JP3142217B2

JP3142217B2 - 回転センサ

Info

Publication number: JP3142217B2
Application number: JP06312488A
Authority: JP
Inventors: 英男前田
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1994-11-22
Filing date: 1994-11-22
Publication date: 2001-03-07
Anticipated expiration: 2016-03-07
Also published as: JPH08145681A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、航空機，船舶，自動車
などのナビゲーション、あるいは、８ｍｍカメラなどの
手ぶれ検知等の種々の用途に利用可能な回転センサに関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、航空機や船舶のナビゲーションな
どの対象に用いられる回転センサ(ジャイロ)として、例
えば文献「光エレクトロニクス辞典，産業調査会辞典出
版センター１９９２年Ｐ．Ｐ．２０７〜２０８」に
示されているような光ファイバジャイロが知られてい
る。

【０００３】図１８は最も典型的な干渉方式の光ファイ
バジャイロを示す図である。図１８を参照すると、この
光ファイバジャイロでは、光源１０１からの光を光カッ
プラーＣ₂によって分離し、光ファイバに両端から入射
させ、互いに垂直な偏光を右回りと左回りの光とし、そ
のうちの一方の位相を位相変調器１０２によって変調す
る。光ファイバを経験させた後、同じく光カップラーＣ
₂で合波するが、一方の偏光はすぐ受光器Ｄ₂方向に分離
され、もう一方の偏光はポラライザ１０３を経て、Ｃ₁
で受光器Ｄ₁方向に分離されて検出される。両受光器
Ｄ₁，Ｄ₂からの出力差は光ファイバの回転Ωに応じた出
力Ｐとなる。図１９には、光ファイバジャイロの回転Ω
と出力Ｐとの関係が示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の光ファイバジャイロでは、光ファイバなどを用
いる必要があるので、装置規模が大型になり、また、高
コストになるなどの問題があった。

【０００５】本発明は、小型化かつ低コスト化を実現可
能な回転センサを提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段および作用】上記目的を達
成するために、請求項１記載の発明では、所定の対象物
の回転に関する情報を検知する回転センサにおいて、光
源と、光源からの光を回折してｎ₁次光，ｎ₂次光
（ｎ₁，ｎ₂は整数）の第１回折光を発生させる第１番目
の回折格子と、第１番目の回折格子からのｎ₁次光，ｎ₂
次光の第１回折光をそれぞれ回折してｍ₁次光，ｍ₂次光
（ｍ₁，ｍ₂は整数）の第２回折光を発生させる第２番目
の回折格子と、該第２番目の回折格子からのｍ₁次光と
ｍ₂次光との間での干渉により発生する干渉縞の位相の
変化を検出する検出手段とを有し、第１番目の回折格子
と第２番目の回折格子とは、対象物の回転軸線を中心と
して対称に配設され、第１番目の回折格子と第２番目の
回折格子が回転軸線を中心として回転する場合に、２つ
の回折格子が、回転に応じた変位量で、回折格子の長手
方向に相対的に変位し、２つの回折格子の長手方向への
相対的な変位に伴なって干渉縞の位相が変化することを
検出手段で検出して、対象物の回転に関する情報を検出
する。これにより、従来の光ファイバジャイロのよう
に、光ファイバなどを用いる必要がなく、小型化，低コ
ストの装置で、対象物の回転に関する情報を検出するこ
とができる。

【０００７】また、請求項２記載の発明では、光源から
の光をレンズにより集光して２つの回折格子に入射させ
る。これにより、光スポットが小さくなり、より小型の
回転センサを提供することができる。

【０００８】また、請求項３記載の発明では、光源から
の光をレンズによりコリメートして２つの回折格子に入
射させる。これにより、発生する干渉縞を一定の等ピッ
チのものにすることができ、検出手段(受光手段)を単純
な大きさ(３分割ＰＤのようにピッチが一定のもの)にす
ることができる。

【０００９】また、請求項４記載の発明では、ｎ₁＝
ｑ，ｎ₂＝−ｑ，ｍ₁＝ｐ，ｍ₂＝−ｐ(ｑ，ｐは整数)な
る回折次数を用いる。これにより、光軸に対して対称的
な構成になり、検出動作が安定になる。

【００１０】また、請求項５記載の発明では、干渉縞の
ピッチの４分の１の間隔をもつ３個の受光器で干渉縞を
受光し、相隣り合う２つの受光器の出力の差をとる。こ
れにより、位相が９０°異なる２個の正弦波信号を得る
ことができ、回転に関する情報を高精度に検出できる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は本発明に係る回転センサの第１の実施例の
構成図である。図１を参照すると、この回転センサ１０
は、光源１と、光源１からの光をコリメ−トするレンズ
２と、レンズ２からのコリメ−ト光が入射する２つの回
折格子３，４と、検出手段９０とを有している。

