JPH01246883A - 受動型リングレーザジャイロスコープ - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、例えば特に自動車用ナビゲーションシステ
ムにおいて、回転角速度を検出するために使用して好適
なリングレーザジャイロスコープに関する。

〔発明の概要〕

この発明は受動型リングレーザジャイロスコープであっ
て、特にリング共振器として光ファイバを使用しないこ
とによって、零点ドリフト、スケールファクタ（入力位
相差と出力電圧の比例定数）の変動がジャイロスコープ
の出方に生じるのを防止するとともにレーザ光をシング
ルモードファイバヘ結合する必要をなくし、このためレ
ーザ光とファイバの入力端の位置関係を考慮すや必要を
なくしたものである。さらに、この発明は光学的な位置
関係を一定に保つようにするサーボ系を設け、このサー
ボ系によって外部から振動や温度変化が加わっても、こ
れらの外乱の影響を殆んどなくすことができるものであ
る。

〔従来の技術」 航空機の慣性航法、姿勢制御や、自動車のナビゲーショ
ンを目的として回転角速度を検出するジャイロスコープ
としては、機械式ジャイロスコープから可動部が殆んど
ない、レーザを利用した光ジヤイロスコープに最近は移
行しつつある。

この光ジヤイロスコープは原理的にはサグナック（Ｓａ
ｇｎａｃ）効果を利用して回転角速度を検出する。

このサグナック効果は、第３図に示すような同一の周回
光路Ｒ中を光が伝搬するとき、左回りと右回りの２方向
の光に位相差を生じるというものである。すなわち、第
３図の光学系において、光源を出た光をビームスプリッ
タＢＳで２つに分け、同一の周回光路Ｒに左右逆回りに
伝搬させたとする。このとき、系全体が慣性空間に対し
角速度工λで回転すると、図中に模式的に表わしたよう
に周回光路Ｒを、光がひと回りするのに要する時間が左
右両回り光の間で異なることになる。この時間差Δｔは
、 Δｔ＝（４Ａ／ｃ’）Ω　　　　・・・・（１）と表わ
される。ここで、Ａはリング状光路Ｒの取り囲む面積、
Ｃは真空中の光速である。

このことはまた、 Δφ−（４ｋＡ／ｃ）Ω　　　　・・・・（２）なる位
相差Δφが生じたと解することもできる。

ｋは真空中の光の波数である。

また、これは、 Δｆ−（４Ａ／Ｃ）Ω　　　　　・・・・（３）なる光
路差Δβが生じたと解することもできる。

以上のように時間差Δｔ１位相差Δφ、光路差Δｌは、
回転角速度に比例するから、これらのうちい・ずれかを
検出することにより、回転角速度が検出できるものであ
る。

この光ジヤイロスコープとしては、既に、リング状光路
中にレーザ媒質を配し、左右逆回りの２つのレーザ光を
得る方式のリングレーザジャイロスコープが実用化され
ている。

このリングレーザジャイロスコープはｒＩＪ動部が殆ん
どないため、従来の機械式ジャイロスコープに比べ、信
頼性が商い、起動時間が短い、検出ｐＪ能なダイナミッ
クレンジが広い等の特徴を有しているが、入力回転角速
度が小さくなると、左右逆方向を回る光が互いの後方散
乱の影響を受けて、回転角速度の検出が不能になるロッ
クイン現象が生じる。

実用化されたリングレーザジャイロスコープでは、一定
の回転角速度を常に人力して検出範囲をロックイン現象
域外に出すことでこの欠点を克服している。このため、
従来のリングレーザジャイロスコープは可動部を全く持
たない完全静止型のジャイロスコープとはなっていない
、このほか、従来のリングレーザジャイロスコープは、
レーザ発振器からのガス漏れや、超精密加工に伴うコス
ト高等の問題があった。

前述したロックイン現象は、リングレーザジャイロスコ
ープがレーザ媒質を使用し、後方散乱光も増幅されるこ
とにより生じる現象である。

そこで、レーザ媒質を使用せすぬ原理的にロックイン現
象を生じない受動型の光ジヤイロスコープが開発され、
そのなかでも小型化を図るのに最も有望なものとして受
動型リング共振方式の光ジヤイロスコープが注目されて
いる。

このリング共振方式は、レーザ光がリング状回路を回転
するうちに、ビームスプリフタから漏れ出る光の干渉を
利用する。光がｎ回回転すればｎ回光が漏れ出て多用干
渉することになる。そして、この状態でサグナック効果
が生じると、出力は第４図に示すような鋭いピークを持
ち、感度はおよそそのフィネス（ωＦＳＲ／Δω）倍と
なり、従って石いループでも茜い感度が得られる。

