JPS6370114A - ファイバ光学サグナック干渉計による回転速度測定のための方法およびファイバ光学サグナック干渉計を有する回転速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はファイバ光学サグナック干渉計を用いる回転
速度ＡＰＩ定および回転速度センサのための方法に関す
るものである。

回転速度センサとして、サグナック干渉計を、特にファ
イバ光学サグナック干渉計を用いると、特にかつたとえ
ば温度の影響のせいで、目盛計数の再現性の問題がスト
ラップダウンシステムで起こり、さらに本質的にリセッ
トシステムのまたは光源の選択のせいである線形性の問
題が起こる。

この発明は、特にファイバ光学サグナック干渉計による
回転速度Δ―ｊ定、およびそのようなサグナック干渉：
１を含む回転速度センサのための方法を作り出すという
目的に基づいており、その方法および装置においては目
盛計数の再現性は確実にされ得てさらに４Ｉｌｊ定結果
の高い線形性が比較的高い回転速度を伴なっていてすら
確実にされ得る。

この方法に関して、この発明の基本的な概念は特許請求
の範囲第１項に要約され、他方この発明に従ったファイ
バ光学サグナック干渉＝１を伴なう回転速度センサが特
許請求の範囲第６項に特定される特徴を有している。

この発明の概念の有利な展開およびそれへの補足は各場
合に従属する特許請求の範囲で特徴が述べられている。

この発明は回転速度測定および回転速度センサ（ジャイ
ロスコープ）の（機械的な）リセットの双方に対してサ
グナック効果の使用を適用するという考えに基づいてい
る。

当業者は次の方程式の導出によりこの発明の特別の利点
の基本的な重要性を認めるのに難しくない。

サグナック干渉計のファイバのリングが合計の長さＬＧ
−Ｌ＋［を有するものとする。

長さしおよび半径Ｒのジャイロスコープを据付けたファ
イバコイルでは、サグナック位相はであり、そこではΩ
は慣性空間での回転速度であり、λは使用される光の波
長でありさらにＣは光の速度である。半径「およびファ
イバ長隻を有する、サグナック干渉計のセンシングコイ
ルの一部が回転可能でありかつモータにより駆動される
ように支持されるならば、位相シフト が慣性空間に関する回転Φ、のせいで生じる。

モータの回転速度が、 ΦＳ　　″ΦＳ が当てはまるような態様で今制御されるならば、次のも
のが得られる。

Ｌ−Ｒ・Ω−見・「・Ω。

センシングコイルまたは後に続く本文で「リセットコイ
ル」と呼ばれるセンシングコアの部分の回転の軸が平行
であるように選択されるならば、すなわち、簡単には、
ΩおよびΩ、の回転の軸か平行であるならば、ジャイロ
スコープが取付けられたシステムに関連したリセットの
回転速度を測定することにより次のものが得られる。

Ｌ・＆ Ω１．ｌ繻Ω−Ω、罐Ω（１−−） 兄・ｉ Ω。が測定されるならば、回転速度Ωはとして決定され
得る。この結果から、この発明の次の利点が認められ得
る。

−回転速度Ω口は変換比が自由に選択可能であるのでΩ
よりもかなり大きくなり得る。

−変換比は今や幾何常置に依存しているにすぎず、もは
や屈折率または光源の波長には依存していない。

−たとえば、リセットコイルおよびセンシングコイルの
ための材料が同一であるように選択されるならば、目盛
係数のいずれのａ度依存も完全に消える。これは全コイ
ルがＱ−Ｌｒ、が当てはまるように回転体に設置される
配置に相応して適用される。

慣性精度を伴なういわゆる開ループ干渉計は既に大体に
おいて公知である。そのような干渉計はそれらの零安定
性を損失することなくｒド純な態様でリセットされ得る
。

この発明の概念の有利な展開に従って、回転速度Ω。は
、たとえば光学デコーディングディスクにより、比較的
簡単に測定され得る。コーディング記号が少なくとも２
つまたはそれ以上のフォトダイオードにより読取られる
ならば、回転速度および回転方向の双方が高分解能、す
なイつちコーディング記号の分割により予め規定された
ものよりもより良い分解能で決定され得る。