【００１２】ここで、光源１には、例えば半導体レ−ザ
などのレーザが用いられる。また、第１番目の回折格子
３，第２番目の回折格子４は、それぞれ所定のピッチΛ
₁，Λ₂を有し、かつ格子面が互いに平行となっている。
この場合、第１番目の回折格子３は、光源１からの光を
回折してｎ₁次光，ｎ₂次光（ｎ₁，ｎ₂は整数）の第１回
折光を発生させ、第２番目の回折格子４は、第１番目の
回折格子３からのｎ₁次光，ｎ₂次光の第１回折光をそれ
ぞれ回折してｍ₁次光，ｍ₂次光（ｍ₁，ｍ₂は整数）の第
２回折光を発生させ、検出手段９０は、該第２番目の回
折格子４からのｍ₁次光とｍ₂次光との間で干渉により発
生する干渉縞１２の位相の変化を検出するようになって
いる。なお、図１の例では、検出手段９０は、１つの受
光素子７からなっている。

【００１３】ところで、本実施例の回転センサ１０は、
対象物(例えば航空機)の回転に関する情報を検知するた
め、対象物の所定位置に取り付けて用いられるようにな
っており、この場合、対象物の回転の中心，すなわち回
転軸線Ｒの付近に第１番目の回折格子３と第２番目の回
折格子４とが配設されるように、この回転センサ１０を
対象物に取り付けるのが良い。

【００１４】より詳しくは、第１番目の回折格子３と第
２番目の回折格子４は、対象物の回転軸線Ｒを中心とし
て対称に配設されるのが良い。換言すれば、対象物の回
転中心(回転軸線Ｒ)が第１番目の回折格子３と第２番目
の回折格子４との間の中心付近となるように、第１番目
の回折格子３と第２番目の回折格子４とを配設するのが
良く、この場合、対象物が回転し、この回転センサ１０
が回転すると、第１番目の回折格子３と第２番目の回折
格子４とは、回折格子対(二重回折格子)として、対象物
の回転軸線Ｒの周りに回転することになる。

【００１５】このとき、回折格子３，４には、回転軸線
Ｒの周りの回転(例えば矢印Ｈ方向の回転)により、遠心
力とコリオリの力とが働く。いま、回折格子３，４の回
転に伴なう座標系(回転座標系)をｘ，ｙ，ｚと定義する
と(なお、ｘ軸方向は回折格子３，４の長手方向に対応
し、ｙ軸方向はこの回転センサ１０の光軸方向に対応
し、ｚ軸方向は回転軸線Ｒの方向に対応している)、回
折格子３，４に働く遠心力Ｆ１，Ｆ２は、ｙ軸方向とな
り、また、回折格子３，４に働くコリオリの力Ｃ₁，Ｃ₂
は、ｘ軸方向となる。この際、図１からわかるように、
第１番目の回折格子３に働くコリオリの力Ｃ₁と第２番
目の回折格子４に働くコリオリの力Ｃ₂とは、互いに反
対の向きになり、第１番目の回折格子３と第２番目の回
折格子４とは、ｘ軸方向に互いに変位(移動)する。この
変位量は、コリオリの力Ｃ₁，Ｃ₂が回転速度に比例する
ものであることから、回転速度にほぼ比例して大きくな
る。従って、２つの回折格子３，４のｘ軸方向への変位
量に伴なう前記干渉縞１２の位相の変化量を検出手段９
０で検出することで、対象物の回転速度(すなわち、角
速度)などの対象物の回転に関する情報を検出すること
ができる。

【００１６】なお、２つの回折格子３，４の回転に伴な
うｘ軸方向の変位量を安定して検出するため(すなわ
ち、回転に関する情報を安定して検出するため)、回折
格子３，４は、例えば回転センサ１０の側壁１１に、バ
ネ(例えば板バネ)やゴムなどの弾性体部材５，６によっ
て挟持されている。また、第１番目の回折格子３に働く
遠心力Ｆ１と第２番目の回折格子４に働く遠心力Ｆ２
も、互いに反対の向きになり、第１番目の回折格子３と
第２番目の回折格子４とは、ｙ軸方向にも変位(移動)し
ようとするが、ｙ軸方向への変位については、これを例
えば部材１３によって阻止する。これにより、回転によ
る回折格子３，４の変位をｘ軸方向のみに制限して検出
できる。

【００１７】次に、このような構成の回転センサ１０の
動作原理をより詳細に説明する。

【００１８】なお、以下では説明の便宜上、第１番目，
第２番目の回折格子３，４の二重回折格子による干渉縞
１２の発生は、Ｅ光とＦ光との２つの光で行なうとす
る。すなわち、図２に示すように、第１番目の回折格子
３において発生したｎ₁次の第１回折光（回折角θ₁）が
第２番目の回折格子４で回折して発生したｍ₁次の第２
回折光（回折角θ₂）をＥ光として用い、また、第１番
目の回折格子３において発生したｎ₂次の第１回折光
（回折角φ₁)が第２番目の回折格子４で回折して発生し
たｍ₂次の第２回折光（回折角φ₂）をＦ光として用い
て、干渉縞１２を発生させるものとする。

