クローズドループ方式光干渉角速度計
【課題】温度特性の良い自己診断機能を備えたクローズドループ方式光干渉角速度計を提供する。
【解決手段】位相変調信号に自己診断用の擬似角速度を重畳して位相変調器に供給する擬似角速度信号発生部を具備し、擬似角速度信号発生部は、ゲイン制御部と、擬似信号発生回路と、加算器と、Ｄ/Ａ変換器とを備える。ゲイン制御部は、診断用に設定される角速度に相当する位相差としきい値と基準しきい値とを入力として、しきい値を基準しきい値で除したゲイン係数を、診断用の角速度に相当する位相差に乗じて診断用位相差として出力する。擬似信号発生回路は、階段状鋸歯状波の擬似角速度信号を生成する。加算器は、位相変調信号と擬似角速度信号とを加算する。Ｄ/Ａ変換器は、加算器の出力信号をディジタル/アナログ変換して位相変調器に供給する。
【解決手段】位相変調信号に自己診断用の擬似角速度を重畳して位相変調器に供給する擬似角速度信号発生部を具備し、擬似角速度信号発生部は、ゲイン制御部と、擬似信号発生回路と、加算器と、Ｄ/Ａ変換器とを備える。ゲイン制御部は、診断用に設定される角速度に相当する位相差としきい値と基準しきい値とを入力として、しきい値を基準しきい値で除したゲイン係数を、診断用の角速度に相当する位相差に乗じて診断用位相差として出力する。擬似信号発生回路は、階段状鋸歯状波の擬似角速度信号を生成する。加算器は、位相変調信号と擬似角速度信号とを加算する。Ｄ/Ａ変換器は、加算器の出力信号をディジタル/アナログ変換して位相変調器に供給する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、自己診断機能を備えたクローズドループ方式光干渉角速度計に関する。
【背景技術】
【０００２】
図４に、標準的なクローズドループ方式光干渉角速度計の構成例を示し、その動作について概説する。光源駆動回路１によって制御された光源２から一定強度の光が照射される。この光は光ファイバで伝送され、光カプラ３を経由して光学素子４に入射する。光学素子４は、例えば、ニオブ酸リチウム（LiNbO3）の光学結晶に導波路を形成し、光分岐結合器９、位相変調器７、位相変調器８を集積化した光集積回路を用いる。入射した光は、光分岐結合器９によって二つのルートに分岐され、一方がＣＷ（clockwise）光として光ファイバコイル５の一端に入射し光ファイバコイル５を周回して他端に至り、他方がＣＣＷ（counter-clockwise）光として光ファイバコイル５の他端に入射し光ファイバコイル５を周回して一端に至ることになる。なお、この明細書では、「時計回り」と「反時計回り」を図面を正面に見たときの時計回りと反時計回りとして説明する。
【０００３】
この際、ＣＷ光およびＣＣＷ光に対して位相変調が行われる。即ち、角速度入力が無い状態でＣＷ光あるいはＣＣＷ光が光ファイバコイル５を通過する時間をτとすると、光学素子４の上で二つのルートのうち一方に設けられた位相変調器７は、タイミング信号発生回路５０によって発生するタイミング信号を入力として、位相変調駆動回路６０が発生したパルス幅をτ、デューティ比を１/２とする矩形波（図５参照）によって、ＣＷ光とＣＣＷ光に対して＋π/４と−π/４の位相変調を交互に行う。
【０００４】
図４に示す構成では、ＣＷ光は、光ファイバコイル５を周回する前に位相変調器７によって位相変調を受け、ＣＣＷ光は、光ファイバコイル５を周回した後に、位相変調器７によって位相変調を受ける。従って、同一時点で分岐されたＣＷ光とＣＣＷ光とで位相変調を受ける時点がτだけずれているため、ＣＷ光とＣＣＷ光とでは相対的に＋π/２と−π/２の位相差が与えられることになる。
【０００５】
ところで、ＣＷ光とＣＣＷ光は、光ファイバコイル５を周回した後、光学素子４の光分岐結合器９によって光学的に結合し、干渉する。角速度の入力が無い状態でＣＷ光とＣＣＷ光との間にΔΦの位相差があるとすると、ＣＷ光とＣＣＷ光とが干渉した光の強度（干渉光強度Ｉ０）はその最大強度をＰ０として、式（１）で与えられる（図６（ａ）で示す実線で描かれた曲線を参照のこと）。
【０００６】
【数１】
【０００７】
位相変調器７によって、ＣＷ光とＣＣＷ光に対して相対的に＋π/２と−π/２の位相差が与えられると、式（１）に従い、ΔΦ＝＋π/２の場合でもΔΦ＝−π/２の場合でも干渉光強度Ｉ０はＰ０/２となる（図６（ｂ）参照）。なお、図５に示す矩形波の立上がり又は立下りの遷移時に、干渉光強度Ｉ０は最大強度Ｐ０となる点を通過するため図６（ｂ）、図７（ｂ）に示すスパイクノイズを生じる。
【０００８】
さて、クローズドループ方式光干渉角速度計に時計回りに角速度Ω[rad/s]が加わったとする。正確には光ファイバコイル５に時計回りに入力角速度Ωが加わることであり、この結果、ＣＷ光とＣＣＷ光とで光路長が異なり、ＣＷ光とＣＣＷ光との間に入力角速度Ωに基づく位相差が生じる（サニャック効果）。サニャック効果によるＣＷ光とＣＣＷ光の位相差（サニャック位相差）をΔΦｓとする。時計回りの入力角速度Ωが加わった場合、ＣＣＷ光の位相に対してＣＷ光の位相はΔΦｓだけ進む。このサニャック位相差ΔΦｓが加わったときの干渉光強度Ｉ０は式（２）で与えられる（図７（ａ）で示す実線で描かれた曲線を参照のこと。破線で示す曲線は式（１）で与えられるものである。）。
【０００９】
【数２】
【００１０】
入力角速度Ωが加わった場合も、位相変調器７により＋π/２と−π/２の位相差が与えられることは変わらないので、ＣＷ光とＣＣＷ光とでは、位相変調器７による位相変調ΔΦ＝±π/２とサニャック位相差ΔΦｓが合わさった＋π/２＋ΔΦｓと−π/２＋ΔΦｓの位相差が生じる。よって、ＣＷ光とＣＣＷ光の位相差が＋π/２＋ΔΦｓの場合に干渉光強度Ｉ０はＰ１となり、−π/２＋ΔΦｓの場合に干渉光強度Ｉ０はＰ２となる（図７（ｂ）参照）。Ｐ１は式（３）で与えられ、Ｐ２は式（４）で与えられる。また、干渉光強度Ｐ１と干渉光強度Ｐ２との差である干渉光強度差ΔＩは式（５）で定義される。干渉光強度差ΔＩの極性により、入力角速度Ωの向き（時計回り又は反時計回り）を知ることができる。
【００１１】
【数３】
【００１２】
式（５）は、干渉光強度差ΔＩを観測すればサニャック位相差ΔΦｓを知ることができ
ることを意味する。サニャック位相差ΔΦｓは式（６）で与えられる。Ｒは光ファイバコ
イル５の半径[ｍ]、Ｌは光ファイバコイル５の光ファイバ長[ｍ]、ｃは光速[ｍ/ｓ]、
λは光源波長[ｍ]、ｎは光ファイバコイル５のコア部の屈折率を表す。
【００１３】
【数４】
【００１４】
クローズドループ方式光干渉角速度計では、干渉光強度差ΔＩを０とするように、つまり、サニャック位相差ΔΦｓを打ち消すように負帰還制御を行う。このことを図４を参照して説明する。
【００１５】
