(57)【要約】【課題】光ファイバ特性に経年変化や温度変化が生じてもファラデー効果による角速度出力の変動を良好かつ安定して抑制できるようにする。【解決手段】光ファイバジャイロは磁気センサと、光ファイバコイル７０の回りに巻かれたフィードバックコイル２３１，２３２，２３３と、フィードバックコイルにフィードバック電流を流すフィードバック回路を備える。磁気センサはコア１０と、コア１０の対向する位置に巻かれ、コア１０に同じ周回方向に磁束を発生させるように直列接続された一対のコイル２１，２２と、コイル２１，２２に直流電流を重畳した交流電流を印加する励磁電源と、一対のコイル２１，２２の接続点に接続された検出回路とよりなる。フィードバック２３１，２３２，２３３は磁気センサ（センサ部１５１，１５２，１５３）がそれぞれ検出した磁界を相殺する磁界を発生する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバコイルに伝播させた右回り光と左回り光の位相差を検出して、光ファイバコイルに印加された角速度を検出する光ファイバジャイロであって、
磁気センサと、前記光ファイバコイルの回りに巻かれたフィードバックコイルと、フィードバック回路とを備え、
前記磁気センサは、
閉磁路を構成するコアと、
前記コアの互いに対向する位置に中心軸が互いに平行とされて巻かれ、前記コアに同じ周回方向に磁束を発生させるように直列接続された一対のコイルと、
前記一対のコイルに直流電流を重畳した交流電流を印加する励磁電源と、
前記一対のコイルの接続点に接続された検出回路とよりなり、
前記フィードバック回路は、
基準電圧を発生する基準電圧源と、
前記検出回路の出力と前記基準電圧を加算する加算器と、
前記加算器の出力を増幅して前記フィードバックコイルにフィードバック電流を流す増幅器とよりなり、
前記フィードバックコイルの中心軸は前記一対のコイルの中心軸と平行とされ、
前記フィードバックコイルは前記磁気センサが検出した磁界を相殺する磁界を発生することを特徴とする光ファイバジャイロ。
【請求項２】
請求項１記載の光ファイバジャイロにおいて、
前記検出回路は、前記接続点の電圧を前記励磁電源の交流励磁電圧を用いて同期検波する同期検波器と、前記同期検波器の出力を平滑化するローパスフィルタとよりなることを特徴とする光ファイバジャイロ。
【請求項３】
請求項１記載の光ファイバジャイロにおいて、
前記検出回路は、前記接続点の電圧の直流成分を除去する直流遮断器と、前記直流遮断器の出力を全波整流する全波整流器と、前記全波整流器の出力を平滑化するローパスフィルタとよりなることを特徴とする光ファイバジャイロ。
【請求項４】
請求項１記載の光ファイバジャイロにおいて、
前記検出回路は、前記接続点の電圧の直流成分を除去する直流遮断器と、前記直流遮断器の出力を半波整流する半波整流器と、前記半波整流器の出力を平滑化するローパスフィルタとよりなることを特徴とする光ファイバジャイロ。
【請求項５】
請求項１乃至４記載のいずれかの光ファイバジャイロにおいて、
前記一対のコイルが巻かれた前記コアは前記フィードバックコイルの内側に位置し、前記フィードバックコイルの発生する磁界によって磁気平衡状態となることを特徴とする光ファイバジャイロ。
【請求項６】
請求項５記載の光ファイバジャイロにおいて、
前記一対のコイルが巻かれた前記コアは前記光ファイバコイルが巻かれているボビンの内側に配置されていることを特徴とする光ファイバジャイロ。
【請求項７】
請求項１乃至６記載のいずれかの光ファイバジャイロにおいて、
前記フィードバックコイルは前記光ファイバコイルを収めた筐体に巻かれていることを特徴とする光ファイバジャイロ。
【請求項８】
請求項１乃至７記載のいずれかの光ファイバジャイロにおいて、
前記一対のコイルが巻かれた前記コアと、前記検出回路と、前記フィードバックコイルと、前記フィードバック回路の組を複数組有し、それら複数組のフィードバックコイルは中心軸が互いに直交する方向に配置されていることを特徴とする光ファイバジャイロ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は光ファイバジャイロに関し、特にファラデー効果による角速度出力の変動を抑制することができるようにした光ファイバジャイロに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバコイルに伝播させた右回り光と左回り光の位相差を検出して、光ファイバコイルに印加された角速度を検出する光ファイバジャイロでは、外部磁界の影響を受けると、光ファイバコイルのファラデー効果により、角速度出力が変動することが知られている。