【００１９】この場合、光源１の波長をλとし、第１番
目の回折格子３に光源１，レンズ２からの光が垂直入射
すると、Ｅ光については次式の関係が成立する。

【００２０】

【数１】ｓｉｎθ₁＝ｎ₁λ／Λ₁ −ｓｉｎθ₂＋ｓｉｎθ₁＝ｍ₁λ／Λ₂

【００２１】数１により、第２番目の回折格子４の回折
角θ₂について次式が導かれる。

【００２２】

【数２】ｓｉｎθ₂＝λ（ｎ₁／Λ₁−ｍ₁／Λ₂）

【００２３】同様に、Ｆ光については、次式が成立す
る。

【００２４】

【数３】ｓｉｎφ₂＝−λ（ｎ₂／Λ₁−ｍ₂／Λ₂）

【００２５】また、干渉縞１２のピッチΛ₀は次式によ
り表わされる。

【００２６】

【数４】Λ₀＝λ／(ｓｉｎθ₂＋ｓｉｎφ₂)

【００２７】数２，数３，数４から、Λ₁，Λ₂とΛ₀と
の関係が次式のように求められる。

【００２８】

【数５】 Λ₀＝１／［（ｎ₁−ｎ₂）／Λ₁−(ｍ₁−ｍ₂)／Λ₂］

【００２９】数５から、光Ｅと光Ｆとでそれぞれ同じ次
数(ｎ₁＝−ｎ₂，ｍ₁＝−ｍ₂)，同じ回折角(θ₁＝φ₁，
θ₂＝φ₂)の高次光を用いる場合のみならず、異なる次
数，異なる回折角の高次光を用いる場合にも、干渉縞１
２のピッチΛ₀は、第１番目の回折格子３のピッチΛ₁と
第２番目の回折格子４のピッチΛ₂とにだけ関係し、光
源からの光の波長には全く無関係となり、光源１に半導
体レーザのような波長変化の大きい光源が用いられる場
合でも、その波長変化の影響を受けないことがわかる。

【００３０】また、この場合、Λ₁とΛ₂と回折次数
ｎ₁，ｎ₂，ｍ₁，ｍ₂を適切に設定することで、任意の本
数の干渉縞１２を得ることができる。なお、干渉縞１２
は、第１番目の回折格子３，第２番目の回折格子４のｘ
軸方向の移動(変位)に従って移動するので、干渉縞１２
のピッチΛ₀よりも小さな受光面積の１個の受光素子７
で受光すれば、正弦波状信号が得られ、ｎ₁次光(または
ｍ₁次光)を用いることにより、仮に第１番目の回折格子
３，第２番目の回折格子４のいずれか一方だけがｘ軸方
向に１ピッチ移動(変位)するとすると、正弦波状信号は
移動する方の回折格子の次数の差(｜ｍ₁−ｍ₂｜または
｜ｎ₁−ｎ₂｜)の周期となる。

【００３１】具体例として、仮に、第１番目の回折格子
３が移動(変位)せず、第２番目の回折格子４が移動(変
位)するとし、例えば第１番目の回折格子３にピッチΛ₁
がΛ₁＝１μｍの非常に高密度な回折格子を用い、干渉
縞のピッチΛ₀を２ｍｍ(コリメート光の光径程度)と大
きくとる場合に、回折次数をｎ₁＝１，ｎ₂＝−１，ｍ₁
＝−２，ｍ₂＝２とすれば、第２番目の回折格子４のピ
ッチΛ₂は、Λ₂＝２．０００５μｍと、第２番目の回折
格子３のピッチΛ₁の約２倍の大きなもので良いことに
なる。このように小さいピッチの回折格子を用いて大き
いピッチの干渉縞を発生させることができる。

【００３２】このような動作原理の回転センサ１０を、
例えば航空機などの対象物に取り付けて対象物の回転に
関する情報を検知するのに用いることができる。この
際、前述のように、第１番目の回折格子３と第２番目の
回折格子４との間に、対象物の回転中心(回転軸線Ｒ)が
位置するように、回転センサ１０を対象物に設置する。

【００３３】対象物が回転していないときには、回転セ
ンサ１０内の第１番目の回折格子３と第２番目の回折格
子４とは、図３に符号３ａ，４ａで示す位置にあり、ま
た、このときの干渉縞１２は符号１２ａに示す状態にあ
る。この状態から、対象物が回転すると、各回折格子
３，４は、遠心力とコリオリの力とを受け、各回折格子
３，４は、前述のように、コリオリの力Ｃ₁，Ｃ₂によっ
て、ｘ軸方向に互いに反対方向に変位する。すなわち、
図３に符号３ｂ，４ｂで示す位置にそれぞれ変位する。
回折格子３，４のｘ軸方向へのこの相対的な変位によっ
て、干渉縞の位相は、符号１２ｂに示す状態に変化す
る。なお、この際、回折格子３，４の変位量は、コリオ
リの力Ｃ₁，Ｃ₂が作用することによる弾性体部材５，６
の変位量に相当するものとなり、コリオリの力Ｃ₁，Ｃ₂
が回転速度(角速度)に比例することから、弾性体部材
５，６の相対的な変位量，すなわち回折格子３，４間の
相対的な変位量は、回転速度(角速度)にほぼ比例したも
のとなる。従って、干渉縞１２の位相も、対象物の回転
速度(角速度)に応じて変化し、検出手段９０(受光素子
７)でこの干渉縞１２の位相の変化を検出することで、
対象物の回転速度(角速度)を検出することができる。

