JPH09280871A - 光ファイバジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回転角速度の測定を中断することなく自動的
に零点調整を行うことができる光ファイバジャイロを提
供する。 【解決手段】 第１瞬断手段２２で同期検波回路１７の
信号入力の瞬断を行い、第２瞬断手段２３で同期検波回
路１７の積分器２０の時定数回路を瞬断するが、これら
の信号入力や時定数回路を瞬断しても光源１や信号処理
回路１１が安定に動作することができるため、回転角速
度Ωの測定と基準電圧の測定とを同時に行うことができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバジャイ
ロに関する。

【０００２】

【従来の技術】航空機や宇宙ロケット等の姿勢制御には
ジャイロが必要不可欠であるが、近年、光ファイバを用
いた光ファイバジャイロが多用されるようになってき
た。

【０００３】図６は本発明の前提となった光ファイバジ
ャイロの構成図である（特開平３−６３５１７号公
報）。

【０００４】同図に示す光ファイバジャイロにおいて、
光源としてのレーザ光源１から出射した光が光カプラ２
ｂで二分され、単一モード光ファイバからなる光ファイ
バセンシングループ５中を右回り及び左回りに伝搬す
る。両回り光は干渉した後、光カプラ２ｂ、偏光子３、
光カプラ２ａを介して受光器６で受光して電気信号に変
換され信号処理回路７に入力する。このとき、両回り光
間には光学系全体の慣性空間に対する回転角速度Ωに比
例した位相差（サグナック位相差）Δθが生じ（サグナ
ック効果）、信号処理回路７で検出される。尚、４は位
相変調器である。

【０００５】ところで、光ファイバジャイロに用いられ
る信号処理回路７からは入力信号を零としても種々の原
因によって出力が零とならないようなオフセット電圧が
出力されるため回転角速度Ωの測定値に誤差が生じる。
このためオフセット電圧を測定し除去する零点調整が必
要となる。更に、オフセット電圧は温度や時間と共に変
化するため零点調整を随時行う必要がある。

【０００６】図６に示した従来の光ファイバジャイロに
おける零点調整方法としては、外部からの指令によって
レーザ光源１に印加する駆動電流を遮断するか、或いは
位相変調器４の動作を停止し、その時に分離取得された
各信号成分の出力レベルから各基準電圧値を求め、レー
ザ光源１及び位相変調器４の作動後、各基準電圧値から
の変化量から回転角速度Ωを検出する方法が知られてい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、レーザ
光源１を遮断したり、位相変調器４を停止させたりする
従来の零点調整方法では、レーザ光源１や位相変調器４
を再作動させる時に安定に動作するまでに長い時間を要
するため、その間回転角速度の測定を行うことができな
いという問題があった。

【０００８】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、回転角速度の測定を中断することなく自動的に零点
調整を行うことができる光ファイバジャイロを提供する
ことにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、光源からの光を位相変調してセンシングル
ープに導き、センシングループを周回した光を受光して
電気信号に変換し、この電気信号を信号処理回路によっ
てセンシングループに加わる回転角速度を検出する光フ
ァイバジャイロにおいて、信号処理回路に設けられ電気
信号から各信号成分を分離する同期検波回路の信号入力
を瞬断する第１瞬断手段と、同期検波回路の積分器の時
定数回路を瞬断する第２瞬断手段とを備え、第１瞬断手
段及び第２瞬断手段によって定期的に瞬断を行い、その
時に分離取得した各信号成分の出力レベルから各基準電
圧値を求め、求めた各基準電圧値からの変化量から回転
角速度を検出して出力するものである。

【００１０】上記構成に加え本発明は、第１瞬断手段及
び第２瞬断手段による瞬断が基本波成分を分離する同期
検波回路にのみ行われ、瞬断時に分離取得した基本波成
分の出力レベルから基本波成分の基準電圧値を求め、求
めた基本波成分の基準電圧値とその他の信号成分につい
ては初期に求めた基準電圧値とからの変化量から回転角
速度を検出して出力するようにしてもよい。