実際の回転速度Ωを決定するために、たとえば、光学デ
コーディングディスクを介して測定される、回転速度Ω
。の変換のために変換器の原理が用いられるという事実
のせいで、この発明の主題はまた「オプトメカニカル回
転速度変換器」と呼ばれ得るであろう。

後に続く本文で、この発明および有利な詳細および補足
が図面に関連して、例示的な実施例においてより一層詳
細に説明される。

第１に、第１図におけるようにこの発明に従った特徴を
有する回転速度センサの形状の基本的な配置が簡単に説
明される。

好ましい広帯域光源１からの光は単一モードのファイバ
２へと放射されさらに方向性ファイバカブラ３およびモ
ードフィルタ４（偏光子および空間フィルタ）を通過し
さらに次いで方向性ファイバカプラ５を介してサグナッ
ク干渉計（後に続く本文でより一層詳細に説明される）
に至る。これまで説明されてきた光学形状は単一の続出
モジュール６で組合わされ得る。

サグナック干渉計２２の長さは位相変調器７により公知
の態様で周期的に位相変調される。光はカプラ位置５か
らファイバセンシングコイル８、好ましくは２つの勾配
レンズ（セルフォックレンズ（Ｓｅｌｆｏｃ　　１ｅｎ
ｓｅｓ））およびその各々が偏光時の回転の影響を除去
するためにセルフォックレンズにしっかりと接続されて
いる２つリセットコイル１０およびまた別な光学回転リ
ンク１１へと通過し、さらに続いて方向性ファイバカプ
ラ５で反対方向からの光と組合わされる。戻りの干渉す
る光が再び逆方向にモードフィルタ４を通過しかつ本来
公知の態様で方向性ファイバカプラ３を介してフォトダ
イオード１２へ伝導され、その信号は制御電子ユニット
１３で処理される。

一方で、制御電子ユニット１３が位相変調器７に対し差
動信号を供給しさらにもう一方で、それは干渉計２２が
モータ１４によりリセットコイル１０を回転することに
より、常に同一動作点で、すなわち明らかな回転速度信
号「０」で動作されるということを確実にする。慣性の
回転速度Ω。

はモータ１４のシャフトに接続されたデコーディングデ
ィスクによるオプトエレクトロニック読出装置１６によ
りディジタル的に読出され得てさらに実際の慣性回転速
度は上で明記された方程式の関係に従って変換の再計算
により計算され得る。

リセットコイル１０はファイバの縦長の方向に見て、こ
の手段により温度勾配変化の影響を可能な限り小さく保
つために、センシングコイル８の内側の可能な限り中央
に配置されるべきである。

第２図は第１図に従った回転速度センシング装置の構造
上の形状を示している。リセットコイル１０はセンサハ
ウジング２］でセンシングコイル８の内側で、その縦長
の拡がりに関して同軸的にかつ中心で支持されている回
転対称的な回転体２０上に巻かれている。回転リンク９
および１１は示されるように回転の軸に対し軸的に平行
に配置される。モータ１４は示されるように回転体２０
上の拡がりに直接的に回転してしっかりと押され得る。

第３図および第４図はセンシングコイル８が省かれてい
るまた別な実施例を示している。この配置の利点は主に
リセットコイル１０はその回転軸のまわりの回転に関連
する慣性の空間に関して取付けられ続けるという事実、
すなわちリセットモータ１４が低出力を作りさえすれば
よいという事実に存する。

光学回転リンクに対するインターフェイスはまた別なと
ころにあってもよく、原則として、いずれの点にあって
もよい。しかしながら、回転動作での一定の摩耗；を受
ける電気スリップリングか次に必要とされる。

第５図に示される別な基本的な実施例において、読出モ
ジュール６およびリセット電子ユニット１３を含む、全
ファイバジャイロスコープがリセットされるように回転
部分２０上に装備されている。