【００３４】上記のような回転センサ１０において、使
用する回折光の次数は、ｎ₁＝ｑ，ｎ₂＝−ｑ，ｍ₁＝
ｐ，ｍ₂＝−ｐ(ｑ，ｐは整数)のように、対称的である
のが良い。すなわち、この場合には、全体構造としても
対称的となり、安定性を高めることができる。この中で
もｎ₁＝１，ｎ₂＝−１，ｍ₁＝１，ｍ₂＝−１の回折次数
の場合が、最も回折効率が高く、有用である。

【００３５】また、回折格子３，４は両方とも移動(変
位)するので、干渉縞１２も回折格子３，４の一方だけ
が変位する場合の約２倍変化し、これにより、検出感度
は高いものとなる。具体的に、干渉縞感度(検出感度)は
｜ｍ₁−ｍ₂｜＋｜ｎ₁−ｎ₂｜となる。

【００３６】なお、上述の実施例では、検出手段９０と
して、干渉縞の間隔よりも小さい受光面をもつ受光素子
(あるいは小さい孔のピンホール)７を用いており、これ
により、１つの受光素子７から図４に示したような正弦
波状信号を得ることができる。この種の正弦波状信号
は、谷と山の比（ｔ₂／ｔ₁；アスペクト比）が大きいほ
ど品質が良いが、１つの受光素子７からの正弦波状信号
は、バイアス成分ｔ₁をもつため、この正弦波状信号は
良質のものとなっていない。

【００３７】図５乃至図１１には、正弦波状信号の品質
を良好なものにするための各種の信号検出の仕方，換言
すれば、検出手段９０の各種の構成例が示されている。
先ず、図５には、光を重ねた光径（図では円とする）中
に干渉縞の明暗を１個ずつ発生させたときに、干渉縞の
明暗に相当する間隔（干渉縞のピッチの半分）をへだて
て２つの受光素子５８，５９を配置し、各受光素子５
８，５９の出力の差をとる構成が示されている。

【００３８】図６は、図５の構成における一方の受光素
子５８の出力信号Ｏ１，他方の受光素子５９の出力信号
Ｏ２，２つの受光素子５８，５９の出力の差信号（Ｏ１
−Ｏ２）をそれぞれ示す図である。図６からわかるよう
に、２つの受光素子５８，５９は、干渉縞のピッチの半
分の間隔で配置されているので、受光素子５８，５９の
出力信号Ｏ１，Ｏ２は、１８０゜の位相差となり、従っ
て、２つの受光素子５８，５９の出力Ｏ１，Ｏ２の差を
とり差信号（Ｏ１−Ｏ２）とすることにより、バイアス
成分ｔ₁を除去することができ、アスペクト比の高い良
好な正弦波状信号を得ることができて、これにより、回
転に関する情報をより高精度に測定することができる。
また、この場合に、図７に示すように、受光素子５８，
５９の幅Ｈを小さくすることにより、バイアス成分ｔ₁
をさらに小さくすることができ、差信号（Ｏ１−Ｏ２）
の振幅を大きくすることができて、より一層、完全に近
い良質な正弦波状信号を得ることができる。但し、幅Ｈ
を小さくすると、受光量も減少するので、受光素子５
８，５９の幅Ｈについては、用途等に応じ、適当なもの
に設計するのが良い。

【００３９】図５では、干渉縞の明暗に相当する間隔
（干渉縞のピッチの半分）をへだてて２つの受光素子５
８，５９を配置したが、図８に示すように、干渉縞の明
暗の間隔の半分の間隔（干渉縞のピッチの４分の１）を
へだてて２つの受光素子５８，５９を配置することも可
能である。すなわち、一方の受光素子５８を例えば明の
部分に配置し、他方の受光素子５９を明と暗との中間位
置（光径の中間位置）に配置することも可能である。

【００４０】図９は図８の構成における一方の受光素子
５８の出力信号Ｏ１，他方の受光素子５９の出力信号Ｏ
３，２つの受光素子５８，５９の出力の差信号（Ｏ１−
Ｏ３）をそれぞれ示す図である。図８のように、２つの
受光素子５８，５９の間隔が干渉縞のピッチの４分の１
（明暗の間隔の半分）となるよう２つの受光素子５８，
５９を配置すると、図９に示すように、２つの受光素子
５８，５９の各出力信号Ｏ１，Ｏ３は、９０゜の位相差
をもつことになる。すなわち、一般にエンコーダに必要
な９０゜位相差をもつ２つの正弦波信号（すなわちＡ相
信号，Ｂ相信号）を出力信号Ｏ１，Ｏ３として、それぞ
れ受光素子５８，５９から出力することができる。この
場合、９０゜の位相差をもつＡ相信号Ｏ１，Ｂ相信号Ｏ
３を方向弁別信号として回折格子３，４の移動方向の検
出，すなわち回転方向の検出に用いることができ、ま
た、Ａ相信号とＢ相信号との差，すなわち出力信号Ｏ１
と出力信号Ｏ３との差をとり差信号（Ｏ１−Ｏ３）とす
ることで、この差信号（Ｏ１−Ｏ３）を回転速度の測定
に用いることができる。そして、回転速度の測定に差信
号（Ｏ１−Ｏ３）を用いることによって、前述したと同
様に、品質の良い正弦波を得ることができ、回転に関す
る情報を高精度に測定することができる。すなわち、図
８の構成では、対象物の回転に関する情報として、回転
方向を弁別する信号と回転速度を測定するための信号と
を高精度に得ることができる。