【０００３】
特許文献１にはこの問題に対処すべく、光ファイバの端部をねじることで磁気感度を補償し、角速度出力の変動を抑えることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−３４１８４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかるに、上述したような光ファイバの端部をねじることで磁気感度を補償する方法では、光ファイバ特性の経年変化や温度変化によって補償が不十分となり、角速度出力が変動するという欠点がある。
【０００６】
この発明の目的はこの問題に鑑み、光ファイバ特性に経年変化や温度変化が生じても、ファラデー効果による角速度出力の変動を良好かつ安定して抑制することができるようにした光ファイバジャイロを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明によれば、光ファイバコイルに伝播させた右回り光と左回り光の位相差を検出して、光ファイバコイルに印加された角速度を検出する光ファイバジャイロは、磁気センサと光ファイバコイルの回りに巻かれたフィードバックコイルとフィードバック回路とを備え、磁気センサは閉磁路を構成するコアと、コアの互いに対向する位置に中心軸が互いに平行とされて巻かれ、コアに同じ周回方向に磁束を発生させるように直列接続された一対のコイルと、一対のコイルに直流電流を重畳した交流電流を印加する励磁電源と、一対のコイルの接続点に接続された検出回路とよりなり、フィードバック回路は基準電圧を発生する基準電圧源と、検出回路の出力と基準電圧を加算する加算器と、加算器の出力を増幅してフィードバックコイルにフィードバック電流を流す増幅器とよりなり、フィードバックコイルの中心軸は一対のコイルの中心軸と平行とされ、フィードバックコイルは磁気センサが検出した磁界を相殺する磁界を発生する。
【０００８】
請求項２の発明では請求項１の発明において、検出回路は接続点の電圧を励磁電源の交流励磁電圧を用いて同期検波する同期検波器と、同期検波器の出力を平滑化するローパスフィルタとよりなる。
【０００９】
請求項３の発明では請求項１の発明において、検出回路は接続点の電圧の直流成分を除去する直流遮断器と、直流遮断器の出力を全波整流する全波整流器と、全波整流器の出力を平滑化するローパスフィルタとよりなる。
【００１０】
請求項４の発明では請求項１の発明において、検出回路は接続点の電圧の直流成分を除去する直流遮断器と、直流遮断器の出力を半波整流する半波整流器と、半波整流器の出力を平滑化するローパスフィルタとよりなる。
【００１１】
請求項５の発明では請求項１乃至４のいずれかの発明において、一対のコイルが巻かれたコアはフィードバックコイルの内側に位置し、フィードバックコイルの発生する磁界によって磁気平衡状態となる。
【００１２】
請求項６の発明では請求項５の発明において、一対のコイルが巻かれたコアは光ファイバコイルが巻かれているボビンの内側に配置される。
【００１３】
請求項７の発明では請求項１乃至６のいずれかの発明において、フィードバックコイルは光ファイバコイルを収めた筐体に巻かれる。
【００１４】
請求項８の発明では請求項１乃至７のいずれかの発明において、一対のコイルが巻かれたコアと、検出回路と、フィードバックコイルと、フィードバック回路の組を複数組有し、それら複数組のフィードバックコイルは中心軸が互いに直交する方向に配置される。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、外部磁界の影響による光ファイバコイルのファラデー効果によって生じる角速度出力の変動を抑制することができ、さらに光ファイバ特性に経年変化や温度変化が生じてもファラデー効果による角速度出力の変動を良好かつ安定して抑制することができるようにした光ファイバジャイロを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明による光ファイバジャイロが備える磁気センサ、フィードバックコイル及びフィードバック回路の構成概要を示す図。
【図２】図１に示した磁気センサ、フィードバックコイル及びフィードバック回路の機能構成を示すブロック図。
【図３】Ｂ−Ｈカーブ及び比透磁率を示すグラフ。