光学素子４の光分岐結合器９によってＣＷ光とＣＣＷ光が光学的に結合した干渉光は、光カプラ３に入射して分岐される。分岐されて光カプラ３の出力となった干渉光は、受光器６に入射して光電変換される。光電変換されて生成されたアナログの電気信号は、Ａ/Ｄ変換器１０に入力され、ディジタル信号に変換される。このディジタル信号はディジタル信号処理装置３０に入力される。
【００１６】
ディジタル信号処理装置３０は、同期検波回路３１、積分器３２、フィードバック信号発生回路３３、ランプ波高値制御部３５を含む。Ａ/Ｄ変換器１０の出力であるディジタル信号は、同期検波回路３１に入力される。
【００１７】
同期検波回路３１は、このディジタル信号に対して同期検波を行い、干渉光強度差ΔＩつまりサニャック位相差ΔΦｓに対応した信号を出力する。そして、積分器３２は、同期検波回路３１の出力信号を入力とし、この入力を時間積分した積分値（ディジタル値の累積加算値）を出力する。
【００１８】
積分器３２の出力は、フィードバック信号発生回路３３に入力される。フィードバック信号発生回路３３は、時間τにつきフィードバック信号の振幅をΔΦｓだけ増大（減少）させ、この振幅が±２ｍπ（ｍは整数）を超える時点で２ｍπだけ振幅を減少（増大）させるフライバック制御を繰り返し、階段状鋸歯状のフィードバック信号を発生する。なお、クローズドループ方式光干渉角速度計では負帰還制御を行うので、フィードバック信号の極性は、サニャック位相差ΔΦｓを打ち消すように設定される。フィードバック信号の繰り返し周波数によって入力角速度を検出することが出来るが、このことは後述する。
【００１９】
ランプ波高値制御部３５は、Ａ/Ｄ変換器１０の出力とタイミング信号に基づき、±２ｍπであるしきい値を生成する。ランプ波高値制御部３５の詳細は後述する。
【００２０】
フィードバック信号発生回路３３の出力は、Ｄ/Ａ変換器４０に入力され、アナログ信号に変換される。このアナログ信号は、光学素子４の上で二つのルートのうち他方に設けられた位相変調器８に入力される。なお、Ａ/Ｄ変換器１０、同期検波回路３１、積分器３２、フィードバック信号発生回路３３は、タイミング信号発生回路５０が発生するタイミング信号によって信号処理の同期が保たれている。
【００２１】
図８に、階段状鋸歯状波とされたフィードバック信号による位相変調を受けたＣＷ光及びＣＣＷ光について、変調分の位相（変調位相）と時間との関係を例示する。両光はフライバック制御の階段状鋸歯状波とされたフィードバック信号による位相変調を受けるため、両光の変調位相は階段状鋸歯状波となる。ここで、フィードバック信号は振幅が±２ｍπを超える時点で２ｍπだけ振幅を減少（増大）させるフライバック制御を受けているため、ＣＷ光とＣＣＷ光の各変調位相は周期Ｔで繰り返す。
【００２２】
ＣＷ光の変調位相（図８（ａ）で実線で示されている）と、ＣＣＷ光の変調位相（図８（ａ）で破線で示されている）とでは、位相変調を受ける時点がτだけずれているため、時間軸方向にτだけずれが生じる。ここでフィードバック信号である階段状鋸歯状波の階段の幅は時間τに設定されており、ＣＷ光の変調位相とＣＣＷ光の変調位相との位相差は、図８（ｂ）に示されるとおりとなる。つまり、ＣＷ光とＣＣＷ光との間に−ΔΦｆあるいはΦＲ（２ｍπ）−ΔΦｆのフィードバック位相差が与えられ、サニャック位相差ΔΦｓ（図８（ａ）で破線で示されている）が打ち消される。
【００２３】
フィードバック信号の繰り返し周波数による入力角速度の検出について説明する。フィードバック信号の繰り返し周波数ｆ（周期Ｔ）と入力角速度Ωとの関係は、周期Ｔ＝２ｍπτ/ΔΦｓに式（６）を用いることで式（７）で与えられる。
【００２４】
【数５】
【００２５】
すなわち、フィードバック信号の繰り返し周波数ｆを計測すれば与えられた入力角速度Ωを知ることができる。そこで、フィードバック信号発生回路３３からのフィードバック信号を角速度出力部７０に入力し、この角速度出力部７０でフィードバック信号の繰り返し周波数ｆを求め、この繰り返し周波数ｆに対応した正パルス出力及び負パルス出力を生成する。正パルス出力は例えば時計回りの角速度が入力された場合の出力を示し、負パルス出力は例えば反時計回りの角速度が入力された場合の出力を示す。
【００２６】
なお、位相変調器７が、上述の矩形波によってＣＷ光とＣＣＷ光に対して＋π/４と−π/４の位相変調を交互に行い、ＣＷ光とＣＣＷ光との間に相対的に＋π/２と−π/２の位相差を与える理由は、Δφ＝±π/２のとき、式（８）の干渉光強度の変化率が最大となり、サニャック位相差Δφｓに対する感度が最大となるからである。
【００２７】
【数６】
【００２８】
ランプ波高値制御部３５は、位相変調器７，８の電気光学係数が温度特性を有していること等の理由によりフィードバック信号の最大位相偏移ΦＲが、理想的な２ｍπの値からずれてしまうことを防止する。フィードバック信号の最大位相偏移ΦＲの２ｍπからのずれは、クローズドループ方式光干渉角速度計のスケールファクタリニアリティの劣化につながる。その理由を図９を参照して説明する。
【００２９】
図９は、フィードバック位相差ΔΦｆと干渉光強度Ｉとの関係を示した図である。（ア）で示した期間は最大位相偏移ΦＲが丁度２π（rad）(ｍ＝１とした場合)の場合であり、フィードバック信号のフライバック制御の前後で干渉光強度に差異は現れない。ところが、フィードバック信号の最大位相偏移ΦＲが２πより小さく与えられた場合、（イ）の期間に示されるようにフライバック制御の前後で干渉光強度に差異が現れる。このように干渉光強度に差異が現れると厳密には式（７）が成り立たなくなり、クローズドループ方式光干渉角速度計のスケールファクタリニアリティが劣化する。このことは、フィードバック信号の最大位相偏移ΦＲが２πより大きく与えられた（ウ）の期間でも同様である。
【００３０】
ランプ波高値制御部３５は、同期検波回路３６、積分器３７、加算器３８、２ｍπ基準値発生器３９、で構成される。同期検波回路３６は、図９（イ），（ウ）で示した干渉光強度の差異を同期検波することで検出する。積分器３７は、同期検波回路３６で検出された干渉光強度の差異を積分する。ランプ波高値制御部３５は、２ｍπ基準値発生器３９が基準しきい値に積分器３７の出力を加算して、最大位相偏移ΦＲ＝２ｍπになるようにしきい値の値を制御する。しきい値は、フィードバック信号発生回路３３に入力される。
【００３１】
フィードバック信号発生回路３３は、そのしきい値を最大位相偏移ΦＲとして階段状鋸歯状のディジタル信号のフィードバック信号を生成するので、フィードバック信号の最大位相偏移は、常時２ｍπになるように制御される。このようなクローズドループ方式光干渉角速度計として、特許文献１を例示できる。
【００３２】