【００４１】さらに、品質の良い（アスペクト比の高
い）信号を得るために、図１０に示すように、隣接する
素子間の間隔が干渉縞のピッチの４分の１となるよう３
つの受光素子６０，６１，６２を配置することもでき
る。

【００４２】図１１は、図１０の構成における３つの受
光素子６０，６１，６２の各々からの出力信号Ｏ１，Ｏ
３，Ｏ２，２つの受光素子６０，６１の出力の差信号
（Ｏ１−Ｏ３），２つの受光素子６１，６２の出力の差
信号（Ｏ３−Ｏ２）をそれぞれ示す図である。図１０の
ように、隣接する素子間の間隔が干渉縞のピッチの４分
の１となるよう３つの受光素子６０，６１，６２を配置
すると、図１１に示すように、３つの受光素子６０，６
１，６２の各出力信号Ｏ１，Ｏ３，Ｏ２は、９０゜の位
相差となり、従って、差信号（Ｏ１−Ｏ３）と差信号
（Ｏ３−Ｏ２）とは、互いに９０゜位相差をもつととも
に、より完全に近い（より品質の良い）正弦波となる。
この場合、９０゜位相差をもつ差信号（Ｏ１−Ｏ３），
（Ｏ３−Ｏ２）をＡ相信号，Ｂ相信号として用いること
で、対象物の回転方向を精度良く検出することができる
とともに、個々の差信号（Ｏ１−Ｏ３），（Ｏ３−Ｏ
２）自体により、対象物の回転速度を精度良く測定する
ことができる。

【００４３】また、上述の各実施例の回転センサにおい
て、さらに、回折格子３，回折格子４の少なくとも一方
(例えば、いずれか一方)を、図１２(ａ)に示すように、
２つの領域ｕ_a，ｕ_bに分けることも可能である。すなわ
ち、各領域ｕ_a，ｕ_bは同じピッチΛ₁(またはΛ₂，Λ₃)
を有しているが、ピッチの位相が互いに異なっている。
このようにすることによって、図１２(ｂ)に示すよう
に、コリメータ光の光断面６０内に各領域ｕ_a，ｕ_bに対
応した位相の異なる２種類の干渉縞Ｉ_a，Ｉ_b(各干渉縞
Ｉ_a，Ｉ_bのピッチはΛ₀)を発生させることができ、この
干渉縞Ｉ_a，Ｉ_bの縞方向Ｙに２つの受光素子(例えばフ
ォトダイオード等)７ａ，７ｂを並べて配置し、各受光
素子７ａ，７ｂから所定の信号をそれぞれ得ることもで
きる。

【００４４】ここで、受光素子７ａ，７ｂは干渉縞の間
隔よりも小さい受光面を有している。また、２つの領域
ｕ_a，ｕ_bの回折格子ピッチの位相差β₁は、２π／(４｜
ｎ−ｍ｜)であるのが良い。なお、ｎ，ｍは、領域が分
離されている回折格子の回折次数である。例えば、１番
目の回折格子３が２つの領域に分けられているとする
と、ｎ，ｍはそれぞれｎ₁，ｍ₁である。また、２番目の
回折格子４が２つの領域に分けられているとすると、
ｎ，ｍはそれぞれｎ₂，ｍ₂である。従って、例えば、１
番目の回折格子３の１次光と−１次光を用い(ｎ₁＝１，
ｍ₁＝−１)また、２番目の回折格子４の−１次光と１次
光とを用いるとした場合(ｎ₂＝−１，ｍ₂＝１)におい
て、２番目の回折格子４を２つの領域に分けるときに
は、回折格子ピッチの位相差β₁を２π／８に設定する
のが良い。

【００４５】また、２番目の回折格子４の−１次光と１
次光を用いるときには、回折格子４の各領域ｕ_a，ｕ_bの
位相差β₁に対して、干渉縞Ｉ_a，Ｉ_bの位相差β₀は、次
式のようになる。すなわち、２番目の回折格子４の−１
次光と１次光を用いる場合には、２番目の回折格子４の
位相のずれに対して干渉縞の位相のずれが１−(−１)＝
２倍となることから、次式が導き出される。

【００４６】

【数６】β₀＝２β₁

【００４７】従って、２番目の回折格子４において、各
領域Ｉ_a，Ｉ_bのピッチの位相差β₁が上述のように２π
／８に設定されているときには、干渉縞Ｉ_a，Ｉ_bのピッ
チの位相差β₀は、２π／４となり、各受光素子７ａ，
７ｂからは、干渉縞のピッチが１／４ずれた９０°の位
相差をもつ２つの正弦波信号(すなわち、Ａ相信号，Ｂ
相信号)をそれぞれ得ることができる。これにより、９
０゜の位相差をもつＡ相信号，Ｂ相信号を方向弁別信号
として回転方向の検出に用いることができ、また、Ａ相
信号とＢ相信号との差をとることで、この差信号を回転
速度の測定に用いることができる。そして、回転速度の
測定に差信号を用いることによって、品質の良い正弦波
を得ることができ、高精度に回転速度を測定することが
できる。