【００１１】上記構成に加え本発明は、第１瞬断手段及
び第２瞬断手段による瞬断時に分離取得した信号成分を
ソフトウェアローパスフィルタによって低域通過処理
し、濾波後に得られたデータから各基準電圧値を求め、
各基準電圧値の変化量から回転角速度を検出し出力する
ようにしてもよい。

【００１２】次に作用について説明する。

【００１３】従来の零点調整方法では、光源を遮断した
り、位相変調器の動作を停止した後行うので、光源や位
相変調器の再作動後、光源や信号処理回路が安定に動作
するまでの間に数十ｍｓｅｃの時間を要する。このた
め、数十Ｈｚ以上の周波数応答性が必要とされるような
光ファイバジャイロでは回転角速度を測定しながら、定
期的に零点調整することは不可能である。

【００１４】これに対して本発明は、同期検波回路の信
号入力の瞬断と同期検波回路の積分器の時定数回路とを
瞬断するが、これらの信号入力や時定数回路を瞬断して
も光源や信号処理回路が安定に動作することができるた
め、回転角速度の測定と基準電圧の測定とを同時に行う
ことができる。

【００１５】位相変調器は入力回転角速度が零の時に第
２次高調波成分や第４次高調波成分等の偶数次（第２
次、第４次等）高調波成分の出力が最大となるように位
相調整されており、零点ドリフトが偶数次高調波成分に
与える影響は非常に小さいものとなる。このため、零点
ドリフトの影響が比較的大きい基本波成分についてのみ
上述した本発明の零点調整を行うことによって回路規模
を小さくすることができ、製造工数や部品数を減少させ
ることが可能となる。

【００１６】また、瞬断時に分離取得した信号成分には
高周波数領域に誤差を多く含んでいるため、ローパスフ
ィルタによって低域通過処理させることにより、より高
精度な基準電圧の測定が可能となる。

【００１７】ところで、このようなローパスフィルタを
アナログ回路で構成すると、回路の規模が大きくなり、
かつ、複雑化し、製造工数や部品数が増大してしまう。
また回路が複雑になると故障の原因となり信頼性の低下
につながる。そこで、時間領域でデータを処理するソフ
トウェアローパスフィルタを用いるのが好ましい。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて詳述する。

【００１９】図１は本発明の光ファイバジャイロの一実
施の形態を示す構成図である。尚、図６に示した従来例
と同様の部材には共通の符号を用いた。

【００２０】図１に示す光ファイバジャイロは光学系１
０と信号処理回路１１とで構成されている。光学系１０
は、レーザ光を発生するレーザ光源１と、レーザ光源１
に光ファイバで接続された光カプラ２ａと、光カプラ２
ａに偏光子３を介して光ファイバで接続された光カプラ
２ｂと、光カプラ２ｂに位相変調器４を介して接続され
た光ファイバセンシングループ５と、光カプラ２ａに接
続された受光器６と、受光器６に接続されたプリアンプ
１２とを有している。

【００２１】信号処理回路１１は、プリアンプ１２から
の信号の同期検波を行う検波回路１３と、アナログ信号
をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１４と、デジタ
ル信号に基づいて回転角速度Ωの算出や制御等を行うＣ
ＰＵ１５と、ＣＰＵ１５からの指令により位相変調器４
に変調信号を送る発振器１６とを有している。

【００２２】図２は図１に示した検波回路１３の周辺部
を示す図である。

【００２３】検波回路１３は、一方の入力端がプリアン
プ１２の出力側に接続された複数（図では３つであるが
限定されない）の同期検波回路１７ａ，１７ｂ，１７ｃ
と、各同期検波回路１７ａ，１７ｂ，１７ｃの他方の入
力端に接続された同期信号発生回路１８と、各入力端が
各同期検波回路１７ａ，１７ｂ，１７ｃの出力端に接続
されたマルチプレクサ１９とで構成されている。