【図４】図１に示した磁気センサ、フィードバックコイル及びフィードバック回路の機能構成の他の例を示すブロック図。
【図５】この発明による光ファイバジャイロの第１の実施例における要部構成を説明するための図。
【図６】この発明による光ファイバジャイロの第２の実施例における要部構成を説明するための図。
【図７】この発明による光ファイバジャイロの第３の実施例における要部構成を説明するため図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
まず、初めに、この発明による光ファイバジャイロが備える磁気センサ、フィードバックコイル及びフィードバック回路の構成を図１及び２を参照して説明する。図１は構成概要を示したものであり、図２は機能構成をブロック図で示したものである。
【００１８】
閉磁路を構成するコア１０は、パーマロイ等の高透磁率材料よりなり、この例ではトロイダルコアとされている。コア１０の互いに対向する位置には、中心軸が互いに平行とされてコイル２１，２２が巻かれている。コイル２１，２２はコア１０の周回方向に沿って同じ向きに巻かれており、コイル２１，２２に電流を印加した時に、コア１０に同じ周回方向に磁束を発生させるように直列接続されている。
【００１９】
一方のコイル２１の一端には励磁電源３０が接続されている。励磁電源３０は直流電源３１と交流電源３２とよりなり、直流電流を重畳した交流電流をコイル２１，２２に印加することができるものとなっている。図１中、３３は直流遮断器（コンデンサ）を示す。
【００２０】
直流電源３１によりコイル２１，２２には直流電流が印加され、これによりコア１０内に直流磁束が発生する。図１中、矢印ａ，ｂはそれぞれコイル２１及びコイル２２により発生する磁束の向きを例示したものであり、コイル２１及びコイル２２により発生する磁束はコア１０の周回方向において同じ向きになる。
【００２１】
図３はコア１０のＢ−Ｈカーブ及び比透磁率を示したものであり、コイル２１，２２に印加する直流電流は、例えば８Ａ／ｍ程度の直流磁界が発生するように設定する。この磁界の値：８Ａ／ｍは、磁界に対し、比透磁率がリニアに変化する領域のほぼ中央に位置する。
【００２２】
コイル２１，２２は同一巻数とされ、コイル２１のインダクタンスＬ１とコイル２２のインダクタンスＬ２は等しくされている。コイル２１とコイル２２の接続点Ｐには直流電源３１と交流電源３２とよりなる励磁電源３０により、直流電圧が重畳した交流電圧が発生している。接続点Ｐの交流電圧Ｖｄは励磁電源３０の交流励磁電圧をＶａｃとすると、
Ｖｄ＝（Ｌ２／（Ｌ１＋Ｌ２））・Ｖａｃ          （１）
で表され、外部磁界が０の時には、コイル２１とコイル２２のインダクタンスＬ１，Ｌ２が等しいため、接続点Ｐの交流電圧Ｖｄは交流励磁電圧Ｖａｃの１／２となる。
【００２３】
一方、図１に示したように外部磁界Ｍがコア１０を通過すると、外部磁界Ｍに比例した磁束がコア１０の、コイル２１，２２が位置する部分に発生する。これにより、コイル２２が位置する部分では直流磁束は強めあい、コイル２１が位置する部分では直流磁束は打ち消しあう。よって、コイル２１が位置する部分及びコイル２２が位置する部分におけるコア１０内部の磁束密度が変化する。
【００２４】
磁束密度が変化すると、図３から分かるように、コア１０の比透磁率が変化する。コイル２２が位置する部分では磁束密度が大きくなるため、比透磁率は小さくなり、コイル２１が位置する部分では磁束密度が小さくなるため、比透磁率は大きくなる。この比透磁率の変化により、コイル２２のインダクタンスＬ２は小さくなり、コイル２１のインダクタンスＬ１は大きくなる。従って、（１）式より接続点Ｐの交流電圧Ｖｄは外部磁界が０の時の値より小さくなり、つまり交流励磁電圧Ｖａｃの１／２より小さくなる。
【００２５】
コイル２１，２２の接続点Ｐには検出回路４０が接続されている。検出回路４０はこの例では図２に示したように同期検波器４１とローパスフィルタ４２とよりなる。同期検波器４１は接続点Ｐの電圧を励磁電源３０の交流励磁電圧Ｖａｃを用いて同期検波する。ローパスフィルタ４２は同期検波器４１の出力を平滑化する。同期検波された電圧はローパスフィルタ４２を通過して出力Ｖｏとなる。磁気センサはこのようにして出力Ｖｏを得るものとなっており、この出力Ｖｏは外部磁界Ｍの大きさに比例する。
【００２６】