従来から自己診断機能を備えたクローズドループ方式光干渉角速度計が考えられている（特許文献２）。図１０に従来の自己診断機能を備えたクローズドループ方式光干渉角速度計の機能構成例を示す。このクローズドループ方式光干渉角速度計は、自己診断機能のために演算処理部１００と擬似角速度信号発生部１１０とを含む。擬似角速度信号発生部１１０は、位相変調信号発生回路６５の出力に、後述する擬似角速度を加算して位相変調信号を生成する。演算処理部１００は、診断用角速度と診断用角速度に相当する位相差φＥを生成する擬似角速度設定手段１０１と、角速度出力と診断用角速度とを入力してその差を判定する判定手段１０２とで構成される。
【００３３】
擬似角速度信号発生部１１０は、擬似信号発生回路１１１、加算器１１２、Ｄ/Ａ変換器１１３を含む。位相変調信号発生回路６５は、タイミング信号を入力して、パルス幅τ、デューティ比１/２、位相変調量π/４，−π/４のディジタル信号を生成する。
【００３４】
擬似信号発生回路１１１は、タイミング信号と、しきい値と、診断用角速度に相当する位相差φＥと、を入力としてしきい値の範囲内で時間τにつき振幅をΦＥだけ増大（減少）させた階段状鋸歯状波の擬似角速度信号を生成する。角速度から位相差への変換は式（６）で与えられる。
【００３５】
擬似角速度信号は、加算器１１２で位相変調信号発生回路６５の出力と加算され、Ｄ/Ａ変換器１１３を介して光学素子４の位相変調器７に供給される。この様子を図３に示す。図３（ａ）は位相変調信号発生回路６５の出力信号である。図３（ｂ）は擬似角速度信号の一例を示す図である。図３（ｃ）は加算器１１２の出力波形の一例を示す図である。この結果、クローズドループ方式光干渉角速度計に角速度が印加された場合と等価となる。角速度出力部７０が出力する角速度出力を、演算処理部１００の判定手段１０２において、診断用角速度と比較し、その差を判定することで自己診断を行うことが可能になる。
【特許文献１】特開平１１−２９５０７７号公報
【特許文献２】特開平４−５２５１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３６】
従来の自己診断機能を備えたクローズドループ方式光干渉角速度計は、位相変調器の電気光学係数の温度特性等によってしきい値が変動するにもかかわらず、固定の診断用角速度に相当する位相差φＥを用いて擬似角速度信号を生成するので自己診断時の角速度出力の温度特性が悪かった。
【００３７】
この発明は、この問題点に鑑みてなされたものであり、温度特性の良い自己診断機能を備えたクローズドループ方式光干渉角速度計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３８】
この発明のクローズドループ方式光干渉角速度計は、光源と、光ファイバコイルと、光源からの光を分岐して光ファイバコイルの両端に入射し両回り光とすると共に上記光ファイバコイルを伝播して回帰した当該両回り光を結合干渉させる光分岐結合器と、第１の位相変調器と、光分岐結合器によって結合干渉した干渉光を分岐する光カプラと、光カプラからの干渉光の強度を電気信号に変換する受光器と、受光器からの電気信号をアナログ/ディジタル変換するＡ/Ｄ変換器と、Ａ/Ｄ変換器の出力信号を入力としてディジタルフィードバック信号を生成するディジタル信号処理装置と、ディジタルフィードバック信号をディジタル/アナログ変換する第１のＤ/Ａ変換器と、第１のＤ/Ａ変換器の出力により位相差を上記両回り光間に与える第２の位相変調器と、タイミング信号から位相変調信号を生成する位相変調発生回路と、ディジタル信号処理装置の出力信号を入力して角速度出力を生成する角速度出力部と、擬似角速度信号発生部と、演算処理部とを具備する。ディジタル信号処理装置は、Ａ/Ｄ変換器の出力信号を入力して同期検波する同期検波回路と、同期検波回路の出力を積分する積分器と、積分器の出力を入力して、ディジタルフィードバック信号を生成するフィードバック発生回路と、Ａ/Ｄ変換器の出力信号と基準しきい値とからディジタルフィードバック信号のしきい値を生成するランプ波高値制御部と、を備える。演算処理部は、診断用の角速度と角速度に相当する位相差を生成する擬似角速度設定手段と、診断用の角速度と角速度出力部の角速度とを比較して良否を判定する判定手段とを備える。擬似角速度信号発生部は、擬似角速度に相当する位相差と上記しきい値と基準しきい値とを入力として、しきい値を基準しきい値で除したゲイン係数を、擬似角速度に相当する位相差に乗じて診断用位相差として出力するゲイン制御部と、診断用位相差を、しきい値まで積分する階段状鋸歯波状の擬似角速度信号を生成する擬似信号発生回路と、位相変調信号と擬似角速度信号とを加算する加算器と、加算器の出力信号をディジタル/アナログ変換して上記第１の位相変調器に供給する第２のＤ/Ａ変換器とを備える。
【発明の効果】
【００３９】
この発明のクローズドループ方式光干渉角速度計は、ゲイン制御部が、診断用に設定される擬似角速度に相当する位相差を、しきい値を基準しきい値で除したゲイン係数を乗じて診断用位相差を生成する。そして、擬似信号発生回路が、ゲイン係数で調整された診断用位相差をしきい値まで積分して階段状鋸歯状波の擬似角速度信号を生成する。つまり、擬似角速度信号の一段の高さがしきい値の温度変化分を打ち消すように制御されるので、温度特性の良好な自己診断機能を備えたクローズドループ方式光干渉角速度計を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。複数の図面中同一のものには同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。
【実施例１】
【００４１】
図１にこの発明のクローズドループ方式光干渉角速度計の機能構成例を示す。図１のクローズドループ方式光干渉角速度計は、光源駆動回路１、光源２、光カプラ３、位相変調器７，８、及び光分岐結合器９を含む光学素子４、光ファイバコイル５、受光器６、Ａ/Ｄ変換器１０、ディジタル信号処理装置３０、Ｄ/Ａ変換器４０、位相変調信号発生回路６５、角速度出力部７０、演算処理部１００、擬似角速度信号発生部１２０とで構成される。光源駆動回路１から角速度出力部７０までは、図４に示した標準的なクローズドループ方式光干渉角速度計と同様に動作する。
【００４２】
図１は、自己診断機能のための演算処理部１００と、擬似角速度信号発生部１２０とを含む。位相変調信号発生回路６５と演算処理部１００は、図１０に示した自己診断機能を備えたクローズドループ方式光干渉角速度計と同様に動作する。
【００４３】
擬似角速度信号発生部１２０は、ゲイン制御部１２１と、擬似信号発生回路１１１と、加算器１１２と、Ｄ/Ａ変換器１１３を含む。位相変調信号発生回路６５は、タイミング信号を入力して、パルス幅τ、デューティ比１/２、位相変調量π/４、−π/４のディジタル信号を生成する。
【００４４】