【００２４】同期信号発生回路１８は、基本波成分Ｓ
１、第２次高調波成分Ｓ２及び第４次高調波成分Ｓ４を
検波するための３種類の同期信号ｆｒ，２ｆｒ，４ｆｒ
を発信する。

【００２５】同期検波回路１７ａ，１７ｂ，１７ｃは、
各信号成分を検波する回路であり、プリアンプ１２で増
幅された検出信号Ｓ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）を同期信号発
生回路１８からの同期信号によってそれぞれ検波して出
力する。マルチプレクサ１９は、各同期検波回路１７
ａ，１７ｂ，１７ｃの検波出力を順次Ａ／Ｄ変換器１４
に出力し、Ａ／Ｄ変換器１４でデジタル信号形式に変換
された検波出力はＣＰＵ１５に入力される。

【００２６】図３は図２に示した同期検波回路を詳細に
示した図である。

【００２７】同期検波回路１７は、基本的には積分器２
０と積分器２０の入力端側に接続された単極双投接点型
のアナログスイッチ２１からなっているが、さらに第１
瞬断手段としての単極単投接点型のアナログスイッチ２
２をアナログスイッチ２１の入力側に接続し、第２瞬断
手段としての単極単投接点型のアナログスイッチ２３を
積分器２０の時定数回路（コンデンサＣと抵抗器Ｒ１）
にそれぞれ接続した構成となっている。尚、アナログス
イッチ２２，２３は通常はオン状態のブレーク接点型で
ある。これによって本発明の零点調整を可能にしてい
る。

【００２８】同期検波回路１７は、積分器２０の入力端
に接続されたアナログスイッチ２１が同期信号によって
接地側か或いはアナログスイッチ２２側へ切り替わるよ
うになっている。このアナログスイッチ２１がアナログ
スイッチ２２側に接続された状態をオンとし、アナログ
スイッチ２１が接地側に接続された状態をオフとする。
すなわち、同期信号がＨレベル（図ではＯＮ）のときは
アナログスイッチ２１がオンとなって信号を検波し、積
分器２０を通して検波信号が出力される。同期信号がＬ
レベル（図ではＯＦＦ）のときはアナログスイッチ２１
がオフとなり同期検波回路１７が停止する。

【００２９】一方、アナログスイッチ２２，２３は、Ｃ
ＰＵ１５からの指令によってオン／オフが制御されるよ
うになっており、回転角速度Ωを測定する場合には各ア
ナログスイッチ２２，２３をオンにして同期検波回路１
７を動作させて回転角速度Ωを測定するようになってい
る。

【００３０】零点調整を行う場合には各アナログスイッ
チ２２，２３を瞬間的にオフ（瞬断）にし、同期検波回
路１７の信号入力を遮断すると共に積分器２０を切り離
して基準電圧（抵抗器Ｒ１の両端にかかる電圧）を測定
する。尚、本発明の零点調整を基本波成分にのみ行う場
合には同期検波回路１７ａにのみアナログスイッチ２
２，２３を付加すればよい。

【００３１】ここで零点調整について詳細に説明する。

【００３２】図２において同期検波回路１７ａ，１７
ｂ，１７ｃによって検出された基本波成分、第２次、第
４次高調波成分をそれぞれＳ１，Ｓ２，Ｓ４とすると、
Ｓ１は式（１），Ｓ２は（２），Ｓ４は（３）でそれぞ
れ表される。

【００３３】 Ｓ１＝Ｐ₀ ・Ｊ１（ｍ）・ｓｉｎΔθ ……（１） Ｓ２＝Ｐ₀ ・Ｊ２（ｍ）・ｓｉｎΔθ ……（２） Ｓ４＝Ｐ₀ ・Ｊ４（ｍ）・ｓｉｎΔθ ……（３） となる。但し、Ｐ₀ はパワー、Ｊ（ ）はベッセル関
数、ｍは変調度である。