見られるように、スリップリングフィード１７のみか供
給電圧のために必要とされている。すべての光学回転リ
ンクが省かれる。

この発明の例示の実施例の本質的なデータはこの発明の
概念の一層の説明としてかつ、特に、リセットコイルを
リセットするのに必要とされる出力を評価することを可
能にするために慣性精度を有するストラップダウンジャ
イロスコープにより与えられる。

次のデータが予め規定されていた： 最大回転速度：　　　６０度／秒 最大角加速度：　　　　１０００度／秒２ファイバ長：
　　　　　２０００ｍ コイルの直径：　　　　３０ｃｍ 目盛係数 （開ループ）＝　　　７５マイクロラド／度／時光学バ
イアス安定性：１０−’ラド バイアス再現可能性：１．３Ｘ］、０−３度／時変換比
：　　　　　　　１：５０ エンコーダディスクは光学的に読出される１／３６００
分割を有する。

最大回転速度で、リセットに影響を与えるモータ１４は
８．５回転／秒−５００回転／分で回転した。リセット
装置の慣性モーメントがθ−１０−’ｋｇｍ２であると
いうことが仮定されるならば、さらに５０，０００度／
秒２の最大角加速度が仮定されるならば、このために必
要なモータ出力は次のように計算される。

ｐ−θ−ω・ω−４，６Ｗ 作り出された出力は主に熱にではなく運動エネルギに転
換される。この配置では、モータ電気ユニットはこのエ
ネルギがブレーキングの間回復されさらにたとえば、バ
ッファバッテリへ送られ得るような態様で設計され得る
。

上の方程式に従って解を求めかつ変換するとコーディン
グ／デコーディングユニットでの低デマンドで２Ｘ１０
−３度−７，２秒の角度分解能を生じる結果になる。０
．１４Ｈｚの出力周波数は１度／時の回転速度に対応す
る。分解能はオプトエレクトロニックスキャナでの象限
検出器を用いることによりほんのわずかな努力で幾倍に
もされ得る。

全体として、この発明はファイバ技術における高度に正
確なストラップダウンジャイロスコープをその構造に対
しリセットすることの新たな可能性を開くということが
わかる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に従ったファイバ光学サグナック干渉
計およびオプトメカニカル回転速度変換器を伴なう回転
速度センサの基本的な形状を示している。 第２図は第１図に従った回転速度センサの構造上の形状
を示している。 第３図はこの発明に従った特徴を有する回転速度センサ
の別な実施例の基本的な形状を示している。 第４図は第３図に従った回転速度センサの配置の構造上
の形状を示している。 第５図はこの発明の別な基本的な例示の実施例を示して
いる。 図において、１は広帯域光源、２は？ドーモードファイ
バ、３は方向性ファイバカプラ、４はモードフィルタ、
５は方向性ファイバカプラ、６は続出モジュール、７は
位相変調器、８はセンシングコイル、９は光学回転リン
ク、１０はリセットコイル、１１は光学回転リンク、１
２はフォトダイオード、１３は制御電子ユニット、１４
はモータ、１６オプトエレクトロニツク読出装置、１７
はスリップリングフィード、２０は回転体、２１はセン
サハウジングである。 特許出願人　リテフ・ゲゼルシャフト・ミツトのベシュ
レンクテル・