ゲイン制御部１２１は、診断用角速度に相当する位相差φＥと、しきい値Ｔｈと、基準しきい値ＫＴｈとを入力として、しきい値Ｔｈを基準しきい値ＫＴｈで除したゲイン係数を、擬似角速度に相当する位相差φＥに乗じて診断用位相差φＥ′（式（９））として出力する。
【００４５】
【数７】
【００４６】
ゲイン制御部１２１は、位相変調器７，８の電気光学係数が温度特性を有していることの理由により変化するしきい値Ｔｈを、基準しきい値ＫＴｈで除したゲイン係数を求める。そして、擬似角速度に相当する位相差φＥにゲイン係数を乗じて診断用位相差φＥ′を生成する。基準しきい値ＫＴｈは、ランプ波高値制御部３５が生成する２ｍπ基準値である。
【００４７】
擬似信号発生回路１１１は、タイミング信号と、しきい値と、ゲイン係数が乗じられて生成された診断用位相差φＥ′と、を入力としてしきい値の範囲内で時間τにつき振幅をφＥ′だけ増大（減少）させた階段状鋸歯状波の擬似角速度信号を生成する。擬似角速度信号は、加算器１１２で位相変調信号発生回路６５の出力と加算され、Ｄ/Ａ変換器１１３を介して光学素子４の位相変調器７に供給される。
【００４８】
この結果、クローズドループ方式に角速度が印加された場合と等価となる。角速度出力部７０が出力する角速度出力を、演算処理部１００の判定手段１０２において、診断用角速度と比較し、その差を判定することで自己診断を行う。
【００４９】
図２（ａ）は、ある温度における擬似角速度信号波形の一例を示す。しきい値Ｔｈの時のフィードバック信号の周期Ｔは、例えば図２（ａ）に示すように、Ｔ＝５τである。ゲイン制御部１２１を持たない従来の自己診断機能を備えるクローズドループ方式光干渉角速度計において、しきい値Ｔｈがしきい値Ｔｈ′に変化した場合の例を図（ｂ）に示す。しきい値Ｔｈ′が例えば＋１.２５倍に変化したとすると、しきい値Ｔｈ′＝１.２５×Ｔｈの時のフィードバック信号の周期Ｔは、図２（ｂ）に示すようにＴ＝６τに変化してしまう。
【００５０】
このフィードバック信号の周期Ｔの変化は、角速度出力の変化となる。このように、ゲイン制御部１２１を持たない従来の自己診断機能を備えるクローズドループ方式光干渉角速度計は、自己診断時の角速度出力の温度特性が悪かった。
【００５１】
図２（ｃ）に実施例１の擬似角速度信号波形の一例を示す。しきい値Ｔｈが、図２（ｂ）と同様に＋１.２５倍に変化して、しきい値Ｔｈ′＝１.２５×Ｔｈになった場合を示している。実施例１では、しきい値ＴｈがＴｈ′に変化しても、その分、診断用角速度の相当する位相差φＥがゲイン係数（Ｔｈ′/ＫＴｈ）が乗じられて補正されるので、フィードバック信号の周期Ｔは一定に保たれる。この結果、実施例１の構成によれば、温度変化の影響を受けずにクローズドループ方式光干渉角速度計の自己診断を行うことが可能になる。
【００５２】
図１はディジタル方式の自己診断機能を備えるクローズドループ方式光干渉角速度計であるが、図１からＡ/Ｄ変換器１０、Ｄ/Ａ変換器４０，１１３を取り除いたような、アナログ方式の自己診断機能を備えたクローズドループ方式光干渉角速度計であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】この発明のクローズドループ方式光干渉角速度計の機能構成例を示す図。
【図２】しきい値Ｔｈと擬似角速度信号の関係を示す図であり、（ａ）はしきい値Ｔｈの時の擬似角速度信号の波形を示す図、（ｂ）はゲイン制御部１２１が無い場合におけるしきい値Ｔｈ′の時の擬似角速度信号の波形を示す図、（ｃ）はゲイン制御部１２１を備えた場合におけるしきい値Ｔｈ′の時の擬似角速度信号の波形を示す図である。
【図３】（ａ）は位相変調信号発生回路６５の出力波形の例を示す図、（ｂ）は擬似信号発生回路１１１の出力波形の例を示す図、（ｃ）は加算器１１２の出力波形の例を示す図である。
【図４】従来のクローズドループ方式光干渉角速度計の機能構成例を示す図。
【図５】位相変調駆動回路６０が発生する＋π/４と−π/４の位相変調信号を示す図。
【図６】光分岐結合器９で発生する干渉光強度を示す図。
【図７】サニャック位相差ΔΦｓが加わったときの干渉光強度Ｉ０を示す図。
【図８】フィードバック信号と変調位相の関係を示す図であり、（ａ）は位相変調を受けたＣＷ光およびＣＣＷ光を示す図であり、（ｂ）は両光の位相差を示す図である。
【図９】階段状鋸歯状波の最大位相偏移ΦＲの２ｍπからのずれと、干渉光強度の関係を示す図。
【図１０】従来の自己診断機能を備えたクローズドループ方式光干渉角速度計の機能構成例を示す図。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、自己診断機能を備えたクローズドループ方式光干渉角速度計に関する。
【背景技術】
【０００２】
図４に、標準的なクローズドループ方式光干渉角速度計の構成例を示し、その動作について概説する。光源駆動回路１によって制御された光源２から一定強度の光が照射される。この光は光ファイバで伝送され、光カプラ３を経由して光学素子４に入射する。光学素子４は、例えば、ニオブ酸リチウム（LiNbO3）の光学結晶に導波路を形成し、光分岐結合器９、位相変調器７、位相変調器８を集積化した光集積回路を用いる。入射した光は、光分岐結合器９によって二つのルートに分岐され、一方がＣＷ（clockwise）光として光ファイバコイル５の一端に入射し光ファイバコイル５を周回して他端に至り、他方がＣＣＷ（counter-clockwise）光として光ファイバコイル５の他端に入射し光ファイバコイル５を周回して一端に至ることになる。なお、この明細書では、「時計回り」と「反時計回り」を図面を正面に見たときの時計回りと反時計回りとして説明する。
【０００３】
この際、ＣＷ光およびＣＣＷ光に対して位相変調が行われる。即ち、角速度入力が無い状態でＣＷ光あるいはＣＣＷ光が光ファイバコイル５を通過する時間をτとすると、光学素子４の上で二つのルートのうち一方に設けられた位相変調器７は、タイミング信号発生回路５０によって発生するタイミング信号を入力として、位相変調駆動回路６０が発生したパルス幅をτ、デューティ比を１/２とする矩形波（図５参照）によって、ＣＷ光とＣＣＷ光に対して＋π/４と−π/４の位相変調を交互に行う。
【０００４】
図４に示す構成では、ＣＷ光は、光ファイバコイル５を周回する前に位相変調器７によって位相変調を受け、ＣＣＷ光は、光ファイバコイル５を周回した後に、位相変調器７によって位相変調を受ける。従って、同一時点で分岐されたＣＷ光とＣＣＷ光とで位相変調を受ける時点がτだけずれているため、ＣＷ光とＣＣＷ光とでは相対的に＋π/２と−π/２の位相差が与えられることになる。
【０００５】