【００３４】一方、回転角速度Ωはサグナック位相差Δ
θを用いて、式（４）で求められる。

【００３５】

【数１】

【００３６】よって、式（１）〜（４）により式（５）
が求まる。

【００３７】

【数２】

【００３８】しかし、同期検波回路１７ａ，１７ｂ，１
７ｃからは、その特性等によって入力信号が零でも出力
が零にならないようなバイアス成分Ｂ１，Ｂ２，Ｂ４が
それぞれ出力されるため、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ４はそれぞれ
式（６）、（７）、（８）となり、 Ｓ１＝Ｐ₀ ・Ｊ１（ｍ）・ｓｉｎΔθ＋Ｂ１ ……（６） Ｓ２＝Ｐ₀ ・Ｊ２（ｍ）・ｓｉｎΔθ＋Ｂ２ ……（７） Ｓ４＝Ｐ₀ ・Ｊ４（ｍ）・ｓｉｎΔθ＋Ｂ４ ……（８） 零点バイアスを測定しなければ回転角速度Ωが求まらな
いか或いは求まっても誤差を含んでしまう。

【００３９】本発明は、上記バイアス成分Ｂ１，Ｂ２，
Ｂ４を除去する零点調整に関するものである。

【００４０】図４（ａ）〜図４（ｃ）は、信号処理回路
による時間と検出信号との関係を示す図であり、横軸が
時間軸であり、縦軸が検出信号軸である。

【００４１】図４（ａ）は、一定レベルの信号が入力さ
れた状態で、零点バイアスが時間と共に増加したときの
検出信号（同期検出信号）を示している。図４（ｂ）
は、図４（ａ）の検出信号に従来の方法による零点調整
を行った結果を示している。図４（ｃ）は、図４（ａ）
の検出信号に本発明の零点調整を行った結果を示してい
る。すなわち、従来方式では、零点調整中は回転角速度
Ωの測定ができないため、回転角速度Ωを測定していな
いときに零点調整を行った結果、図４（ｂ）に示すよう
な鋸歯のような特性となる。これに対して本発明では回
転角速度Ωを測定しながら零点調整を行うことができる
ため、図４（ｃ）に示すようなフラットな特性が得られ
る。

【００４２】次にＣＰＵ１５で行われる処理を図５に示
したフローチャートを用いて説明する。尚、図５は図１
に示した光ファイバジャイロの信号処理を示すフローチ
ャートである。

【００４３】本発明の零点調整を基本波成分にのみ行う
場合は、初めに初期零点調整が必要となる。

【００４４】光源を駆動する電流を遮断するか或いは位
相変調器を停止させる（ステップＡ）。

【００４５】同期検波回路の信号入力の遮断と積分器の
分離とを行う２つのアナログスイッチを同時にオフにす
る（ステップＢ）。

【００４６】回路が安定動作するまで待機する（ステッ
プＣ）。

【００４７】基本波成分と第２次高調波成分及び第４次
高調波成分の各基準電圧値を測定する（ステップＤ）。

【００４８】測定後、ステップＢでオフした２つのアナ
ログスイッチをそれぞれオンにする（ステップＥ）。

【００４９】ステップＡで停止した光源か或いは位相変
調器を動作させる（ステップＦ）。

【００５０】再び回路が安定動作するまで待機し、初期
零点調整が終了する（ステップＧ）。

【００５１】本発明の零点調整をすべての信号成分にお
いて実施する場合はステップＡからステップＧまでの処
理は必要ない。

【００５２】次に通常動作での信号処理について説明す
る。

【００５３】基準電圧値の測定は、ステップＨで零点調
整を行う同期検波回路１７の信号入力の遮断と積分器２
０の分離とを行う２つのアナログスイッチ２２，２３を
同時にオフにし、ステップＩでその基準電圧値を測定
し、ステップＪにおいてステップＩで測定した基準電圧
値のデータをローパス処理することにより行う。ローパ
ス処理を行わない場合にはステップＪは必要ない。