【００４８】なお、上記のようなＡ相信号，Ｂ相信号
は、前述のように例えば図８の回転センサにおいても実
現できる。しかしながら、図８の回転センサでは、１つ
の干渉縞からＡ相，Ｂ相を検出するため、干渉縞がずれ
た場合には、Ａ相，Ｂ相の位相がずれ易く、移動方向に
ついての検出誤りが発生しやすいという問題がある。

【００４９】これに対して、回析格子３または４の領域
を２つに分けて２つの干渉縞Ｉ_a，Ｉ_bを発生させ、２つ
の受光素子７ａ，７ｂを干渉縞の方向Ｙに並べて配置
し、受光素子７ａ，７ｂにおいて２つの干渉縞Ｉ_a，Ｉ_b
からＡ相，Ｂ相の信号を直接得る場合には、回析格子３
または４のずれによる干渉縞の傾きなどに対して、検出
誤りを少なくすることができ、特に、Ａ相信号，Ｂ相信
号の位相がずれにくく、回転方向についての検出誤りが
発生するのを著しく低減することができる。

【００５０】なお、この場合も、±１次光のみならず、
さらに高次光を用いるように拡張可能である。すなわ
ち、例えば図１３に示すように、１番目の回折格子３で
発生するｎ₁次光であって２番目の回折格子４のｎ₂次光
と、１番目の回折格子３で発生するｍ₁次光であって、
２番目の回折格子４のｍ₂次光とを回折格子４の回転に
関する情報（回転速度や回転方向など）を得るために用
いることもできる。

【００５１】この場合、１番目の回折格子３での回折条
件は次式により表わされる。

【００５２】

【数７】ｓｉｎθ₁₁＝ｎ₁λ／Λ₁ ｓｉｎθ₁₂＝ｍ₁λ／Λ₁

【００５３】また、２番目の回折格子４での回折条件は
次式により表わされる。

【００５４】

【数８】−ｓｉｎθ₂₁＋ｓｉｎθ₁₁＝ｎ₂λ／Λ₂ −ｓｉｎθ₂₂＋ｓｉｎθ₁₂＝ｍ₂λ／Λ₂

【００５５】数７と数８とにより、次式が導かれる。

【００５６】

【数９】ｓｉｎθ₂₁＝λ（ｎ₂／Λ₂−ｎ₁／Λ₁）ｓｉｎθ₂₂＝λ（ｍ₂／Λ₂−ｍ₁／Λ₁）

【００５７】また、θ₂₁とθ₂₂の角度の光による干渉縞
のピッチは次式で表される。

【００５８】

【数１０】Λ₀＝λ／（ｓｉｎθ₂₁＋ｓｉｎθ₂₂）

【００５９】数９と数１０とを用いてΛ₁，Λ₂とΛ₀と
の関係が次式のように求められる。

【００６０】

【数１１】 Λ₀＝１／［（ｎ₂＋ｍ₂）／Λ₂−（ｎ₁＋ｍ₁）／Λ₁］

【００６１】数１１から、高次光を用いる場合にも、±
１次光を用いる場合と同様に、干渉縞のピッチΛ₀は、
１番目の回折格子３のピッチΛ₁と２番目の回折格子４
のピッチΛ₂とにだけ関係し、光源からの光の波長には
全く無関係となり、光源１に半導体レーザのような波長
変化の大きい光源が用いられる場合でも、その波長変化
の影響を受けない。

【００６２】なお、高次光の選び方としては、前述のよ
うに、２つの回折格子３，４からの２つの出射光がほぼ
平行にならなければならないので、１番目の回折格子３
でのｎ₁次光であって２番目の回折格子４でのｍ₁次光
と、１番目の回折格子３でのｎ₂次光であって２番目の
回折格子４でのｍ₂次光との干渉では、Λ₁≒Λ₀を例に
とると、次式を満たさなければならない。

【００６３】

【数１２】ｎ₁＋ｍ₁＝ｎ₂＋ｍ₂

【００６４】また、このように、２番目の回折格子４の
高次光を用いる場合、あるいは、１番目の回折格子３の
高次光を用いる場合、回折格子の領域ｕ_a，ｕ_bの位相差
β₁に対して、干渉縞の位相差β₀は次式のようになる。
すなわち、２番目の回折格子４のｎ₂次光とｍ₂次光を用
いる場合には、２番目の回折格子４の位相のずれに対し
て干渉縞の位相のずれが(ｎ₂−ｍ₂)倍となることから次
式が導き出される。

【００６５】

【数１３】β₀＝(ｎ₂−ｍ₂)β₁

【００６６】従って、β₀＝π／２とすると、β₁＝π／
［２(ｎ₂−ｍ₂)］となる。

【００６７】また、図１４に示すように光を重ねた光径
（図では円とする）中に干渉縞の明暗を１個ずつ発生さ
せたときに、受光素子７ａ，７ｂの各々に対して、干渉
縞の明暗に相当する間隔（干渉縞のピッチΛ₀の半分Λ₀
／２）をへだてて、さらに、受光素子８ａ，８ｂを配置
し、受光素子７ａと受光素子８ａの出力の差，受光素子
７ｂと受光素子８ｂの出力の差をとるような構成とする
こともできる。