フィードバック回路５０は上記のような構成を有する磁気センサの検出回路４０の後段に接続されている。フィードバック回路５０は基準電圧を発生する基準電圧源５１と、検出回路４０の出力（ローパスフィルタ４２の出力）Ｖｏと基準電圧を加算する加算器５２と、加算器５２の出力を増幅してフィードバックコイル２３にフィードバック電流を流す増幅器５３とよりなる。
【００２７】
フィードバックコイル２３はコア１０を磁気平衡させるべく、コア１０に巻かれている。フィードバックコイル２３は、その中心軸がコイル２１，２２の中心軸と平行とされ、外部磁界Ｍに対してフィードバックコイル２３が発生する磁界が平行になるように配置される。図１中、矢印ｃはフィードバックコイル２３が発生する磁束の向きを示す。
【００２８】
基準電圧源５１が発生する基準電圧は外部磁界Ｍが０の時にローパスフィルタ４２から出力される出力（出力電圧）Ｖｏを相殺して０Ｖとするように設定される。従って、外部磁界Ｍが０の時はフィードバック電流は０となり、フィードバックコイル２３に電流は流れない。
【００２９】
一方、外部磁界Ｍが図１に示したように入力した場合、ローパスフィルタ４２の出力は外部磁界Ｍが０の時よりも小さくなる。従って、加算器５２の出力は負の電圧となる。これにより、フィードバックコイル２３に負のフィードバック電流が流れ、フィードバックコイル２３は磁気センサが検出した外部磁界Ｍを相殺する磁界を発生する。コア１０は外部磁界Ｍに対して磁気平衡状態となる。
【００３０】
フィードバック電流は読取抵抗器６０によって電圧に変換されて出力される。よって、読取抵抗器６０の出力により、入力した外部磁界Ｍを測定することができるものとなっている。
【００３１】
図４は図２に対し、検出回路の構成を代えた例を示したものであり、この例では検出回路４０’はコイル２１，２２の接続点Ｐの電圧から直流成分を除去する直流遮断器４３と、直流遮断器４３の出力を全波整流する全波整流器４４と、全波整流器４４の出力を平滑化するローパスフィルタ４２によって構成されている。図２に示した検出回路４０に代え、このような検出回路４０’を採用してもよい。なお、全波整流器４４に代えて半波整流器を用いる構成としてもよい。
【００３２】
次に、この発明による光ファイバジャイロの実施例について説明する。
【００３３】
光ファイバジャイロは上述したような磁気センサ、フィードバックコイル２３及びフィードバック回路５０を備えるものとされる。図５はこの発明による光ファイバジャイロの第１の実施例の要部構成として、光ファイバコイル部分の構成を、各部に分解した状態と共に示したものであり、図５中、７０は光ファイバコイルを示し、８０はボビンを示す。光ファイバコイル７０は円筒状をなすボビン８０に巻かれている。
【００３４】
この例ではコア１０に一対のコイル２１，２２が巻かれてなる磁気センサのセンサ部がボビン８０に３つ設置され、３つのセンサ部１５１，１５２，１５３によって光ファイバコイル７０に入力する全方向の外部磁界（Ｘ，Ｙ，Ｚ３軸方向の各外部磁界）を検出することができるものとなっている。
【００３５】
センサ部１５１，１５２はボビン８０の上端及び下端のフランジ８１，８２にそれぞれ設置され、これらセンサ部１５１，１５２によって水平方向の外部磁界が検出される。また、センサ部１５３はボビン８０の内側（円筒内）に図５に示したように設置されて垂直方向の外部磁界を検出する。
【００３６】
これら３つのセンサ部１５１，１５２，１５３にそれぞれ対応するフィードバックコイル２３１，２３２，２３３は図５に示したように設けられる。センサ部１５１，１５２に対応するフィードバックコイル２３１，２３２は光ファイバコイル７０及びセンサ部１５１，１５２を囲んでそれらの回りに巻かれており、センサ部１５３に対応するフィードバックコイル２３３は光ファイバコイル７０の回りに巻かれている。これら各フィードバックコイル２３１，２３２，２３３の中心軸は対応するセンサ部１５１，１５２，１５３のコイル２１，２２の中心軸と平行とされている。
【００３７】
この例では上述したような構成により、センサ部１５１，１５２，１５３がそれぞれ検出した外部磁界を相殺する磁界をフィードバックコイル２３１，２３２，２３３がそれぞれ発生するものとなっている。これにより光ファイバコイル７０に対する外部磁界の影響を排除し、磁気感度を補償することができるものとなっており、外部磁界を検出して相殺するため、光ファイバ特性に例えば経年変化や温度変化が生じても、その影響を受けることはなく、光ファイバ特性の経年変化や温度変化によって角速度出力が変動するといったことはこの例では発生しない。
【００３８】