【００５４】回転角速度Ωの測定は、ステップＫにおい
てステップＨでオフした２つのアナログスイッチ２２，
２３をそれぞれオンし、ステップＬにおいてステップＩ
及びステップＪで得られた基準電圧値と、ステップＤで
得られた偶数次の高調波成分の基準電圧値とを用いて行
う（但し、零点調整を基本波成分にのみ行う場合）。得
られた回転角速度ΩのデータはステップＭで出力され、
再びステップＨからステップＭまでの処理が繰り返され
る。

【００５５】ここで、ステップＪで行われるローパス処
理について詳細に説明する。

【００５６】まず、データ系列をＸｉ（ｉ＝１，２，
…，ｎ，…∞）と仮定し、カットオフ周波数をｆｃｒ
（Ｈｚ）、サンプリングインターバルをτｓ（ｓｅ
ｃ）、時間軸ローパスフィルタ処理関数をＬＰｉ（（Ｘ
１，Ｘ２，…，Ｘｉ），ｆｃｒ，τｓ）と定義する。

【００５７】(1) 算術移動平均を使用する場合、一般
に、式（９）で表されるので、

【００５８】

【数３】

【００５９】式（９）を用いてソフトウェアローパスフ
ィルタを構成してローパスフィルタ処理を行う。

【００６０】(2) 一次フィルタを使用する場合、一般
に、式（１０）、（１１）

【００６１】

【数４】

【００６２】

【数５】

【００６３】とすると、式（１２）が得られるので、

【００６４】

【数６】

【００６５】式（１２）を用いてソフトウェアローパス
フィルタを構成してローパスフィルタ処理を行う。

【００６６】(3) 二次フィルタを使用する場合、一般
に、ｐを式（１３）とし、ｑを式（１４）とすると、

【００６７】

【数７】

【００６８】

【数８】

【００６９】（但し、Ｄはダンピングファクタであり、
通常０．６程度である）式（１５）が得られる（カット
オフ周波数は実験値を使用する）ので、

【００７０】

【数９】

【００７１】式（１５）を用いてソフトウェアローパス
フィルタを構成してローパスフィルタ処理を行う。

【００７２】以上において本実施の形態によれば、信号
処理回路に設けられ電気信号から各信号成分を分離する
同期検波回路の信号入力を瞬断する第１瞬断手段と、上
記同期検波回路の積分器の時定数回路を瞬断する第２瞬
断手段とを備え、第１瞬断手段及び第２瞬断手段によっ
て定期的に瞬断を行い、その時に分離取得した各信号成
分の出力レベルから各基準電圧値を求め、求めた各基準
電圧値からの変化量から回転角速度を検出して出力す
る。すなわち、同期検波回路の信号入力の瞬断と同期検
波回路の積分器の時定数回路とを瞬断するが、これらの
信号入力や時定数回路瞬断しても光源や信号処理回路が
安定に動作することができるため、以下のような効果が
得られる。

【００７３】(1) 回転角速度の測定を停止することなく
いつでも零点調整が行える。

【００７４】(2) 零点調整が自動で行える。

【００７５】(3) 比較的簡単な構成で安価に実現でき
る。

【００７６】(4) 回転角速度の測定と基準電圧の測定と
を同時に行うことができる。

【００７７】尚、本実施の形態では、基準電圧値の測定
を回転角速度の測定と同じ周期で行ったが、零点ドリフ
トは長い周期で発生するため、回転角速度の測定よりも
っと長い周期で基準電圧値の測定を行ってもよい。

【００７８】また、本発明は、位相変調方式の光ファイ
バジャイロにおいて、広く応用可能であり、特に温度変
動の激しい環境や、長時間にわたって動作させるような
場合に非常に有効である。

【００７９】

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、次のよう
な優れた効果を発揮する。

【００８０】信号処理回路に設けられ電気信号から各信
号成分を分離する同期検波回路の信号入力を瞬断する第
１瞬断手段と、上記同期検波回路の積分器の時定数回路
を瞬断する第２瞬断手段とを備え、第１瞬断手段及び第
２瞬断手段によって定期的に瞬断を行い、その時に分離
取得した各信号成分の出力レベルから各基準電圧値を求
め、求めた各基準電圧値からの変化量から回転角速度を
検出して出力するので、回転角速度の測定を中断するこ
となく自動的に零点調整を行うことができる光ファイバ
ジャイロを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光ファイバジャイロの一実施の形態を
示す構成図である。