第５図はこの受動型リング共振方式の光シャイロスコー
プの一例で、リング状回路に光ファイバが使用されたも
のである。

同図において、（１）はレーザ光源、＜２）　、　＋３
１　、　（４１及び（５）は光フアイバカップラ、（６
）は単一モード光ファイバループ、（７）及び（８）は
光検出器、（９）は位相制御器、（ｌＯ）は位相変調器
である。単一モード光ファイバループ（６）は共振器と
し′ζ利用される。

レーザ光源（１）からの光は光フアイバカップラ（２）
で２分され、一方は単一モード光ファイバループ（３）
を右回りに、他方は左回りに伝搬する。光フアイバルー
プ（３）の動作点は共振点に設定する。動作点の設定方
法は、位相変ＵＭ器（１０）で共振器ループ（６）の伝
搬光にωなる角周波数（ωは温度変化などの外乱による
位相変化の周期より充分高くする）で位相変調をかけ、
位相制御器（９）において、光検出器（８）の出力から
同期検波により角周波数ωの成分を検出し、これが零に
なるように位相変調器（１０）に印加する直流電圧を制
御する。

このようにすれば、左回り光に対しては常に動作点が共
振点に固定されるが、右回り光に対しては回転によるサ
ブナック効果の分だけ共振点からずれ、回転に比例した
信号が光検出器（７）から得られるものである。

参照文献；■日経マグロウヒル社発行の「日経メカニカ
ルＪ　　１９Ｂ５．６．３．　Ｐ７５〜Ｐ８７゜■同、
「日経エアロスペースＪ　　１９Ｂ５゜７．２２．　ｐ
Ｈ〜Ｐ１６゜ ■応用物理学会１９Ｂ５．７．１２　ｒ　１ｓｔＷｏｒ
ｋｓｈｏｐ　ｏｎ　０ｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｂｅｒ　５ｅ
ｎｓｏｒｓ　Ｊにおけるｒｌｌ　　リング共振型光フ ァイバジャイロスコープの基礎研 究」田井修巾、久間和生）。

〔発明が解決しようとする課題〕

第５図の受動型リング共振式光フアイバジャイロスコー
プは、リング共振器に光フアイバループを使用するため
次のような欠点がある。

すなわち、光ファイバは光の導波をコアとクラッドの境
界面の全反射を利用しているため、本質的に偏向面の回
転を引き起こし、それにより零点ドリフト及びスケール
ファクタの変動がジャイロスコープの出力に生じてしま
う。

また、レーザ光源からの光を単一モード光ファイバに結
合する必要があるが、外部から振動や温度変化が加わっ
た状況で、レーザ光源と単一モード光ファイバの入射端
の位置関係を保つことは稚しい。高性能のクツション、
恒温設備を使用することにより、上記の欠点はある程度
は抑えることはできるが、これらのクツションや恒温設
備は商価格であるため、自動車のナビゲーシッン用の回
転角速度計としては、価格の関係上上記設備を装着でき
ない。

この発明は、これらの欠点を改善した光ジヤイロスコー
プを提供しようとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

この発明によるリングレーザジャイロスコープは、受動
型であって、発振スペクトル幅の狭いレーザビームを出
射する発光素子と、この発光素子の出射ビームを平行ビ
ームに変換するレンズと、平行ビームを入射したとき平
行ビームを出射するリング共振器と、上記レンズからの
平行ビームを上記リング共振器に導く第１の光学系と、
受光素子と、上記リング共振器から出射したビームの方
位角を検出するビーム入射位置検出手段と、上記リング
共振器から出射したビームを上記受光素子と上記位置検
出素子を用いた光学系に導く第２の光学系と、上記位置
検出素子からの方位角検出電圧に基づいて上記レンズ又
は上記発光素子を上記レンズの光軸に対して垂直な面内
で補正移動させる駆動機構と、上記リング共振器の一方
の方向の回り光に対し、常に動作点を共振点に固定する
手段とを備える。

〔作用〕

リング共振器が光ファイバでなく、人力光が平行ビーム
のとき平行ビームを出射するものである点の違いはある
ものの回転角速度の検出の原理は、第５図の受動型リン
グ共振方式の光フアイバジャイロスコープと同様である
。

そして、位置検出素子と、第２の光学系と、駆動機構と
により、外部から振動が加わったり、温度変化が生じた
としても、光学的な位置関係は一定に保たれ、上記のよ
うな外乱に強い。

〔実施例〕

第１図はこの発明によるジャイロスコープの一実施例の
ブロック図である。

第１図で、（１１）はレーザ光源で、これはコヒーレン
スの高い、例えば分布帰環型レーザダイオードが用いら
れる。このレーザ光源（１１）にはＡＰＣ回路（１２）
が付加され、光出力が一定とされている。