【００６８】図１５は、図１４の構成において、回折格
子３または４の一方の領域，例えばｕ_aにおける受光素
子７ａの出力信号ａ１，受光素子８ａの出力信号ａ２，
２つの受光素子７ａ，８ａの出力の差信号（ａ１−ａ
２）をそれぞれ示す図である。図１５からわかるよう
に、受光素子７ａ，８ａは、干渉縞のピッチの半分の間
隔で配置されているので、受光素子７ａ，８ａの出力信
号ａ１，ａ２は、１８０゜の位相差となり、従って、受
光素子７ａ，８ａの出力ａ１，ａ２の差をとり差信号
（ａ１−ａ２）とすることにより、図４の正弦波状信号
からバイアス成分ｔ₁を除去することができ、アスペク
ト比の高い良好な正弦波状信号を得ることができる。受
光素子７ａ，８ａの出力の差信号（ａ１−ａ２）と受光
素子７ｂ，８ｂの出力の差信号（ｂ１−ｂ２）とは、図
１６に示すようになり、（ａ１−ａ２），（ｂ１−ｂ
２）を最終的な出力とすることによって、９０゜の位相
差をもつ良好なＡ相信号，Ｂ相信号を得ることができ
て、より高精度に回転速度を測定することができる。ま
た、この場合に、図１７に示すように、受光素子７ａ，
８ａ；７ｂ，８ｂの幅Ｈを小さくすることにより、バイ
アス成分ｔ₁をさらに小さくすることができ、差信号の
振幅を大きくすることができて、より一層、完全に近い
良質な正弦波状信号を得ることができる。但し、幅Ｈを
小さくすると、受光量も減少するので、受光素子７ａ，
８ａ；７ｂ，８ｂの幅Ｈについては、用途等に応じ、適
当なものに設計するのが良い。また、上述の例では、干
渉縞の明暗に相当する間隔（干渉縞のピッチの半分）を
へだてて受光素子７ａ，８ａ；７ｂ，８ｂを配置した
が、このような配置例に限らず、種々の変形も可能であ
る。

【００６９】なお、上述の実施例では、光源１としてレ
ーザを用いており、レーザは干渉性がよいので干渉縞が
はっきり現われ、出力が取りやすいので最も良いが、光
源１としては、レーザに限定されることなく、他の光源
を用いることもできる。例えばＬＥＤのような位相の揃
っていない光源でも、発光面積の小さいものであれば干
渉するので使用できる。

【００７０】また、レンズ２は、必ずしも光をコリメー
トするものである必要は無く、光を集光させるものであ
ってもよいし発散させるものであってもよい。また、レ
ンズ２は必ずしも設ける必要はない。すなわち、光源１
からの光を重ね合わせれば測定に必要な干渉縞が発生す
るので、光を重ね合わせることができれば、レンズ２は
必ずしも必要でない。

【００７１】また、上述の実施例では、光源１からの光
を回折格子に垂直入射させる場合について説明したが、
本発明は、光源１からの光を回折格子に垂直入射させる
場合に限定されず、垂直に入射させない場合であっても
適用可能である。

【００７２】

【発明の効果】以上に説明したように、請求項１記載の
発明によれば、所定の対象物の回転に関する情報を検知
する回転センサにおいて、光源と、光源からの光を回折
してｎ₁次光，ｎ₂次光（ｎ₁，ｎ₂は整数）の第１回折光
を発生させる第１番目の回折格子と、前記第１番目の回
折格子からのｎ₁次光，ｎ₂次光の第１回折光をそれぞれ
回折してｍ₁次光，ｍ₂次光（ｍ₁，ｍ₂は整数）の第２回
折光を発生させる第２番目の回折格子と、該第２番目の
回折格子からのｍ₁次光とｍ₂次光との間での干渉により
発生する干渉縞の位相の変化を検出する検出手段とを有
し、前記第１番目の回折格子と前記第２番目の回折格子
とは、前記対象物の回転軸線を中心として対称に配設さ
れ、前記第１番目の回折格子と前記第２番目の回折格子
が前記回転軸線を中心として回転する場合に、前記２つ
の回折格子が、回転に応じた変位量で、回折格子の長手
方向に相対的に変位し、２つの回折格子の長手方向への
相対的な変位に伴なって前記干渉縞の位相が変化するこ
とを前記検出手段で検出して、対象物の回転に関する情
報を検出するので、従来の光ファイバジャイロのよう
に、光ファイバなどを用いる必要がなく、小型化，低コ
ストの装置で、対象物の回転に関する情報を検出するこ
とができる。

【００７３】また、請求項２記載の発明によれば、光源
からの光をレンズにより集光して２つの回折格子に入射
させるので、光スポットが小さくなり、より小型の回転
センサを提供することができる。

【００７４】また、請求項３記載の発明によれば、光源
からの光をレンズによりコリメートして２つの回折格子
に入射させるので、発生する干渉縞を一定の等ピッチの
ものにすることができ、検出手段(受光手段)を単純な大
きさ(３分割ＰＤのようにピッチが一定のもの)にするこ
とができる。

