΔθ（J₀(x)＋2J₂(x)cos2ωmt −2J₄(x)cos4ωmt＋……） ＋sinΔθ（2J₁(x)sinωmt −2J₃(x)
sin3ωmt＋……）｝ ……(3) となる。ここで、ｘは位相変調度、J₀，J₁，J₃，
J₄，……はベツセル関数、Ｋは比例定数、ｔは時
間である。出力Ｉの各周波数成分の内、各周波数
ωmの成分を、同期検波器８で、信号発生器７よ
りの角周波数ωmの信号を基準として同期検波す
ることにより、sinΔθに比例する出力を得ること
ができる。このため、微小入力角速度時の感度を
増大することができる。 本願出願人が先に提案した特願昭61−147684号
の光フアイバージヤイロ装置を第４図を参照して
説明する。尚、同図において、第２乃至第３図と
同一素子は互いに同一符号を用いて示す。第４図
の例では、光フアイバー３ａの一端３−２と光フ
アイバーループ３との間に位相変調器６を設け、
光フアイバーループ３に対する右回り光１３及び
左回り１２に夫々位相変調を加え、出射光１４，
１５をビームスプリツター１７で合成し、干渉光
１６を生成し、受光素子２で受光素する部分まで
は、第３図に示した位相変調方式の光フアイバー
ジヤイロ装置と同一である。 第４図に示す例では、信号発生器７は位相変調
器６に入力するωmの角周波数の２倍の角周波数
を発生する発振器７−１と、その出力をうけωm
の角周波数の出力を発生する分周器７−２とから
構成される。受光素子２の出力Ｉは、信号発生器
７からの角周波数ωmの信号（基準信号）で同期
検波する第１の同期検波器８−１に送られるほ
か、信号発生器７よりの角周波数2ωmの信号で
同期検波する第２の同期検波器８−２にも送られ
る。 上記構成により、第２の同期検波器８−２の出
力I₂は(3)式より I₂＝2K′J₂(x)cosΔθ ……(4) で表わされるcosΔθに比例した信号になる。 一方、第１の同期検波器８−１の出力I₁は(3)式
より I₁＝2K′J₁(x)sinΔθ ……(5) で表わされるsinΔθに比例した信号になる。 第１及び第２の同期検波器８−１，８−２の出
力I₁，I₂が、位相差Δθ＝π／４で同一の値になる
ように変調度ｘを調整する。この事は、位相変調
器６に印加する信号の電圧を調整することにより
達成される。つまり、第２の同期検波器８−２の
出力信号I₂は、位相差Δθに対し、K′cosΔθなる信
号であり、第１の同期検波器８−１の出力信号I₁
は、K′sinΔθなる信号である。 次に、上記２つの信号K′sinΔθ，K′cosΔθは、
第４図の３０で表わされる角速度／角度演算部の
第１及び第２の乗算器３２，３１に送られる。演
算部３０内に於て、sin／cos演算部３６は、最
初、ある位相差の角度Δφの余弦（cosΔφ）に対
応した信号を第１のＤ／Ａ変換器３２Ａを介して
第１の乗算器３２に入力すると共に、Δφの正弦
（sinΔφ）に対応した信号を第２のＤ／Ａ変換器
３１Ａを介して第２の乗算器３１に入力する。 第１の乗算器３２及び第２の乗算器３１の出力
を、加算器３７にて加減算した後、積分器３３、
Ａ／Ｄ変換器３８を通して、デイジタル量に変換
し、積分器３４、微分器３５を通してsin／cos演
算器３６にフイードバツクし、ループが閉じる。
積分器３４から入力角速度Ωを積分した角度出力
が、又微分器３５或いはＡ／Ｄ変換器３８からの
入力角速度Ωに対応する角速度出力が、それぞれ
出力される。 尚、この第４図の例において、第１のＤ／Ａ変
換器３２Ａと第１の乗算器３２と、或いは第２の
Ｄ／Ａ変換器３１Ａと第２の乗算器３１とは、そ
れぞれ周知の乗算型Ｄ／Ａコンバータで置きかえ
ることができる。 角速度Ωに対応した位相差Δφ、sin／cos演算
器３６の入力をΔφとすれば、第１の乗算器３２