このレーザ光源（１１）からの出射発散ビームは、レン
ズ（１３）により平行ビームに変換される。レンズ（１
３）は例えばコンパクトディスクプレーヤのピンクアッ
プに使用されているものと同様のＸ。

Ｙ微動機構（２８）に取り付けられている。

レンズ（１３）からの平行ビームはハーフミラ−（１４
）により２つの平行ビームＢ　Ｍ　ｔと８Ｍ２とに分岐
される。第１図中ではビームＢ　Ｍ　１の光路は→で示
し、ビームＢＭ２の光路は→で示しである。すなわち、
ビームＢ　Ｍ　１はハーフミラ−（１５）を通り、リン
グ共振器（１６）に入射する。

リング共振器（１６）は、周期的帯域不通過フィルタで
、前述したように第４図に示すような周波数特性を有す
る。

この場合、このリング共振器（１６）としては偏光面を
回転させる光学素子は用いない、この例の場合は、ハー
フミラ−（１６１）とミラー（１６２）からなる光学素
子（１６Ａ）と、ミラー（１６３）及び（１６４）から
なる光学素子（１６Ｂ）とで構成されている。そして、
光学素子（１６Ｂ）は圧電素子（１６５）上に取り付け
られており、この圧電素子（１６５）への印加電圧に従
って、光学素子（１６Ａ）と（１６Ｂ）との距離δβが
変化するようにされている。

この場合、圧電素子（１６５）には、後述する直流電圧
と、発振器（１７）からの周波数ωの交流電圧が加えら
れ、リング共振器（１６）を伝搬する光は位相変調を受
けることになる。リング共振器（１６）の伝搬光の位相
と周波数の変化は等価であるから、等価的に周波数変調
を受けることになる。

今、リング共振器（１６）の共振周波数をｆｏとした場
合、ｆｏを中心に士（ｍだけ周波数が振れるように圧電
素子（１６５）に直流電圧Ｖ、交流電圧Ｖｍを印加する
と、リング共振器（１６）の出射ビームの変化は第２図
に示すようになる。

そして、リング共振器（１６）が角速度Ωで回転すると
サグナック効果によりリング共振器（１６）の共振周波
数はΔｆだけシフトする。ΔｆとΩとの間には、 なる関係がある。ただし、Ａはリング共振器（１６）の
ループ面積、ｌは周囲長（第１図の場合は４１１）、λ
は光源の発振周波数である。

リング共振器（１６）の出射ビームはハーフミラ−（１
Ｂ）及びハーフミラ−（１９）を通過し、ディテクタ（
２０）で検出される。ディテクタ（２ｏ）で検出され、
光電変換された信号は受光回路（２１）を介してロック
インアンプ（２２）に供給される。

そして、発振！（１７）からの周波数ωの信号がこのロ
ックインアンプ（２２）に供給され、受光信号が同期検
波されることにより回転角速度に比例した出力が得られ
る。この際、微分係数が最大となるように、上記ｆＩＩ
＋を選べば、回転角速度に伴う周波数変化Δｆに対する
出力光強度変化も最大となり、検出感度が最大となる。

ハーフミラ−（１４）で２分された平行ビームのうちの
他方のビームＢＭ２は温度変化、振動等がリング共振器
（１６）に加わってもリング共振器（ｉ６）内部の光路
長を一定に保つためのモニタ光ビームとして使用される
。

すなわち、ビームＢＭ２はハーフミラ−（１Ｂ）。

リング共振器（１６）　、ハーフミラ−（１５）を順次
通過し、ディテクタ（２３）に入射し、その光電変換出
力信号が受光回路（２４）を介してロックインアンプ（
２５）に供給される。そして、発振器（１７）からの周
波数ωの信号がこのロックィンアンプ（２５）に供給さ
れて、受光回路（２４）の出力が同期検波され、直流電
圧が得られる。そして、この同期検波の結果得られた直
流電圧が最小となるように圧゛市素子（１６５）に印加
する直流電圧を制御する。これにより、リング共振器（
１６）内部の光路長を一定に保つことができる。

また、第１図においては、温度変化があったり、撮動が
生じても、レーザ光源（１１）と、ハーフミラ−及びミ
ラー群との位置関係を一定に保つことができるようにさ
れている。

すなわち、ビームＨＭ　ｔがリング共振Ｗ（１６）に入
射し、これより出射されたビームはハーフミラ−（１８
）を通過した後、ハーフミラ−（１９）で反射され、位
置検出素子（２６）に入射する。この位置検出素子（２
６）上の入射位置は、レーザ光源（１１）とハーフミラ
−及びミラー群との光学的位置関係が変わると変化する
。これは、位置検出素子（２６）から見たときはリング
共ａ器（１６）から出射したビームの方位角が変化した
ことを意味する。