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. （１）ファイバ光学サグナック干渉計による回転速度測
   定のための方法であって、 干渉計のファイバコイル（８）の少なくとも一部（１０
   ）がモータ駆動（１４）により回転可能なように別々に
   支持され、 干渉計出力信号（Ｉ＿ｏ＿ｕ＿ｔ）が残余の制御誤差は
   別として、干渉計出力信号が０になるような態様でモー
   タ駆動（１４）の回転速度を訂正する制御配置（１３）
   に入力信号（実際の値）として送られ、さらに 全体の配置のハウジングに関連してファイバコイル（８
   ）の回転可能に支持された部分（１０）の回転速度が慣
   性回転速度の尺度として評価されることを特徴とする、
   方法。
2. （２）ファイバコイル（８）の回転可能に支持された部
   分（１０）がファイバセンシングコイル（８）の残りの
   部分の内側で同軸でかつ中央に配置されることを特徴と
   する、特許請求の範囲第１項に記載の方法。
3. （３）光が光学回転リンク（９、１１）を介して回転の
   軸の方向へファイバコイル（８）の回転可能に支持され
   た部分（１０）へおよびそこから供給されることを特徴
   とする、特許請求の範囲第２項に記載の方法。
4. （４）全ファイバコイル（１０）が回転可能に支持され
   かつ制御可能モータ駆動（１４）によりリセットされる
   ことを特徴とする、特許請求の範囲第１項ないし第３項
   のいずれかに記載の方法。
5. （５）回転速度測定に対する全体的な配置がモータ駆動
   （１４）により駆動され得る回転体（２０）上に配置さ
   れることを特徴とする、特許請求の範囲第１項ないし第
   ４項のいずれかに記載の方法。
6. （６）ファイバ光学サグナック干渉計を有する回転速度
   センサであって、 干渉計のファイバコイル（８）の少なくとも一部（１０
   ）がモータ（１４）により駆動される回転体（２０）上
   に別々に巻かれ、 回転体（２０）に巻かれた、ファイバコイル（８）の部
   分（１０）の対応する回転により、残余の制御誤差とは
   別に、干渉器出力信号（Ｉ＿ｏ＿ｕ＿ｔ）が干渉出力信
   号が０になるような態様でモータ（１４）の回転速度を
   調整する電気制御回路（１３）を入力信号として与えら
   れ、さらに センサハウジング（２１）に関連する回転体（２０）の
   回転速度が慣性の回転速度の尺度として評価されること
   を特徴とする、回転速度センサ。
7. （７）回転体（２０）およびそれに巻かれた、ファイバ
   コイル（８）の部分（１０）がファイバコイル（８）の
   残りの部分の内側で同軸でかつ中央に支持され、さらに 光が各々１つの光学回転リンク（９、１１）を介して回
   転の軸の方向に回転体（２０）に巻かれた、ファイバコ
   イル（８）の部分（１０）へおよびそこから供給される
   ことを特徴とする、特許請求の範囲第６項に記載の回転
   速度センサ。
8. （８）光学回転リンク（９、１１）が勾配レンズにより
   実現されることを特徴とする、特許請求の範囲第７項に
   記載の回転速度センサ。
9. （９）勾配レンズがセルフォックレンズ（Ｓｅｌｆｏｃ
   　ｌｅｎｓｅｓ）であることを特徴とする、特許請求の
   範囲第８項に記載の回転速度センサ。
10. （１０）線形の偏光が用いられるならば、光が中および
    外で結合される区域でｎ（λ／４）板が用いられ、λは
    光の波長を示しかつｎは奇数の整数の自然数を示すこと
    を特徴とする、特許請求の範囲第７項、第８項または第
    ９項に記載の回転速度センサ。
11. （１１）回転体（２０）に回転可能に剛体接続されかつ
    回転速度を決定するために光学的に走査されるコーディ
    ング記号を特徴とする、特許請求の範囲第７項に記載の
    回転速度センサ。
12. （１２）回転体（２０）でのコーディング記号が直接に
    またはそれに回転するよう剛体接続されるコーディング
    ディスク（１５）に与えられるということ、さらに光学
    的走査がオプトカプラにより、好ましくは少なくとも２
    つのフォトダイオードによりなしとげられ、回転速度か
    つまた回転の方向の双方が読出され得てさらに分割によ
    り予め規定されたものよりもより高い分解能が達成され
    るようにすることを特徴とする、特許請求の範囲第１１
    項に記載の回転速度センサ。
13. （１３）全ファイバコイル（１０）が回転体（２０）に
    適用されることを特徴とする、特許請求の範囲第６項な
    いし第１２項のいずれかに記載の回転速度センサ。
14. （１４）全回転速度センシング装置が回転体（２０）上
    に配置されることを特徴とする、特許請求の範囲第１３
    項に記載の回転速度センサ。
15. （１５）光が直接光学導波管を介して回転体の軸に沿っ
    て、回転体（２０）に巻かれた、ファイバコイル（８）
    の部分（１０）へ中および外で結合されることを特徴と
    する、特許請求の範囲第７項に記載の回転速度センサ。