ところで、ＣＷ光とＣＣＷ光は、光ファイバコイル５を周回した後、光学素子４の光分岐結合器９によって光学的に結合し、干渉する。角速度の入力が無い状態でＣＷ光とＣＣＷ光との間にΔΦの位相差があるとすると、ＣＷ光とＣＣＷ光とが干渉した光の強度（干渉光強度Ｉ０）はその最大強度をＰ０として、式（１）で与えられる（図６（ａ）で示す実線で描かれた曲線を参照のこと）。
【０００６】
【数１】
【０００７】
位相変調器７によって、ＣＷ光とＣＣＷ光に対して相対的に＋π/２と−π/２の位相差が与えられると、式（１）に従い、ΔΦ＝＋π/２の場合でもΔΦ＝−π/２の場合でも干渉光強度Ｉ０はＰ０/２となる（図６（ｂ）参照）。なお、図５に示す矩形波の立上がり又は立下りの遷移時に、干渉光強度Ｉ０は最大強度Ｐ０となる点を通過するため図６（ｂ）、図７（ｂ）に示すスパイクノイズを生じる。
【０００８】
さて、クローズドループ方式光干渉角速度計に時計回りに角速度Ω[rad/s]が加わったとする。正確には光ファイバコイル５に時計回りに入力角速度Ωが加わることであり、この結果、ＣＷ光とＣＣＷ光とで光路長が異なり、ＣＷ光とＣＣＷ光との間に入力角速度Ωに基づく位相差が生じる（サニャック効果）。サニャック効果によるＣＷ光とＣＣＷ光の位相差（サニャック位相差）をΔΦｓとする。時計回りの入力角速度Ωが加わった場合、ＣＣＷ光の位相に対してＣＷ光の位相はΔΦｓだけ進む。このサニャック位相差ΔΦｓが加わったときの干渉光強度Ｉ０は式（２）で与えられる（図７（ａ）で示す実線で描かれた曲線を参照のこと。破線で示す曲線は式（１）で与えられるものである。）。
【０００９】
【数２】
【００１０】
入力角速度Ωが加わった場合も、位相変調器７により＋π/２と−π/２の位相差が与えられることは変わらないので、ＣＷ光とＣＣＷ光とでは、位相変調器７による位相変調ΔΦ＝±π/２とサニャック位相差ΔΦｓが合わさった＋π/２＋ΔΦｓと−π/２＋ΔΦｓの位相差が生じる。よって、ＣＷ光とＣＣＷ光の位相差が＋π/２＋ΔΦｓの場合に干渉光強度Ｉ０はＰ１となり、−π/２＋ΔΦｓの場合に干渉光強度Ｉ０はＰ２となる（図７（ｂ）参照）。Ｐ１は式（３）で与えられ、Ｐ２は式（４）で与えられる。また、干渉光強度Ｐ１と干渉光強度Ｐ２との差である干渉光強度差ΔＩは式（５）で定義される。干渉光強度差ΔＩの極性により、入力角速度Ωの向き（時計回り又は反時計回り）を知ることができる。
【００１１】
【数３】
【００１２】
式（５）は、干渉光強度差ΔＩを観測すればサニャック位相差ΔΦｓを知ることができ
ることを意味する。サニャック位相差ΔΦｓは式（６）で与えられる。Ｒは光ファイバコ
イル５の半径[ｍ]、Ｌは光ファイバコイル５の光ファイバ長[ｍ]、ｃは光速[ｍ/ｓ]、
λは光源波長[ｍ]、ｎは光ファイバコイル５のコア部の屈折率を表す。
【００１３】
【数４】
【００１４】
クローズドループ方式光干渉角速度計では、干渉光強度差ΔＩを０とするように、つまり、サニャック位相差ΔΦｓを打ち消すように負帰還制御を行う。このことを図４を参照して説明する。
【００１５】
光学素子４の光分岐結合器９によってＣＷ光とＣＣＷ光が光学的に結合した干渉光は、光カプラ３に入射して分岐される。分岐されて光カプラ３の出力となった干渉光は、受光器６に入射して光電変換される。光電変換されて生成されたアナログの電気信号は、Ａ/Ｄ変換器１０に入力され、ディジタル信号に変換される。このディジタル信号はディジタル信号処理装置３０に入力される。
【００１６】
ディジタル信号処理装置３０は、同期検波回路３１、積分器３２、フィードバック信号発生回路３３、ランプ波高値制御部３５を含む。Ａ/Ｄ変換器１０の出力であるディジタル信号は、同期検波回路３１に入力される。
【００１７】
同期検波回路３１は、このディジタル信号に対して同期検波を行い、干渉光強度差ΔＩつまりサニャック位相差ΔΦｓに対応した信号を出力する。そして、積分器３２は、同期検波回路３１の出力信号を入力とし、この入力を時間積分した積分値（ディジタル値の累積加算値）を出力する。
【００１８】
積分器３２の出力は、フィードバック信号発生回路３３に入力される。フィードバック信号発生回路３３は、時間τにつきフィードバック信号の振幅をΔΦｓだけ増大（減少）させ、この振幅が±２ｍπ（ｍは整数）を超える時点で２ｍπだけ振幅を減少（増大）させるフライバック制御を繰り返し、階段状鋸歯状のフィードバック信号を発生する。なお、クローズドループ方式光干渉角速度計では負帰還制御を行うので、フィードバック信号の極性は、サニャック位相差ΔΦｓを打ち消すように設定される。フィードバック信号の繰り返し周波数によって入力角速度を検出することが出来るが、このことは後述する。
【００１９】
ランプ波高値制御部３５は、Ａ/Ｄ変換器１０の出力とタイミング信号に基づき、±２ｍπであるしきい値を生成する。ランプ波高値制御部３５の詳細は後述する。
【００２０】
フィードバック信号発生回路３３の出力は、Ｄ/Ａ変換器４０に入力され、アナログ信号に変換される。このアナログ信号は、光学素子４の上で二つのルートのうち他方に設けられた位相変調器８に入力される。なお、Ａ/Ｄ変換器１０、同期検波回路３１、積分器３２、フィードバック信号発生回路３３は、タイミング信号発生回路５０が発生するタイミング信号によって信号処理の同期が保たれている。
【００２１】
図８に、階段状鋸歯状波とされたフィードバック信号による位相変調を受けたＣＷ光及びＣＣＷ光について、変調分の位相（変調位相）と時間との関係を例示する。両光はフライバック制御の階段状鋸歯状波とされたフィードバック信号による位相変調を受けるため、両光の変調位相は階段状鋸歯状波となる。ここで、フィードバック信号は振幅が±２ｍπを超える時点で２ｍπだけ振幅を減少（増大）させるフライバック制御を受けているため、ＣＷ光とＣＣＷ光の各変調位相は周期Ｔで繰り返す。
【００２２】
ＣＷ光の変調位相（図８（ａ）で実線で示されている）と、ＣＣＷ光の変調位相（図８（ａ）で破線で示されている）とでは、位相変調を受ける時点がτだけずれているため、時間軸方向にτだけずれが生じる。ここでフィードバック信号である階段状鋸歯状波の階段の幅は時間τに設定されており、ＣＷ光の変調位相とＣＣＷ光の変調位相との位相差は、図８（ｂ）に示されるとおりとなる。つまり、ＣＷ光とＣＣＷ光との間に−ΔΦｆあるいはΦＲ（２ｍπ）−ΔΦｆのフィードバック位相差が与えられ、サニャック位相差ΔΦｓ（図８（ａ）で破線で示されている）が打ち消される。
【００２３】
フィードバック信号の繰り返し周波数による入力角速度の検出について説明する。フィードバック信号の繰り返し周波数ｆ（周期Ｔ）と入力角速度Ωとの関係は、周期Ｔ＝２ｍπτ/ΔΦｓに式（６）を用いることで式（７）で与えられる。
【００２４】
【数５】
【００２５】
