JPH0692982B2

JPH0692982B2 - 光ファイバジャイロ型加速度計

Info

Publication number: JPH0692982B2
Application number: JP1153590A
Authority: JP
Inventors: 明洋石橋; 成俊中丸
Original assignee: 防衛庁技術研究本部長
Priority date: 1989-06-17
Filing date: 1989-06-17
Publication date: 1994-11-16
Anticipated expiration: 2009-11-16
Also published as: JPH0320675A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、移動物体の線加速度を、その物体に搭載され
た状態において計測可能な光ファイバジャイロ型加速度
計に関するものである。

（発明の概要）本発明の光ファイバジャイロ型加速度計は、光ファイバ
ジャイロの光ファイバループを加速度検出用の振り子と
して用い、この振り子の回転角速度を光ファイバジャイ
ロのサグナック効果により検出することにより、線加速
度を高精度で検出できるようにしたものである。

（従来の技術）一般に加速度計は、物体に加速度が生ずると力が生じ、
加速度計に働くその力によって加速度計内で変化するあ
る物理量を計測し、その物体の加速度を計測している。
この計測方法としてはいろいろあるが主として用いられ
ているものに、加速度によるバネ又は弾性体の伸縮を電
気的に計るもの、梁の撓みを歪計で計るもの、圧力を圧
電素子で計るもの、水準器の気泡の移動を電気的に計る
もの、表面弾性波の周波数変化によるもの、振り子の軸
のねじれを電気的に計るものなどがある。また、光を利
用したものとしては、光ファイバの弾性による伸縮で伝
播光の位相変化を用いるもの、光ファイバの接続点の軸
ずれによる伝播光の損失を利用したものなどが考えられ
ている。

（発明が解決しようとする課題）ところで、近年注目されている光ファイバジャイロは、
光ファイバ中を伝播する光が磁界や電界の影響を受けに
くいため、シールドの問題がなく、高感度で、安定性の
点でも優れているが、この光ファイバジャイロが検出で
きるのは回転角速度であり、直線的に働く線加速度を計
測する用途にはそのままでは適用できない。

本発明は、上記の点に鑑み、高感度で安定性のすぐれた
光ファイバジャイロを利用して線加速度を高感度で検出
可能な光ファイバジャイロ型加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）上記目的を達成するために、本発明は、一平面内で光フ
ァイバジャイロの光ファイバループを、当該光ファイバ
ループの重心以外の一点を中心に自由に回転できるよう
に配置し、該光ファイバループの所定の復帰位置に戻す
向きの復元力を発生する手段を設け、該光ファイバルー
プの配置されている平面に平行に働く力による前記光フ
ァイバループの回転角速度を前記光ファイバジャイロで
検知し、該回転角速度の時間積分を求めることで前記平
面に平行に働く力による加速度を検出するか、又は前記
光ファイバループの回転力とつり合う復元力を発生し、
該復元力の大きさから前記平面に平行に働く力による加
速度を検出する構成としている。

（作用）本発明の光ファイバジャイロ型加速度計においては、光
ファイバジャイロの光ファイバループを加速度検出用の
振り子として用い、この振り子の回転角速度を光ファイ
バジャイロのサグナック効果により検出することによ
り、当該加速度計が搭載された物体の線加速度を高精度
で検出できる。

（実施例）以下、本発明に係る光ファイバジャイロ型加速度計の実
施例を図面に従って説明する。

本加速度計は移動物体の線加速度を、その物体に搭載し
て計測するものであり、第１図に示すように、光ファイ
バジャイロ部（イ）の係数部５より構成されている。光
ファイバジャイロ部（イ）においては、いままでの光フ
ァイバジャイロと違い光ファイバループ４が一平面内で
一点Ｏを中心に自由に回転出来るようになっており、こ
の光ファイバループを加速度検知用素子（振り子）とし
ている（但し、一点Ｏは光ファイバループ４の重心以外
の点である。）。また、光ファイバジャイロ（イ）はレ
ーザ光を発生する光源１、光分配器（又は結合器）２及
び光検知・信号処理部３を備えており、光源１より光分
配器２を経て光ファイバループ４に至る経路及び光ファ
イバループ４から光分配器２を経て光検知・信号処理部
３に至る経路は光ファイバで接続されている。