【図２】図１に示した検波回路の周辺部を示す図であ
る。

【図３】図２に示した同期検波回路を詳細に示した図で
ある。

【図４】（ａ）〜（ｃ）は、信号処理回路による時間と
検出信号との関係を示す図である。

【図５】図１に示した光ファイバジャイロの信号処理を
示すフローチャートである。

【図６】本発明の前提となった光ファイバジャイロの構
成図である。

【符号の説明】

１ 光源（レーザ光源） １０ 光学系 １１ 信号処理回路 １３ 検波回路 １７、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ 同期検波回路 ２０ 積分器 ２２ 第１瞬断手段（アナログスイッチ） ２３ 第２瞬断手段（アナログスイッチ）

【手続補正書】

【提出日】平成８年５月１３日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３３】 Ｓ１＝Ｐ₀ ・Ｊ１（ｍ）・ｓｉｎΔθ ……（１） Ｓ２＝Ｐ₀ ・Ｊ２（ｍ）・ｃｏｓΔθ ……（２） Ｓ４＝Ｐ₀ ・Ｊ４（ｍ）・ｃｏｓΔθ ……（３） となる。但し、Ｐ₀ はパワー、Ｊ（ ）はベッセル関
数、ｍは変調度である。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３８】しかし、同期検波回路１７ａ，１７ｂ，１
７ｃからは、その特性等によって入力信号が零でも出力
が零にならないようなバイアス成分Ｂ１，Ｂ２，Ｂ４が
それぞれ出力されるため、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ４はそれぞれ
式（６）、（７）、（８）となり、 Ｓ１＝Ｐ₀ ・Ｊ１（ｍ）・ｓｉｎΔθ＋Ｂ１ ……（６） Ｓ２＝Ｐ₀ ・Ｊ２（ｍ）・ｃｏｓΔθ＋Ｂ２ ……（７） Ｓ４＝Ｐ₀ ・Ｊ４（ｍ）・ｃｏｓΔθ＋Ｂ４ ……（８） 零点バイアスを測定しなければ回転角速度Ωが求まらな
いか或いは求まっても誤差を含んでしまう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 園部 久雄 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源からの光を位相変調してセンシング
   ループに導き、センシングループを周回した光を受光し
   て電気信号に変換し、この電気信号を信号処理回路によ
   ってセンシングループに加わる回転角速度を検出する光
   ファイバジャイロにおいて、上記信号処理回路に設けら
   れ電気信号から各信号成分を分離する同期検波回路の信
   号入力を瞬断する第１瞬断手段と、上記同期検波回路の
   積分器の時定数回路を瞬断する第２瞬断手段とを備え、
   上記第１瞬断手段及び第２瞬断手段によって定期的に瞬
   断を行い、その時に分離取得した各信号成分の出力レベ
   ルから各基準電圧値を求め、求めた各基準電圧値からの
   変化量から上記回転角速度を検出して出力することを特
   徴とする光ファイバジャイロ。
2. 【請求項２】 上記第１瞬断手段及び上記第２瞬断手段
   による瞬断が基本波成分を分離する同期検波回路にのみ
   行われ、瞬断時に分離取得した基本波成分の出力レベル
   から基本波成分の基準電圧値を求め、求めた基本波成分
   の基準電圧値とその他の信号成分については初期に求め
   た基準電圧値とからの変化量から上記回転角速度を検出
   して出力する請求項１記載の光ファイバジャイロ。
3. 【請求項３】 上記第１瞬断手段及び上記第２瞬断手段
   による瞬断時に分離取得した信号成分をソフトウェアロ
   ーパスフィルタによって低域通過処理し、濾波後に得ら
   れたデータから各基準電圧値を求め、各基準電圧値の変
   化量から上記回転角速度を検出し出力する請求項１記載
   の光ファイバジャイロ。