すなわち、フィードバック信号の繰り返し周波数ｆを計測すれば与えられた入力角速度Ωを知ることができる。そこで、フィードバック信号発生回路３３からのフィードバック信号を角速度出力部７０に入力し、この角速度出力部７０でフィードバック信号の繰り返し周波数ｆを求め、この繰り返し周波数ｆに対応した正パルス出力及び負パルス出力を生成する。正パルス出力は例えば時計回りの角速度が入力された場合の出力を示し、負パルス出力は例えば反時計回りの角速度が入力された場合の出力を示す。
【００２６】
なお、位相変調器７が、上述の矩形波によってＣＷ光とＣＣＷ光に対して＋π/４と−π/４の位相変調を交互に行い、ＣＷ光とＣＣＷ光との間に相対的に＋π/２と−π/２の位相差を与える理由は、Δφ＝±π/２のとき、式（８）の干渉光強度の変化率が最大となり、サニャック位相差Δφｓに対する感度が最大となるからである。
【００２７】
【数６】
【００２８】
ランプ波高値制御部３５は、位相変調器７，８の電気光学係数が温度特性を有していること等の理由によりフィードバック信号の最大位相偏移ΦＲが、理想的な２ｍπの値からずれてしまうことを防止する。フィードバック信号の最大位相偏移ΦＲの２ｍπからのずれは、クローズドループ方式光干渉角速度計のスケールファクタリニアリティの劣化につながる。その理由を図９を参照して説明する。
【００２９】
図９は、フィードバック位相差ΔΦｆと干渉光強度Ｉとの関係を示した図である。（ア）で示した期間は最大位相偏移ΦＲが丁度２π（rad）(ｍ＝１とした場合)の場合であり、フィードバック信号のフライバック制御の前後で干渉光強度に差異は現れない。ところが、フィードバック信号の最大位相偏移ΦＲが２πより小さく与えられた場合、（イ）の期間に示されるようにフライバック制御の前後で干渉光強度に差異が現れる。このように干渉光強度に差異が現れると厳密には式（７）が成り立たなくなり、クローズドループ方式光干渉角速度計のスケールファクタリニアリティが劣化する。このことは、フィードバック信号の最大位相偏移ΦＲが２πより大きく与えられた（ウ）の期間でも同様である。
【００３０】
ランプ波高値制御部３５は、同期検波回路３６、積分器３７、加算器３８、２ｍπ基準値発生器３９、で構成される。同期検波回路３６は、図９（イ），（ウ）で示した干渉光強度の差異を同期検波することで検出する。積分器３７は、同期検波回路３６で検出された干渉光強度の差異を積分する。ランプ波高値制御部３５は、２ｍπ基準値発生器３９が基準しきい値に積分器３７の出力を加算して、最大位相偏移ΦＲ＝２ｍπになるようにしきい値の値を制御する。しきい値は、フィードバック信号発生回路３３に入力される。
【００３１】
フィードバック信号発生回路３３は、そのしきい値を最大位相偏移ΦＲとして階段状鋸歯状のディジタル信号のフィードバック信号を生成するので、フィードバック信号の最大位相偏移は、常時２ｍπになるように制御される。このようなクローズドループ方式光干渉角速度計として、特許文献１を例示できる。
【００３２】
従来から自己診断機能を備えたクローズドループ方式光干渉角速度計が考えられている（特許文献２）。図１０に従来の自己診断機能を備えたクローズドループ方式光干渉角速度計の機能構成例を示す。このクローズドループ方式光干渉角速度計は、自己診断機能のために演算処理部１００と擬似角速度信号発生部１１０とを含む。擬似角速度信号発生部１１０は、位相変調信号発生回路６５の出力に、後述する擬似角速度を加算して位相変調信号を生成する。演算処理部１００は、診断用角速度と診断用角速度に相当する位相差φＥを生成する擬似角速度設定手段１０１と、角速度出力と診断用角速度とを入力してその差を判定する判定手段１０２とで構成される。
【００３３】
擬似角速度信号発生部１１０は、擬似信号発生回路１１１、加算器１１２、Ｄ/Ａ変換器１１３を含む。位相変調信号発生回路６５は、タイミング信号を入力して、パルス幅τ、デューティ比１/２、位相変調量π/４，−π/４のディジタル信号を生成する。
【００３４】
擬似信号発生回路１１１は、タイミング信号と、しきい値と、診断用角速度に相当する位相差φＥと、を入力としてしきい値の範囲内で時間τにつき振幅をΦＥだけ増大（減少）させた階段状鋸歯状波の擬似角速度信号を生成する。角速度から位相差への変換は式（６）で与えられる。
【００３５】
擬似角速度信号は、加算器１１２で位相変調信号発生回路６５の出力と加算され、Ｄ/Ａ変換器１１３を介して光学素子４の位相変調器７に供給される。この様子を図３に示す。図３（ａ）は位相変調信号発生回路６５の出力信号である。図３（ｂ）は擬似角速度信号の一例を示す図である。図３（ｃ）は加算器１１２の出力波形の一例を示す図である。この結果、クローズドループ方式光干渉角速度計に角速度が印加された場合と等価となる。角速度出力部７０が出力する角速度出力を、演算処理部１００の判定手段１０２において、診断用角速度と比較し、その差を判定することで自己診断を行うことが可能になる。
【特許文献１】特開平１１−２９５０７７号公報
【特許文献２】特開平４−５２５１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３６】
従来の自己診断機能を備えたクローズドループ方式光干渉角速度計は、位相変調器の電気光学係数の温度特性等によってしきい値が変動するにもかかわらず、固定の診断用角速度に相当する位相差φＥを用いて擬似角速度信号を生成するので自己診断時の角速度出力の温度特性が悪かった。
【００３７】
この発明は、この問題点に鑑みてなされたものであり、温度特性の良い自己診断機能を備えたクローズドループ方式光干渉角速度計を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３８】
この発明のクローズドループ方式光干渉角速度計は、光源と、光ファイバコイルと、光源からの光を分岐して光ファイバコイルの両端に入射し両回り光とすると共に上記光ファイバコイルを伝播して回帰した当該両回り光を結合干渉させる光分岐結合器と、第１の位相変調器と、光分岐結合器によって結合干渉した干渉光を分岐する光カプラと、光カプラからの干渉光の強度を電気信号に変換する受光器と、受光器からの電気信号をアナログ/ディジタル変換するＡ/Ｄ変換器と、Ａ/Ｄ変換器の出力信号を入力としてディジタルフィードバック信号を生成するディジタル信号処理装置と、ディジタルフィードバック信号をディジタル/アナログ変換する第１のＤ/Ａ変換器と、第１のＤ/Ａ変換器の出力により位相差を上記両回り光間に与える第２の位相変調器と、タイミング信号から位相変調信号を生成する位相変調発生回路と、ディジタル信号処理装置の出力信号を入力して角速度出力を生成する角速度出力部と、擬似角速度信号発生部と、演算処理部とを具備する。ディジタル信号処理装置は、Ａ/Ｄ変換器の出力信号を入力して同期検波する同期検波回路と、同期検波回路の出力を積分する積分器と、積分器の出力を入力して、ディジタルフィードバック信号を生成するフィードバック発生回路と、Ａ/Ｄ変換器の出力信号と基準しきい値とからディジタルフィードバック信号のしきい値を生成するランプ波高値制御部と、を備える。演算処理部は、診断用の角速度と角速度に相当する位相差を生成する擬似角速度設定手段と、診断用の角速度と角速度出力部の角速度とを比較して良否を判定する判定手段とを備える。擬似角速度信号発生部は、擬似角速度に相当する位相差と上記しきい値と基準しきい値とを入力として、しきい値を基準しきい値で除したゲイン係数を、擬似角速度に相当する位相差に乗じて診断用位相差として出力するゲイン制御部と、診断用位相差を、しきい値まで積分する階段状鋸歯波状の擬似角速度信号を生成する擬似信号発生回路と、位相変調信号と擬似角速度信号とを加算する加算器と、加算器の出力信号をディジタル/アナログ変換して上記第１の位相変調器に供給する第２のＤ/Ａ変換器とを備える。