光ファイバジャイロは、この例では一対のコイル２１，２２が巻かれたコア１０と、検出回路と、フィードバックコイル２３と、フィードバック回路５０の組を３組有するものとなっている。なお、励磁電源３０は個別に持つ必要はなく、共用化することができる。
【００３９】
図６はこの発明による光ファイバジャイロの第２の実施例の要部構成を図５と同様に示したものであり、この例では図５に対し、垂直方向の外部磁界を検出するセンサ部１５３及びそれと対応するフィードバック２３３を削除したものとなっている。
【００４０】
光ファイバコイル７０は垂直方向の磁界に対しては非常に感度が小さいため、この図６に示したような構成を採用することもでき、外部磁界が小さい場合はこの構成であっても磁気感度の補償は十分となる。
【００４１】
次に、この発明による光ファイバジャイロの第３の実施例について図７を参照して説明する。図７は３軸光ファイバジャイロの要部構成を示したものであり、図７Ａに示したようなボビン８０内にセンサ部１５３が設置された光ファイバコイル７０’を３つ用いて構成される。
【００４２】
３つの光ファイバコイル７０’は中心軸（角速度検出軸）が互いに直交されて（Ｘ，Ｙ，Ｚ３軸の各軸とされて）図７Ｂに示したように筐体９０内に収容固定される。そして、この筐体９０の回りに図７Ｃに示したように３つのフィードバックコイル２３１，２３２，２３３を巻く。３つのフィードバックコイル２３１，２３２，２３３は３つのセンサ部１５３がそれぞれ検出したＸ，Ｙ，Ｚ３軸方向の外部磁界をそれぞれ相殺する磁界を発生する。
【００４３】
この図７に示した構成によれば、外部磁界の影響を排除して３軸光ファイバジャイロの磁気感度を補償することができる。また、検出軸がＸ，Ｙ，Ｚ３軸の各軸とされた３つのセンサ部１５３を備え、つまり３軸磁気センサを備えているため、この３軸磁気センサによって方位を検出することができ、よって３軸光ファイバジャイロと方位センサを統合したセンサを得ることができる。
【００４４】
以上、この発明の実施例について説明したが、この発明による光ファイバジャイロが具備する磁気センサは、例えば従来の一般的なフラックスゲート型の磁気センサと違い、コア１０が磁気飽和するまで励磁する必要はなく、言い換えればコア１０を磁気飽和させないものとなっている。よって、励磁磁束の漏れはなく、光ファイバコイル７０が励磁磁束の影響を受けるといったことは発生しない。また、コア１０を磁気飽和させないため、励磁電流は小さくてよく、その点で消費電力は小さくて済む。
【００４５】
上述した実施例では磁気センサのセンサ部１５１，１５２，１５３をボビン８０に設置し、光ファイバコイル７０と一体化しているが、必ずしも光ファイバコイル７０と一体化する必要はなく、例えば光ファイバコイル７０の直近に配置する構成としてもよい。また、コア１０の大きさも特に制約はない。
【００４６】
なお、第３の実施例と同様、第１の実施例においても３軸磁気センサを備えているため、３軸磁気センサによって方位を検出することができる。このように磁気センサの検出出力を方位検出等のために用いる場合は図２や図３中に示したフィードバックコイル２３に流れるフィードバック電流を読取る読取抵抗器６０が必要となるが、単に磁気感度を補償した光ファイバジャイロを実現する上では読取抵抗器６０は不要となる。
【符号の説明】
【００４７】
１０  コア                      １５１,１５２,１５３  センサ部
２１,２２  コイル               ２３,２３１,２３２,２３３  フィードバックコイル
３０  励磁電源                  ３１  直流電源
３２  交流電源                  ３３  直流遮断器
４０,４０’  検出回路           ４１  同期検波器
４２  ローパスフィルタ          ４３  直流遮断器
４４  全波整流器                ５０  フィードバック回路
５１  基準電圧源                ５２  加算器
５３  増幅器                    ６０  読取抵抗器
７０,７０’  フィードバックコイル  
８０  ボビン                    ８１,８２  フランジ
９０  筐体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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