及び第２の乗算器３１の出力は、それぞれ
K′sinΔφcosΔφ，K′cosΔφsinΔφとなるため、加
算器３７の出力、即ち積分器３３の入力はK′sin
（Δφ−Δφ）に比例した値となる。この値を積分
器３３、Ａ／Ｄ変換器３８、積分器３４、微分器
３５を介してsin／cos演算器３６にフイードバツ
クするループを構成したため、このループが安定
に作用するためには、積分器３３の入力がゼロと
なる必要があり、結果としてΔθ＝Δφとなる。即
ち、微分器３５の出力Δφが入力角速度Ωに等し
くなり、又積分器３４の出力は、入力角速度Ωの
積分、即ち回転角となり、これ等の量をデイジタ
ル的に出力することができる。 第５図は、従来の光フアイバージヤイロの他の
実施例で、第２図に示した従来の光フアイバージ
ヤイロ装置において用いているビームスプリツタ
ー１７のかわりに光フアイバー方向性結合器４０
を用いたものである。光フアイバー方向性結合器
４０を用いることにより、ビームスプリツター１
７、集光レンズ４，５及び光フアイバーの端面３
−１，３−２で光が散乱されるために生じる、光
フアイバージヤイロの出力誤差を減少させること
ができる。 第７図は光フアイバー方向性結合器の一例を示
すもので、第７図Ａは光フアイバー４３，４４の
長手方向断面図、第７図Ｂはそれと直角方向の断
面図である。同図において、４５，４６は光フア
イバー方向性結合器を構成する第１及び第２のガ
ラス基板で、それぞれ光フアイバー４３，４４が
挿入される円弧状の溝４５−１，４６−１を有
し、光フアイバー４３，４４が挿入固定された
後、同図Ｂに示す如く、光フアイバー４３の下半
分及び光フアイバー４４の上半分の突出部が研削
等によつてコア４３−１，４４−１の側面が露出
する程度まで削除された後、それぞれの光フアイ
バーのコア側研削面が一致するように（光結合
部）位置調整された後、接着等により固定、組み
立てられる。 同図において、一方の光フアイバー４３の端４
３ａから光を矢印の如く入射させると、光結合部
４３−Ｃで、入射した光の電磁界により、光が入
射した光フアイバー４３に対向する他方の光フア
イバー４４にも電磁界が生じ、光が入射された光
フアイバー４３の端４３ｂはもとより、他方の光
フアイバー４４の端４４ｂからも光が出射するこ
とになる。このとき、端４３ｂと端４４ｂとに於
ける光の強度比である分岐比は、第７図Ｂに示す
矢印AR方向に一方のガラス基板を動かし、２本
の光フアイバー４３，４４間の相対位置を変える
ことで調整できるため、分岐比を50：50とするこ
とで、一方の光フアイバーに入射した光を２方向
に分けることができると共に、分岐比が50：50の
場合、他方の端４３ｂに入射した光の50％の光
と、端４４ｂに入射した光の50％の光の合成光が
両端４３ａ，４４ａからそれぞれ出射することか
ら、第１乃至第４図の例のビームスプリツター１
７等の代わりに、上記した光フアイバー方向性結
合器を用いることができる。 第６図は、２個の光フアイバー方向性結合器４
０，４１を用いて、第３図に示す如き位相変調方
式光フアイバージヤイロを構成した場合の一例で
ある。この例では、光フアイバー方向性結合器で
伝搬する光の方向の違いにより生じる誤差を除去
するため、２個の光フアイバー方向性結合器４
０，４１を設けると共に、光フアイバーループ３
内を伝搬する光の偏光の変化による誤差を減らら
すために、光フアイバー内の径方向の互いに直交
する光学主軸での伝搬定数の異なる複屈折フアイ
バーをコイル状に巻回して形成した光フアイバー
偏光子４２を用いている。尚、その他の構成は第
３図の例と略同様である。 〔発明が解決しようとする問題点〕 しかしながら、上述の位相変調方式の光フアイ
