JPH01207664A - 加速度計 - 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】 ［発明の目的］ （産業」−のｆＩＩ用分野） この発明は、例えば慣性航法装置やロボット等に使用さ
れる加速度計に関する。

（従来の技術） 一般に、微小加速度を検出する加速度計は第４図または
第５図に示すような構造となっている。

第４図の加速度計はケース１の大面に加速度を検知する
質はとなる振り子２をケース１内で加速度の４えられる
方向（図中ａ、ｂ）にＯ由に動くように取付け、加速度
の与えられる方向にケース１の一側面及び振り子２の先
端部に互いに対向するように金属板３．４を取着したも
のである。すなわち、この加速度計はケース１に加速度
が与えられると振り子２が変位して金属板３．４で形成
されるコンデンサの容量が痩化することを利用して、振
り子２の微小回転速度を容量の直線変位に近似させるこ
とにより加速度を検知するようになっている。

第５図の加速度計は第４図のものと同様にケース１１の
天面に振り子１２を取付けたものであるが、ここでは加
速度の与えられる方向（図中Ｃ９ｄ）と直交する方向に
ケース１１の対向する側面の一方に光源１３、他方に光
検出器１４を取付けた構造となっている。すなわち、こ
の加速度計はケース１に与えられる加速度に応じて生じ
る振り子２の変位が光源１３から光゛検出″５１４に到
達する光量の変化に対応することを利用することにより
、振り子２の微小回転速度を光量の直線変位に近似させ
て加速度を検知するようになっている。

尚、第４図及び第５図において詳細は図示しないが、振
り子２が常に平衡点に戻るようにサーボ系を付加するの
が一般的である。

！−記構造によれば、検出可能な最小加速度値が振り子
の動特性、変位検出感度及びサーボ系の精度が主な要因
となって決定されることになる。現在では高感度でかつ
ダイナミックレンジの広いサーボ系を持つ代表的な加速
度計でも最小検出加速度は１０″″Ｊ６程度である。し
かしながら、加速度＝１が中枢となる慣性航法装置やロ
ボット等に使用する場合にはさらに小さい加速度を検出
することができるように要求されている。また、上記構
成の加速度計では質量の加速度による変位をアナログ信
号で検出出力しており、環境変化、時間変化等による不
安定食動が大きいため、高精度の信号を取扱う上で制御
が難しい等の難点があった。

（発明が解決しようとする課題） 以］−述べたように従来の加速度計では、今後の慣性航
法装置やロボット等の仕様に対応できる精度が得られず
、また高精度化に際して制御が国電であった。

この発明は１−記のような事情を考慮してなされたもの
で、出力が安定でかつ極めて高精度であり、今後の慣性
航法装置やロボット等の仕様に十分対応することができ
、高精度の信号を取扱う］−で容易に制御＋１１能な加
速度計を提供することを目的とする。

［発明の構Ｊ戊］ （課題を解決するための手段） −り記１−１的を達成するためにこの発明に係る加速度
計は、加速度の入力方向に前記振り子の側面に形成され
る反射鏡と、前記ケース内部に前記反射鏡と対向するよ
うに設置されるものであって、光ビームを前記反射鏡へ
向けて放射する光源と、この光源からの光ビームを２分
するビームスプリッタと、このビームスプリッタで分割
された光ビームをわずかにずらしてビームスプリッタへ
反射する固定鏡と、前記ビームスプリッタで前記反射鏡
からの反射ビーム及び前記固定鏡からの反射ビームによ
って形成される干渉縞が受光面を通過するときその通過
した縞数を検出する光検出器とを有する光干渉検出ユニ
ットとを具備し、前記光干渉検出ユニットで検出される
干渉縞の通過縞数に１λづいて入力加速度を検出するこ
とを特徴とする。

この場合、前記振り子の先端に設けられる磁性体と、前
記ケース内に設けられ前記光干渉検出ユニットの出力に
応じてトルカコイルに制御電流を流して前記磁性体を加
速度０の位置に戻すように磁界を発生するトルカ制御器
とを具備することが好ましい。