ここで、光ファイバジャイロについて簡単に説明する。
第２図は光ファイバジャイロの基本構成図である。レー
ザ光を発生する光源１より出た光は光分配器２で２方向
に分配され、光ファイバループ４をそれぞれ右回り、左
回りに伝搬する。光ファイバループ４を回転したそれぞ
れの光は再び光分配器２を通り光検知器3Aに入射する。
この時、光ファイバループ４が空間に対して回転（光フ
ァイバループだけでなく、この装置、光ファイバジャイ
ロ全体が空間に対して回転していてよい）していると、
光ファイバループ４を右回り、左回りに伝搬している光
に位相差が生じる（サグナック効果として既に知られて
いる）。この位相差のため、光検知器3Aには、両回りの
干渉光が到達し、光の位相差を検知できる。また、この
位相差Δθと光ファイバループの回転角速度Ωの間には Δθ＝ＡΩ（A:装置により決まる定数）の関係があり、信号処理部3Bにて所定の掛け算を実行す
ることで回転角速度Ωを検出できる。これが光ファイバ
ジャイロである。

本発明においては、この光ファイバジャイロの光ファイ
バループのみが、一つの平面で一点を中心に自由に回転
できるようになっている。この光ファイバループに前記
平面に平行な線加速度が働くと、光ファイバループは線
加速度方向に対応した回転を起こし、回転角速度が光フ
ァイバジャイロで検知される。そこで、この回転角速度
と前記線加速度の間にはどのような関係があるか第３図
で説明する。

第３図において、４は光ファイバループであり、紙面に
あるとする。Ｏは光ファイバループ４の回転中心、回転
軸は紙面に垂直である。Ｇは光ファイバループの重心、
Ｏ′は光ファイバループを加速度計本体に取り付ける固
定点、AA′は弾性体である。光ファイバループ４は弾性
的にAA′で加速度計本体に取り付けられている。OGAA′
は加速度が作用しない状態で一直線上にあり、その時弾
性体AA′は伸び縮みのない状態とする。

弾性体AA′は光ファイバループ４を所定の復帰位置に戻
す向きの復元力を発生する手段として機能する。

以上の条件のもと、線加速度が（X,Y）静止座標系のＸ
方向に作用すると、加速度計に取り付けた（x,y）座標
系においては慣性力による加速度αがｘ方向に働く。こ
のため光ファイバループ４は回転中心Ｏを中心に回転を
起こすが、Ｏ点の抗力Ｒ、AA′による弾性力Ｆのため光
ファイバループは（x,y）座標系に対し少し回転し、加
速度があるにもかかわらずR,Fとつり合って静止する。
これに、さらに力が働くと、光ファイバループは再び回
転を起こし、前と同様（x,y）座標系に対し静止する。
このように力が新たに働き始めることで、つり合いの位
置より回転を起こす。これは（x,y）座標系より見る
と、光ファイバループに撃力が働いて回転を起こし、光
ファイバループに働く抗力により静止すると考えること
が出来る。

ｘ軸においてｆなる力が時間δｔだけ働いて、光ファイ
バループ４の回転角速度がｄφ/dt（＝Ω）になったと
考える（但し、φ：回転角）。

光ファイバループ４の質量をＭ、回転軸に関する慣性モ
ーメントをＩとする。

が成立し、この２式よりとなり、これと（１）式より加速度はとなる。

を加速度が作用した時の初期値とみると、δｔは微少な
一定値としてもよいので（ｄφ/dt）を加速度が作用し
た時の初期値とすると（２）式はとなる。ａは［LT^-1］の次元をもつ定数とする。第１図
の構成では光検知・信号処理部３で得た回転角速度（ｄ
φ/dt）に対し係数部５によって（３）式中の定数ａの
掛け算を実施して加速度出力を得る。なお、（３）式は
加速度計上の（x,y）座標系のｘ軸において加速度の変
化量のみしか検知しないから、（X,Y）静止座標系のＸ
軸における加速度はｘ軸における加速度の和となる。例
えば、時刻t₁,t₂,t₃,……,tnに加速度計がα₁,α₂,α₃,
……，αｎと加速度を検知するなら、移動物体の時刻tn
における（X,Y）静止座標系での加速度は α_１＋α_２＋α_３＋……＋αｎ …（４）となる。

すなわち、第１図の実施例の係数部５の後段に上式
（４）を演算する時間積分手段を設けることで（X,Y）
静止座標系での加速度を得ることができる。

このように実施例に示した本加速度計は光ファイバジャ
イロにおける光ファイバループを使用して線加速度を検
出できることを示している。

上記実施例の加速度計においては、光ファイバループ
（振り子）に第３図の弾性体AA′を用いて振り子の回転
力と抗力をつり合わせたが、これは何も弾性体である必
要はない。電気的磁気的なものでもよい。