【発明の効果】
【００３９】
この発明のクローズドループ方式光干渉角速度計は、ゲイン制御部が、診断用に設定される擬似角速度に相当する位相差を、しきい値を基準しきい値で除したゲイン係数を乗じて診断用位相差を生成する。そして、擬似信号発生回路が、ゲイン係数で調整された診断用位相差をしきい値まで積分して階段状鋸歯状波の擬似角速度信号を生成する。つまり、擬似角速度信号の一段の高さがしきい値の温度変化分を打ち消すように制御されるので、温度特性の良好な自己診断機能を備えたクローズドループ方式光干渉角速度計を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、この発明の実施の形態を図面を参照して説明する。複数の図面中同一のものには同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。
【実施例１】
【００４１】
図１にこの発明のクローズドループ方式光干渉角速度計の機能構成例を示す。図１のクローズドループ方式光干渉角速度計は、光源駆動回路１、光源２、光カプラ３、位相変調器７，８、及び光分岐結合器９を含む光学素子４、光ファイバコイル５、受光器６、Ａ/Ｄ変換器１０、ディジタル信号処理装置３０、Ｄ/Ａ変換器４０、位相変調信号発生回路６５、角速度出力部７０、演算処理部１００、擬似角速度信号発生部１２０とで構成される。光源駆動回路１から角速度出力部７０までは、図４に示した標準的なクローズドループ方式光干渉角速度計と同様に動作する。
【００４２】
図１は、自己診断機能のための演算処理部１００と、擬似角速度信号発生部１２０とを含む。位相変調信号発生回路６５と演算処理部１００は、図１０に示した自己診断機能を備えたクローズドループ方式光干渉角速度計と同様に動作する。
【００４３】
擬似角速度信号発生部１２０は、ゲイン制御部１２１と、擬似信号発生回路１１１と、加算器１１２と、Ｄ/Ａ変換器１１３を含む。位相変調信号発生回路６５は、タイミング信号を入力して、パルス幅τ、デューティ比１/２、位相変調量π/４、−π/４のディジタル信号を生成する。
【００４４】
ゲイン制御部１２１は、診断用角速度に相当する位相差φＥと、しきい値Ｔｈと、基準しきい値ＫＴｈとを入力として、しきい値Ｔｈを基準しきい値ＫＴｈで除したゲイン係数を、擬似角速度に相当する位相差φＥに乗じて診断用位相差φＥ′（式（９））として出力する。
【００４５】
【数７】
【００４６】
ゲイン制御部１２１は、位相変調器７，８の電気光学係数が温度特性を有していることの理由により変化するしきい値Ｔｈを、基準しきい値ＫＴｈで除したゲイン係数を求める。そして、擬似角速度に相当する位相差φＥにゲイン係数を乗じて診断用位相差φＥ′を生成する。基準しきい値ＫＴｈは、ランプ波高値制御部３５が生成する２ｍπ基準値である。
【００４７】
擬似信号発生回路１１１は、タイミング信号と、しきい値と、ゲイン係数が乗じられて生成された診断用位相差φＥ′と、を入力としてしきい値の範囲内で時間τにつき振幅をφＥ′だけ増大（減少）させた階段状鋸歯状波の擬似角速度信号を生成する。擬似角速度信号は、加算器１１２で位相変調信号発生回路６５の出力と加算され、Ｄ/Ａ変換器１１３を介して光学素子４の位相変調器７に供給される。
【００４８】
この結果、クローズドループ方式に角速度が印加された場合と等価となる。角速度出力部７０が出力する角速度出力を、演算処理部１００の判定手段１０２において、診断用角速度と比較し、その差を判定することで自己診断を行う。
【００４９】
図２（ａ）は、ある温度における擬似角速度信号波形の一例を示す。しきい値Ｔｈの時のフィードバック信号の周期Ｔは、例えば図２（ａ）に示すように、Ｔ＝５τである。ゲイン制御部１２１を持たない従来の自己診断機能を備えるクローズドループ方式光干渉角速度計において、しきい値Ｔｈがしきい値Ｔｈ′に変化した場合の例を図（ｂ）に示す。しきい値Ｔｈ′が例えば＋１.２５倍に変化したとすると、しきい値Ｔｈ′＝１.２５×Ｔｈの時のフィードバック信号の周期Ｔは、図２（ｂ）に示すようにＴ＝６τに変化してしまう。
【００５０】
このフィードバック信号の周期Ｔの変化は、角速度出力の変化となる。このように、ゲイン制御部１２１を持たない従来の自己診断機能を備えるクローズドループ方式光干渉角速度計は、自己診断時の角速度出力の温度特性が悪かった。
【００５１】
図２（ｃ）に実施例１の擬似角速度信号波形の一例を示す。しきい値Ｔｈが、図２（ｂ）と同様に＋１.２５倍に変化して、しきい値Ｔｈ′＝１.２５×Ｔｈになった場合を示している。実施例１では、しきい値ＴｈがＴｈ′に変化しても、その分、診断用角速度の相当する位相差φＥがゲイン係数（Ｔｈ′/ＫＴｈ）が乗じられて補正されるので、フィードバック信号の周期Ｔは一定に保たれる。この結果、実施例１の構成によれば、温度変化の影響を受けずにクローズドループ方式光干渉角速度計の自己診断を行うことが可能になる。
【００５２】
図１はディジタル方式の自己診断機能を備えるクローズドループ方式光干渉角速度計であるが、図１からＡ/Ｄ変換器１０、Ｄ/Ａ変換器４０，１１３を取り除いたような、アナログ方式の自己診断機能を備えたクローズドループ方式光干渉角速度計であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】この発明のクローズドループ方式光干渉角速度計の機能構成例を示す図。
【図２】しきい値Ｔｈと擬似角速度信号の関係を示す図であり、（ａ）はしきい値Ｔｈの時の擬似角速度信号の波形を示す図、（ｂ）はゲイン制御部１２１が無い場合におけるしきい値Ｔｈ′の時の擬似角速度信号の波形を示す図、（ｃ）はゲイン制御部１２１を備えた場合におけるしきい値Ｔｈ′の時の擬似角速度信号の波形を示す図である。
【図３】（ａ）は位相変調信号発生回路６５の出力波形の例を示す図、（ｂ）は擬似信号発生回路１１１の出力波形の例を示す図、（ｃ）は加算器１１２の出力波形の例を示す図である。