（作用） Ｊ二記構成による加速度計は、反射鏡と光干渉検出ユニ
ットによって光干渉計を構成し、この光１―渉計によっ
て入力加速度に比例して発生する振り子の微小回転変位
を干渉縞の移動に変換して入力加速度の大きさを検出す
る。この先１−渉計は、光源からの光ビームをビームス
プリッタで２分し、一方を反射鏡へ、他方を固定鏡へ照
射する。固定鏡は分割された光ビームをわずかにずらし
てビームスプリッタへ反射する。ビームスプリッタでは
前記反射鏡からの反射ビーム及び前記固定鏡からの反射
ビームを入射して干）ルビームを形成し、光検出器に導
出する。光検出器は両光ビームによって形成される干渉
縞が受光面を通過する数を検出する。この干渉縞の通過
数は入力加速度に比例して発生する振り子の微小回転変
位に応じて変化する。このため、干渉縞移動による縞数
の変位を検出することによって入力加速度の大きさを検
出する。この場合、前工己振り子の先端に磁性体を設け
、ケース内に前記光干渉検出ユニットの出力に応じてト
ルカコイルに制御電流を流して前記磁性体を加速度Ｏの
位置に戻すように磁界を発生するトルカ制御器を設けて
サーボ系を構成すれば、ダイナミックレンジを拡大する
ことができる。

（実施例） 以下、第１図乃至第３図を参照してこの発明の一実施例
を説明する。

第１図はその構成を示すもので、２１はケース、２２は
振り子である。振り子２２は加速度の与えられる方向（
図中矢印ｅ、ｆ方向）に回動するようになっており、回
動方向の一側面にはそれぞれ蒸着等によって反射板２３
が取着されており、その先端には磁性体２４が度合され
て・いる・。−２一方、ケース２１内には反射板２３に
対向して光−「渉検出ユニット２５が取付けられ、磁性
体２４に対向してトルカ制御器２６が取付けられている
。トルカ制御器２６は磁性体２４と共に振り子２２を元
の位置に戻す力を発生するサーボ系を構成するものであ
る。

光十泳検出ユニット２５は反射板２３と共に光干渉計を
構成する。第２図に光干渉計の構造を示す。第２図の光
干渉検出ユニット２５において、Ａはレーザ半導体によ
ってｒｌｔ−波長光を放射する光源、Ｂはビームスプリ
ッタ、Ｃは固定鏡、Ｄは光検出器である。光源Ａから送
出される光ビームはビームスプリッタＢを通過して反射
板２３に照射され、一部はビームスプリッタＢで反射さ
れて固定鏡Ｃに照射される。そして、反射鏡２３で反射
された光ビームはビームスプリッタＢで反射されて光検
出器りに入射され、固定鏡Ｃで反射された光ビームはビ
ームスプリッタＢを通過して同じく光反射１Ａ　Ｄに入
射されるようになっている。この構造による光１を４計
はマイケルソン干渉計と称されている。１−記固定鏡Ｃ
はその角度を微調整できるようになっている。

に記（１４成において、以′ドその動作について説明す
る。

まず、切期状態（加速度がｊｊえられていない状態）に
おいて、光干渉検出ユニット２５の調整を行なう。今、
光源Ａから放出された光ビームはビームスプリッタＢで
２分され、一方は反射鏡２３へ、他方は固定鏡Ｃへ向か
・）。ここで固定鏡Ｃを入射ビームの光軸に対して９０
″よりややずれた角度に設定する。上記の各光ビームは
それぞれ反射鏡２３、固定鏡Ｃで反射され、再びビーム
スプリッタＢに戻り、重ね合わされた状態で光検出器り
に入射される。このとき、各光ビームの光路は第２図に
示すように互いにわずかに傾いている。

第３図に光検出器りの受光面に対する光電界強度の位相
関係の一例を模式的に示す。加速度入力がなく、振り子
２２の変位がないとき、光検出器りに入射される２つの
先ビームの位相が共に第３図の波形αＬになるように設
定する。

加速度が与えられた場合、振り子２２に微小変位が生じ
る。このため、反射鏡２３で反射され、光検出器りに入
射される光ビームの位相は加速度入力のない場合の位相
からずれる。この光電界強度は第３図の波形ａ２のよう
に表わされる。このような光電界強度の変位を生じると
、光検出器りの受光面上で２つの光ビームによる干渉縞
が移動する。このため、光検出器りはその位相ずれに対
応して移動する縞の数を検出する。すなわち、加速、減
速はそれぞれ縞の左右への移動で表わされ、それぞれ移
動した縞数を数えればその時点での加速度を検出するこ
とができる。縞の移動方向を検知するには児検出ＷＡ　
Ｄとしてデュアルフォトダイオードを用いればよい。

したがって、１−記構成による加速度計は、光検出器り
への光ビームの位相ずれが振り子２２の変位ｍすなわち
入力加速度に増減分に対応しているので、光検出器りで
干渉縞の移動数を、ｉｎすることにより加速度を測定す
ることができる。例えば入力加速度ａ１で一定゛加速を
している場合には縞の移動がなく、光検出７５　Ｄの出
力も変化しない。