バージヤイロ装置においては、位相変調器の変調
度が温度変化等によつて変動した場合、角速度出
力に対し、ゲイン変動やバイアス変化を生じやす
いという問題があつた。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は上記問題点を解決せんとするもので、
その手段は、発光素子、ビームスプリツター又は
光フアイバー方向性結合器、光フアイバールー
プ、位相変調器、受光素子及び上記位相変調器を
駆動する信号を発生する信号発生器、角速度／角
度演算部を有する位相変調型光フアイバージヤイ
ロ装置において、上記信号発生器を上記位相変調
器駆動用の第１の信号及び該第１の信号の２倍の
角周波数の第２の信号、上記第１の信号の３倍の
角周波数の第３の信号及び上記第１の信号の４倍
の角周波数の第４の信号を出力するようになすと
共に、上記受光素子の出力を上記第１、第２、第
３及び第４の信号を基準とする第１、第２、第３
及び第４の同期検波器にそれぞれ入力し、該第１
〜第４の同期検波器の出力及び上記角速度／角度
演算部の角速度出力を入力とする変調度演算器及
び該変調度演算器の出力を入力とする変調度制御
増幅器とを設け、大きな入力角速度に対しても上
記位相変調器の変調度を一定にするように制御す
ることができる光フアイバージヤイロ装置であ
る。 〔作 用〕 上記本発明の光フアイバージヤイロ装置に於い
ては、上記第１の比D₁(x)はJ₁(x)／J₃(x)であり、上
記第２の比D₂(x)は、J₂(x)／J₄(x)であり、変調度ｘ
が変化した場合、第１及び第２の同期検波出力比
は変化する。変調度演算器９へ、角速度／角角度
演算部３０からの角速度出力Δφを入力し、Δφが
（2m＋１）×π／２±π／４の範囲にある場合は第１の 変調度偏差Δx₁が、又Δφが2m×π／２±π／４の範囲 にある場合は、第２の変調度偏差Δx₂が、夫々変
調度演算器９より出力される。この出力に比例す
る様に、変調度制御増幅器６−１で位相変調器６
の駆動信号の電圧を増減させる様にフイードバツ
クループを構成したため、このループが安定に作
用するためには、変調度演算器９の出力がゼロと
なる必要があり、結果として第１の比D₁(x)また
は第２の比D₂(x)が一定値に保たれることで変調
度ｘが一定値に保たれ、大きな角速度入力時にお
いても角度及び角速度出力での変調度の変動によ
る出力変動が抑制され、安定な角度及び角速度出
力を得ることができる。 〔実施例〕 本発明の一実施例を第１図を参照して説明す
る。尚、同図において、第２乃至第６図と同一素
子は互いに同一符号を用いて示す。第１図の本発
明の例では、光フアイバー３ａの一端３−２と光
フアイバーループ３との間に、位相変調器６を設
け、これにより、右回り光１３及び左回り光１２
に夫々位相変調を加え、出射光１４，１５をビー
ムスプリツター１７で合成し、干渉光１６を生成
し、これを受光素子２で受光し、位相変調器６に
入力するωmの角周波数の信号（基準信号）で受
光素子２の出力Ｉを、同期検波する第１の同期検
波器８−１の出力K′sinΔφ（I₁）及び受光素子２
の出力Ｉを基準信号の２倍の角周波数2ωmの信
号で同期検波する第２の同期検波器８−２の出力
K′cosΔθI₂より、角速度／角度演算部３０で、角
度及び角速度を演算出力する部分までは、第４図
に示した光フアイバージヤイロ装置と同一であ
る。従つて、第１図に於て、角速度／角度演算部
３０の構成素子を同一符号を付して示し、その詳
細説明は省略する。 第１図に示す本発明の例では、信号発生器７
を、位相変調器６に入力するωmの角周波数の４
倍の角周波数の信号を発生する発振器７−１Ａ
と、その出力を受け、4ωmの角周波数の信号の
外に、ωm，2ωm，3ωmの３つの角周波数の信号