この電気的又は磁気的な力を与える場合は、これを振り
子の回転力に対する復元力として用い、振り子の位置を
信号的に０位に保たせるような構成を採用することもで
き、このような構成を第４図の本発明の他の実施例とし
て示す。この図において、光ファイバジャイロ部には復
元力発生用装置10が設置されている。すなわち、光ファ
イバジャイロ部の光ファイバループ４には復元力発生用
可動側部材11が取り付けられ、加速度計本体側には前記
可動側部材11との間で振り子の位置を信号的に０位にす
るような光検知・信号処理部３よりの光ファイバループ
の回転角速度に相等した電気的又は磁気的な復元力を発
生するための固定側部材12が配設される。この場合、回
転角速度が生ずると微小変位の間に回転角速度に比例し
た負の信号を固定側部材12に与え、光ファイバループ４
を元の位置に復元させ、回転しようとする力と復元力と
をつり合わせている（元の位置に復元させなくとも微小
変位した状態で回転しようとする力と復元力とがつり合
ってもよい。）。光ファイバループ４が一平面内で一点
を中心に回転自在に支持されていること等は第１図の実
施例と同様である。

そして、光ファイバジャイロ部の光検知・信号処理部３
より復元力発生用装置10にフィードバック（光ファイバ
ループ４の回転角速度に相等した信号）をかけ復元力を
制御して、その復元力より加速度を計測する方が精度的
にも望ましい。この場合は、静止座標系Ｘ軸における加
速度は、復元力を用いて計測しているため、前記（４）
式は成立せず、移動座標系ｘ軸で計測した値が物体（加
速度計）に働く加速度となる。

第５図は本発明で用いる加速度検出用振り子としての光
ファイバループ４の回転軸の取り方の具体例であり、同
図（Ａ）は回転軸が光ファイバループ４の内側位置にあ
る場合、同図（Ｂ）は回転軸が光ファイバループ４の外
側位置にある場合、同図（Ｃ）は回転軸が光ファイバル
ープ４の中央部にあるが、光ファイバループに錘20を付
けて重心Ｇを下にした場合である。このように、回転軸
は任意の位置に取れることを第５図は示している。但
し、回転軸はループ面に垂直でループの重心は通らない
とする。

また、光ファイバループ４は、必ずしも重力場の鉛直面
にある必要はない。本発明の実施例の加速度計は、第３
図における加速度のＸ方向成分（ループ面内でOGに垂直
な成分）を検出する加速度計である。任意の加速度を検
知するには、直交座標系のX,Y,Z方向にそれぞれ実施例
の加速度計を設置すればよい。また、等加速度運動にお
いて本発明の実施例の加速度計では光ファイバジャイロ
の回転角速度は零であるが、このとき第４図の固定側部
材12に蓄えられている復元力の信号量と加速度とがつり
合っているため、この信号量より加速度は検出できる。

なお、上記各実施例において、光ファイバループは一平
面上にあれば形状は任意でよい。

（発明の効果）以上説明したように、本発明の光ファイバジャイロ型加
速度計によれば、光ファイバジャイロの光ファイバルー
プを加速度検出用の振り子として用い、この振り子の回
転角速度を光ファイバジャイロのサグナック効果により
検出することにより、線加速度を高精度で簡単な機構に
より検出できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光ファイバジャイロ型加速度計の
実施例を示す基本構成図、第２図は光ファイバジャイロ
の基本構成図、第３図は実施例の動作説明図、第４図は
本発明の他の実施例を示す構成図、第５図は光ファイバ
ループの回転軸の取り方の具体例を示す斜視図である。１……光源、２……光分配器、３……光検知・信号処理
部、４……光ファイバループ、５……係数部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一平面内で光ファイバジャイロの光ファイ
バループを、当該光ファイバループの重心以外の一点を
中心に自由に回転できるように配置し、該光ファイバル
ープを所定の復帰位置に戻す向きの復元力を発生する手
段を設け、該光ファイバループの配置されている平面に
平行に働く力による前記光ファイバループの回転角速度
を前記光ファイバジャイロで検知し、該回転角速度の時
間積分を求めることで前記平面に平行に働く力による加
速度を検出することを特徴とする光ファイバジャイロ型
加速度計。
【請求項２】一平面内で光ファイバジャイロの光ファイ
バループを、当該光ファイバループの重心以外の一点を
中心に自由に回転できるように配置し、該光ファイバル
ープを所定の復帰位置に戻す向きの復元力を発生する手
段を設け、該光ファイバループの配置されている平面に
平行に働く力による前記光ファイバループの回転角速度
を前記光ファイバジャイロで検知して前記光ファイバル
ープの回転力とつり合う復元力を発生し、該復元力の大
きさから前記平面に平行に働く力による加速度を検出す
ることを特徴とする光ファイバジャイロ型加速度計。