さらに異なる加速度ａ２が加わると、振り子２２が対応
する位置まで移動する。この移動によって光検出器Ｄ」
二を干渉縞が通過する。そこで、光検出器りで通過した
縞の数を計数することによって加速度の増減分（ａ２−
ａｌ）を検出することができる。また、光検出器りの出
力が干渉縞の通過した数であるから、デジタル信号とし
てそのまま用いることができ、これによって環境変化、
時間女化等による出力変動等の影響が従来のものより非
常に小さく、またその制御も極めて容易となり、高精度
の計Ａｌが可能となる。

ところで、１−記のような使用法ではダイナミックレン
ジをあまり大きくとｇことができないので、やはりサー
ボ系を付加する必要がある。一般に振り子は支点を介し
て変位に比例した復元力を持つが、これは支点間りにト
ルクを生じるトルカを付加することで実現される。つま
り、加速度の入力に際して振り子２２がある位置で釣合
うようにトルカを制御すればよい。この実施例ではサー
ボ系の構成として、磁性体２４、トルカ制御器２６を付
加している。トルカ制御ｒＡ２６は、詳細は図示しない
が、それぞれ光干渉検出ユニット２５の出力に応じて制
御電流を発生する制御回路及びこの制御回路からの制御
電流に応じて磁力を発生するトルカコイルで構成され、
振り子２２の変位が光検出器りで検出されると、制御回
路が働いてトルカコイルに電流を流し、振り子２２の変
位を元に戻そうとする磁力を発生するものである。制御
電流値は元に戻すのに必要な力、すなわち入力加速度に
対応しているので、この電流値の大きさで入力加速度を
検知することもできる。このようなサーボ系の付加によ
り、振り子２２は常に中心点（加速度が与えられていな
いときの位置）に戻るので、光干渉検出計のダイナミッ
クレンジを広くすることができる。

したがって、上記構成による加速度計は、光の干渉を利
用しているので非常に高感度かつ高精度であり、特に高
感度なマイケルソン光干渉計を使用すれば飛躍的に感度
を向」−させることができる。

例えば、光源Ａの使用光を０．８２８Ｘ　１０″’ｍと
しても　１ＸｌＯ−７１ａ以ドの検出感度が得られるこ
とになる。

尚、上記実施例において、反射鏡２３は振り子２２の゛
一部分でも全面であってもよいものであり、蒸着等によ
って比較的容易に形成することができる。光干渉検出ユ
ニット２５は小型の光学部品を組合わせて構成すること
も可能であるが、光ＩＣ（集積回路装置）の形で超小型
の部品にもなり得る。

［発明の効果］ 以、１−のようにこの発明によれば、出力が安定でかつ
極めて高精度であり、今後の慣性航法装置Ｒやロボット
等の使用に十分対応でき、高精度の信号を泡扱う、ｔで
容易に制御可能な加速度計を１！２倶することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る加速度計の一実施例を示す構成
図、第２図は同実施例の光干渉計の構成を示す図、第３
図は振り子の微小回転変位に対する光干渉計の位相変位
を示す波形図、第４図及び第５図はそれぞれ従来の加速
度計の構成を示す図である。 ２１・・・ケース、２２・・・振り子、２３・・・反射
鏡、２４・・・磁性体、２５・・・光子ル検出ユニ・ン
ト、２６・・・トルカ制御器、Ａ・・・光源、Ｂ・・・
ビームスプリッタ、Ｃ・・・固定鏡、Ｄ・・・光検出器
。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ケース内部に設けられ、加速度検知用の質量とな
   る振り子の微小回転変位を直線変位に置換えて入力加速
   度を検出する加速度計において、加速度の入力方向に前
   記振り子の側面に形成される反射鏡と、前記ケース内部
   に前記反射鏡と対向するように設置されるものであって
   、光ビームを前記反射鏡へ向けて放射する光源と、この
   光源からの光ビームを２分するビームスプリッタと、こ
   のビームスプリッタで分割された光ビームをわずかにず
   らしてビームスプリッタへ反射する固定鏡と、前記ビー
   ムスプリッタで前記反射鏡からの反射ビーム及び前記固
   定鏡からの反射ビームによって形成される干渉縞が受光
   面を通過するときその通過した縞数を検出する光検出器
   とを有する光干渉検出ユニットとを具備し、前記光干渉
   検出ユニットで検出される干渉縞の通過縞数に基づいて
   入力加速度を検出することを特徴とする加速度計。
2. （２）前記振り子の先端に設けられる磁性体と、前記ケ
   ース内に設けられ前記光干渉検出ユニットの出力に応じ
   てトルカコイルに制御電流を流して前記磁性体を加速度
   ０の位置に戻すように磁界を発生するトルカ制御器とを
   具備する請求項（１）記載の加速度計。