をそれぞれ別に出力する分周器７−２Ａとから構
成する。受光素子２の出力Ｉは、上述した第１及
び第２の同期検波器８−１，８−２に送られる
他、信号発生器７よりの角周波数3ωmの信号で
同期検波する第３の同期検波器８−３及び信号発
生器７よりの角周波数4ωmの信号で同期検波す
る第４の同期検波器８−４にも夫々送られる。 上述の如く、第１の同期検波器８−１の出力I₁
は(5)式で表わされ、第２の同期検波器８−２の出
力I₂は(4)式で表わされ、第３の同期検波器８−３
の出力I₃は(3)式より I₃＝2K′J₃(x)sinΔθ ……(6) で表わされるsinΔθに比例した信号になる。 一方、第４の同期検波器８−４の出力I₄は(3)式
より I₄＝2K′J₄(x)cosΔθ ……(7) で表わされるcosΔθに比例した信号になる。 第１及び第２の同期検波器８−１，８−２の出
力I₁，I₂は、上述の如く、角速度／角度演算部３
０へ送られ、角度及び角速度が演算出力されるに
供すると共に、変調度演算器９にも入力される。
また、第３及び第４の同期検波器８−３，８−４
の出力I₃，I₄も、変調度演算器９に入力される。
変調度演算器９は、第１及び第３の同期検波器８
−１，８−３の出力I₁，I₃の比である第１の比D₁
(x)及び第２及び第４の同期検波器８−２，８−４
の出力I₂，I₄の比である第２の比D₂(x)を演算す
る。第１の比D₁(x)は、(5)式及び(6)式より、 D₁(x)‐＝I₁／I₃＝2K′J₁(x)sinΔφ／2K′J₃(x)sin
Δφ＝J₁(x)／J₃(x)……(8) で表わされるK′及びΔφの項を含まない信号にな
る。また、第２の比D₂(x)は、(4)式及び(7)式より、 D₂(x)＝I₂／I₄＝2K′J₂(x)cosΔφ／2K′J₄(x)cosΔ
φ＝J₂(x)／J₄(x)……(9) で表わされるK′及びΔφの項を含まない信号にな
る。ここで、第１及び第２の比D₁(x)及びD₂(x)は、
変調度ｘに対し、位相変調方式光フアイバージヤ
イロ装置に於て生起する位相変調器６での変調度
の変化の範囲内では、単調減少関数となつてお
り、第１の比D₁(x)または第２の比D₂(x)の値が一
定値となるように位相変調器６を駆動すれば、変
調度ｘは一定値に保たれる。 一方、第１の比D₁(x)では、Δφ＝2m×π／２付近 では、第１及び第３の同期検波器の出力I₁，I₃で
sinΔφがゼロに近づくため、出力I₁及びI₃がゼロ
に近づき、D₁(x)の算出が困難となると共に、D₁
(x)の値の信頼性が低くなる。また、第２の比D₂
(x)では、Δφ＝（2m＋１）×π／２付近では、cosΔφ がゼロに近づくため、第２及び第４の同期検波器
の出力I₂，I₄でcosΔφがゼロに近づき、D₂(x)の算
出が困難になると共に、D₂(x)の値の信頼性が低
くなる。そこで、Δφが（2m＋１）×π／２±π／４の 範囲にある場合は、第１の比D₁(x)により、Δφが
2m×π／２±π／４の範囲にある場合は第２の比D₂(x) により、変調度ｘの制御を行なう。Δφの値とし
ては、角速度／角度演算部３０の内の微分器３５
の出力Δφを用いる。 角速度／角度演算部３０からの角度及び角速度
出力の感度が最大となるためには、第１及び第２
の同期検波器の出力I₁（これは(5)式で表わされ
る）、I₂（これは(4)式で表わされる）において、J₁
(x)とJ₂(x)が等しく、且つJ₁(x)＝J₂(x)の値が最大と
なる最適変調度x₀に保つ必要があり、x₀は x₀2.63 ……(10) である。そのため、変調度ｘの変動は、第１の比
D₁(x)の第１の最適変調比D₁（x₀）からの変動を表
わす第１の変調度偏差Δx₁及び第２の比D₂(x)の第
２の最適変調比D₂（x₀）からの変動を表わす第２