【００７５】また、請求項４記載の発明によれば、ｎ₁
＝ｑ，ｎ₂＝−ｑ，ｍ₁＝ｐ，ｍ₂＝−ｐ(ｑ，ｐは整数)
なる回折次数を用いるので、光軸に対して対称的な構成
になり、検出動作が安定になる。

【００７６】また、請求項５記載の発明によれば、干渉
縞のピッチの４分の１の間隔をもつ３個の受光器で前記
干渉縞を受光し、相隣り合う２つの受光器の出力の差を
とるので、位相が９０°異なる２個の正弦波信号を得る
ことができ、回転に関する情報を高精度に検出できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る回転センサの一実施例の構成図で
ある。

【図２】図１の回転センサの動作原理を説明するための
図である。

【図３】図１の回転センサの動作原理を説明するための
図である。

【図４】図１の回転センサの受光素子から出力される信
号を示す図である。

【図５】干渉縞のピッチの半分の間隔をへだてて２つの
受光素子が配置されている回転センサの構成例を示す図
である。

【図６】図５の構成の回転センサの各受光素子からの出
力信号を示す図である。

【図７】図５の構成の回転センサにおいて、各受光素子
の幅を小さくした状態を示す図である。

【図８】干渉縞のピッチの４分の１の間隔をへだてて２
つの受光素子が配置されている回転センサの構成例を示
す図である。

【図９】図８の構成の回転センサの各受光素子からの出
力信号を示す図である。

【図１０】隣接する素子間の間隔が干渉縞のピッチの４
分の１となるように３つの受光素子が配置されている回
転センサの構成例を示す図である。

【図１１】図１０の構成の回転センサの各受光素子から
の出力信号を示す図である。

【図１２】回折格子の構成例並びに干渉縞の発生例を示
す図である。

【図１３】２つの回折格子からの高次光を用いる場合の
構成を示す図である。

【図１４】干渉縞の方向に並置された受光素子の各々に
対し、干渉縞のピッチの半分を隔てて、さらに受光素子
が配置されている回転センサの構成例を示す図である。

【図１５】図１４の構成の回転センサの一方の領域にお
ける受光素子からの出力信号を示す図である。

【図１６】図１４の回転センサの最終的な出力信号を示
す図である。

【図１７】図１４の回転センサにおいて、各受光素子の
幅を小さくした状態を示す図である。

【図１８】従来の光ファイバジャイロの構成例を示す図
である。

【図１９】図１８の光ファイバジャイロの回転Ωと出力
Ｐとの関係を示す図である。

【符号の説明】

１光源２レンズ３第１番目の回折格子４第２番目の回折格子５，６弾性体部材７受光素子１０回転センサ１２干渉縞９０検出手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01C 19/00 - 19/72 G01P 15/00 - 15/18 G01B 11/00 - 11/30 102

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の対象物の回転に関する情報を検知
する回転センサにおいて、光源と、光源からの光を回折
してｎ₁次光，ｎ₂次光（ｎ₁，ｎ₂は整数）の第１回折光
を発生させる第１番目の回折格子と、前記第１番目の回
折格子からのｎ₁次光，ｎ₂次光の第１回折光をそれぞれ
回折してｍ₁次光，ｍ₂次光（ｍ₁，ｍ₂は整数）の第２回
折光を発生させる第２番目の回折格子と、該第２番目の
回折格子からのｍ₁次光とｍ₂次光との間での干渉により
発生する干渉縞の位相の変化を検出する検出手段とを有
し、前記第１番目の回折格子と前記第２番目の回折格子
とは、前記対象物の回転軸線を中心として対称に配設さ
れ、前記第１番目の回折格子と前記第２番目の回折格子
が前記回転軸線を中心として回転する場合に、前記２つ
の回折格子が、回転に応じた変位量で、回折格子の長手
方向に相対的に変位し、２つの回折格子の長手方向への
相対的な変位に伴なって前記干渉縞の位相が変化するこ
とを前記検出手段で検出して、対象物の回転に関する情
報を検出することを特徴とする回転センサ。
【請求項２】請求項１記載の回転センサにおいて、前
記光源からの光を集光するためのレンズがさらに設けら
れており、光源からの光を該レンズによって集光して前
記２つの回折格子に入射させることを特徴とする回転セ
ンサ。
【請求項３】請求項１記載の回転センサにおいて、前
記光源からの光をコリメートするためのレンズがさらに
設けられており、光源からの光を該レンズによリコリメ
ートして前記２つの回折格子に入射させることを特徴と
する回転センサ。
【請求項４】請求項１記載の回転センサにおいて、前
記第１回折光の回折次数をｎ₁，ｎ₂とし、前記第２回折
光の回折次数をｍ₁，ｍ₂とするとき、ｎ₁＝ｑ，ｎ₂＝−
ｑ，ｍ₁＝ｐ，ｍ₂＝−ｐ(ｑ，ｐは整数)なる回折次数を
用いて干渉縞を発生させることを特徴とする回転セン
サ。
【請求項５】請求項１記載の回転センサにおいて、前
記検出手段は、前記干渉縞のピッチの４分の１の間隔を
へだてて配置された３個の受光器を有し、３つの受光器
で前記干渉縞を受光し、隣り合う２つの受光器の出力の
差をとって位相が９０°異なる２個の正弦波信号を得る
ことを特徴とする回転センサ。