【図４】従来のクローズドループ方式光干渉角速度計の機能構成例を示す図。
【図５】位相変調駆動回路６０が発生する＋π/４と−π/４の位相変調信号を示す図。
【図６】光分岐結合器９で発生する干渉光強度を示す図。
【図７】サニャック位相差ΔΦｓが加わったときの干渉光強度Ｉ０を示す図。
【図８】フィードバック信号と変調位相の関係を示す図であり、（ａ）は位相変調を受けたＣＷ光およびＣＣＷ光を示す図であり、（ｂ）は両光の位相差を示す図である。
【図９】階段状鋸歯状波の最大位相偏移ΦＲの２ｍπからのずれと、干渉光強度の関係を示す図。
【図１０】従来の自己診断機能を備えたクローズドループ方式光干渉角速度計の機能構成例を示す図。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サニャック効果に基づく光の位相変化をゼロとするようにフィードバック制御を行うことで角速度を検出するクローズドループ方式光干渉角速度計において、
光源と、
光ファイバコイルと、
上記光源からの光を分岐して上記光ファイバコイルの両端に入射し両回り光とすると共に上記光ファイバコイルを伝播して回帰した当該両回り光を結合干渉させる光分岐結合器と、
第１の位相変調器と、
上記光分岐結合器によって結合干渉した干渉光を分岐する光カプラと、
上記光カプラからの干渉光の強度を電気信号に変換する受光器と、
上記受光器からの電気信号をアナログ/ディジタル変換するＡ/Ｄ変換器と、
上記Ａ/Ｄ変換器の出力信号を入力としてディジタルフィードバック信号を生成するディジタル信号処理装置と、
上記ディジタルフィードバック信号をディジタル/アナログ変換する第１のＤ/Ａ変換器と、
上記第１のＤ/Ａ変換器の出力により位相差を上記両回り光間に与える第２の位相変調器と、
タイミング信号から位相変調信号を生成する位相変調発生回路と、
上記ディジタル信号処理装置の出力信号を入力して角速度出力を生成する角速度出力部と、
擬似角速度信号発生部と、
演算処理部と、
を具備し、
上記ディジタル信号処理装置は、
上記Ａ/Ｄ変換器の出力信号を入力して同期検波する同期検波回路と、
上記同期検波回路の出力を積分する積分器と、
上記積分器の出力を入力して、ディジタルフィードバック信号を生成するフィードバック発生回路と、
基準しきい値を備え、上記Ａ/Ｄ変換器の出力信号と上記基準しきい値とより、上記ディジタルフィードバック信号のしきい値を生成するランプ波高値制御部とを備え、
上記演算処理部は、
診断用の角速度と上記角速度に相当する位相差を生成する擬似角速度設定手段と、
上記診断用の角速度と上記角速度出力部の角速度出力とを比較して良否を判定する判定手段とを備え、
上記擬似角速度信号発生部は、
上記擬似角速度に相当する位相差と上記しきい値と基準しきい値とを入力として、
上記しきい値を上記基準しきい値で除したゲイン係数を、上記擬似角速度に相当する位相差に乗じて診断用位相差として出力するゲイン制御部と、
上記診断用位相差を、上記しきい値まで積分する階段状鋸歯波状の擬似角速度信号を生成する擬似信号発生回路と、
上記位相変調信号と上記擬似角速度信号とを加算する加算器と、
上記加算器の出力信号をディジタル/アナログ変換して上記第１の位相変調器に供給する第２のＤ/Ａ変換器と、
を備えることを特徴とするクローズドループ方式光干渉角速度計。
【請求項１】
サニャック効果に基づく光の位相変化をゼロとするようにフィードバック制御を行うことで角速度を検出するクローズドループ方式光干渉角速度計において、
光源と、
光ファイバコイルと、
上記光源からの光を分岐して上記光ファイバコイルの両端に入射し両回り光とすると共に上記光ファイバコイルを伝播して回帰した当該両回り光を結合干渉させる光分岐結合器と、
第１の位相変調器と、
上記光分岐結合器によって結合干渉した干渉光を分岐する光カプラと、
上記光カプラからの干渉光の強度を電気信号に変換する受光器と、
上記受光器からの電気信号をアナログ/ディジタル変換するＡ/Ｄ変換器と、
上記Ａ/Ｄ変換器の出力信号を入力としてディジタルフィードバック信号を生成するディジタル信号処理装置と、
上記ディジタルフィードバック信号をディジタル/アナログ変換する第１のＤ/Ａ変換器と、
上記第１のＤ/Ａ変換器の出力により位相差を上記両回り光間に与える第２の位相変調器と、
タイミング信号から位相変調信号を生成する位相変調発生回路と、
上記ディジタル信号処理装置の出力信号を入力して角速度出力を生成する角速度出力部と、
擬似角速度信号発生部と、
演算処理部と、
を具備し、
上記ディジタル信号処理装置は、
上記Ａ/Ｄ変換器の出力信号を入力して同期検波する同期検波回路と、
上記同期検波回路の出力を積分する積分器と、
上記積分器の出力を入力して、ディジタルフィードバック信号を生成するフィードバック発生回路と、
基準しきい値を備え、上記Ａ/Ｄ変換器の出力信号と上記基準しきい値とより、上記ディジタルフィードバック信号のしきい値を生成するランプ波高値制御部とを備え、
上記演算処理部は、
診断用の角速度と上記角速度に相当する位相差を生成する擬似角速度設定手段と、
上記診断用の角速度と上記角速度出力部の角速度出力とを比較して良否を判定する判定手段とを備え、
上記擬似角速度信号発生部は、
上記擬似角速度に相当する位相差と上記しきい値と基準しきい値とを入力として、
上記しきい値を上記基準しきい値で除したゲイン係数を、上記擬似角速度に相当する位相差に乗じて診断用位相差として出力するゲイン制御部と、
上記診断用位相差を、上記しきい値まで積分する階段状鋸歯波状の擬似角速度信号を生成する擬似信号発生回路と、
上記位相変調信号と上記擬似角速度信号とを加算する加算器と、
上記加算器の出力信号をディジタル/アナログ変換して上記第１の位相変調器に供給する第２のＤ/Ａ変換器と、
を備えることを特徴とするクローズドループ方式光干渉角速度計。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−１４５２４８（Ｐ２０１０−１４５２４８Ａ）
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３２２８１２（Ｐ２００８−３２２８１２）
【出願日】平成２０年１２月１８日（２００８．１２．１８）
【出願人】（０００２３１０７３）日本航空電子工業株式会社 (1,081)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月１８日（２００８．１２．１８）
【出願人】（０００２３１０７３）日本航空電子工業株式会社 (1,081)
【Ｆターム（参考）】
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