の変調度偏差Δx₂となつて表わされる。角速度／
角度演算部３０の角速度出力Δφが（2m＋１）×
π／２±π／４の範囲にある場合は、第１の比D₁(x)を 変調度ｘの制御に用い、変調度演算器９内におい
て、D₁(x)のD₁（x₀）からの変位である第１の変調
度偏差Δx₁＝D₁(x)−D₁（x₀）を変調度制御増幅器
６−１への信号として出力し、Δφが2m×π／２± π／４の範囲にある場合は、第２の比D₂(x)を変調度 ｘの制御に用い、第２の比D₂(x)のD₂（x₀）からの
変位である第２の変調度偏差Δx₂＝D₂(x)−D₂
（x₀）を変調度制御増幅器６−１への信号として
出力する。 変調度制御増幅器６−１に於ては、変調度演算
器９からの信号の大きさに比例した分だけ、上記
位相変調器６の駆動信号の電圧を増減させる。 以上示した様に角速度／角度演算部３０の角速
度出力Δφに対応して位相変調器６の制御のため
のフイードバツクループを構成したため、このフ
イードバツクループが安定に動作するためには、
変調度演算器９の出力がゼロになること、つまり
第１及び第２の変調度偏差Δx₁或いはΔx₂がゼロ
になること、即ち Δx₁＝D₁(x)−D₁（x₀）＝０又は Δx₂＝D₂(x)−D₂（x₀）＝０ となる必要があり、結果としてｘ＝x₀となり、変
調度ｘが一定値に保たれ、入力角速度の大小に拘
わらず、角速度及び角度出力から、変調度ｘの変
動による誤差を減らすことができ、高精度の光フ
アイバージヤイロ装置を得ることができる。 尚、第１図の本発明の例では、レンズ４，５、
ビームスプリツター１７等を用いているが、これ
等の代わりに第７図に関連して説明した光フアイ
バー方向性結合器を用い得ることは、勿論であ
る。 〔発明の効果〕 受光素子２からの出力信号の中の位相変調器の
角周波数ωm及び2ωm，3ωm，4ωmの成分を４
個の同期検波器を用いて取り出し、ωm及び2ωm
の信号成分より角速度及び角度を演算出力すると
共に、４種類の信号から変調度の制御を行なう変
調度演算器及び変調度制御増幅器を設けたことに
より、広い入力角速度に亘つて変調度の変動によ
る出力誤差を含まない高精度の光フアイバージヤ
イロを得ることが出来る。 本発明に於ける、変調度制御の構成に於ては、
変調度の変動による誤差を含む角速度出力を変調
度制御のの演算に用いているが、変調度の変動時
間は、変調度制御に於ける応答時間に比べ充分長
いために、本構成における変調度の制御は精度よ
く行なわれ、簡単な変調度制御の構成を用いるこ
とにより、高精度の角度及び角速度が得られ、更
に変調度制御をデイジタル化して行なうことによ
り、より簡便で高信頼性な変調度制御を行なうこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光フアイバージヤイロ装置の
一例を示すブロツク図、第２図及び第３図は夫々
従来型の光フアイバージヤイロの原理を示すブロ
ツク図、第４図は本願と同一出願人が先に提案し
た光フアイバージヤイロ装置の実施例のブロツク
図、第５図は従来の別の一例の略線図、第６図は
従来の位相変調方式光フアイバージヤイロの他の
例の略線図、第７図は光フアイバー方向性結合器
の一例の断面図である。 同図において、１は発光素子、２は受光素子、
３は光フアイバーループ、４，５は集光レンズ、
６は位相変調器、７は信号発生器、８−１，８−
２，８−３，８−４は夫々同期検波器、９は変調
度演算器、１７はビームスプリツター、３０は角
速度／角度演算部、３１，３２は乗算器、３７は
加算器、３８はＡ／Ｄ変換器、３６はsin／cos演
算器、４０，４１は光フアイバー方向性結合器、
４２は光フアイバー偏光子、４３，４４は光フア
イバー、４５，４６はガラス基板を示す。