この位置検出素子（２６）からの位置検出出力は、Ｘ、
Ｙ差信号検出回路（２７）に供給されて、位置検出素子
（２６）上における光ビームの目的入射位置からのＸＹ
両方向のずれが検出され、その検出出力に応じた駆動信
号がＸＹ微動機構（２８）に供給され、ビームが位置検
出素子（２６）上の目的位置に入射するように制御され
ている。すなわち、これによりレーザ光源（１１）とハ
ーフミラ−及びミラー群との位置関係が一定となるよう
に制御される。

以上のような位置サーボの必要性について以下詳細に説
明する。

レンズ（１３）から出射したビームは平行ビームである
ので、ハーフミラ−（１４）　　（１５）　　（１６１
）（１Ｂ）　　（１９）　、　ミラー（１６２）　　（
１６３）　　（１６４）の入射面、出射面と、この平行
ビームの間に角度ずれが生じない限り、リング共振器（
１６）からディテクタ（２０）、ディテクタ（２３）へ
向かう平行ビームの方位角変化は生じない、第１図では
ハーフ携う−（１４）　　（１５）　　（１６１）　　
（１Ｂ）　　（１９）及びミラー（１６２）の各素子は
、説明のためにそれぞれ、離しであるが、実際には各素
子の面粗度は、非常にフラットに、直角度、平行角等の
面精度は非常に良好に、光学研磨が可能なので、各素子
の対向している面どうしを密着させ、固着することによ
り各素子間の角度ずれは起こらないようにすることは可
能である。この場合、各素子間で接触面に平行な方向に
、数μｍ程度（ここでは３μ繭と考える）ずれることは
考えられるが、平行ビームがその量（３μ麟）だけビー
ムの進向方向と直角に平行移動するだけで、ディテクタ
への結合は、はとんど低下せず問題はない。

平行ビームの直径（１＋ｕｅ程度）、ディテクタ（２０
）、ディテクタ（２３）の受光面の大きさ（１＋＋ｎ角
かそれ以上）と比べて、小さいからである。

リング共振器（１６）も、平行ビームが入射する角度が
変わらない限り、その性能は変わらない。

なお、リング共振器（１６）を構成しているミラー（１
６３）及び（１６４）は、平行ビームを位相変調するた
め、圧電素子（１６５）に取り付けられ、ビームの進向
方向に振動させるので光学素子（１６Ａ）と光学素子（
１６Ｂ）とを上記の様に密着させることが出来ない。し
かし、ミラー（１６３）　　（１６４）として、例えば
一般に市販されている、コーナーキューブプリズムを用
いれば、角度ずれを起こさない。

以上レンズ（１３）から出射した平行ビームの向きを、
各素子間で一定にできることについて説明したが、この
平行ビームは、レンズ（１３）の焦平面に置かれた光源
（１１）とレンズ（１３）の光軸との距離が変化すれば
、その進向方向が変化する。

レーザ光源（１１）とレンズ（１３）の光軸の距離は、
外部から伝わる振動や温度変化により、数μｍ程度（こ
こでも３μ糟と考える）のずれとなり、レンズ（１３）
の焦点距離を２１１Ｉｌｌとすると、平行ビームの方位
角の変化量は、 となる。

リング共振器（１６）からディテクタ（２０）、ディテ
クタ（２３）へ向かう平行ビームは、レンズ（１３）を
出射し、リング共振器（１６）の出入口にあたるハーフ
ミラ−（１６１）で反射したビームと、リング共振器（
１６）内を一週したビームと、その他リング共振器（１
６）内を２週、３週、・・・・したビームの道ね合わせ
となっている。リング共振器（１６１）の光路長を４０
ａｍとすると、−週するたびに、リング共振器（１６１
）からの出射位置は、約１．５　Ｘ　１０”　Ｘ　４０
ｍｆｆ１−０．０６ｎ＋ｎ＋異なり、０．０６＋＋＋＋
ｗずつずれた無数の平行ビームが出射することになる０
問題はそれだけでなく、リング共振器（１６）内を一週
するたびに、光路が異なってくることにある。

このように、光路が変化すると、リング共振器としての
特性が変化するので、それに伴なって、信頼性の観点か
らジャイロスコープの最小検出角速度が悪くなる０以上
より、レーザ光源（１１）のチップ位置とレンズ（１３
）の光軸の位置関係を一定に保つサーボ機構が必要とな
る。

位置検出素子（２６）のビーム入射位置検出分解能は、
数μ鋼以内（ここでは３μ削とする）で、レンズから位
置検出素子（２６）までの最短光路長を８０ｍｍとする
と、この位置検出素子（２６）が検出可能なビーム方位
角は となる。

なお、位置検出素子（２６）自体も、外部からの振動や
温度変化等により他の光学素子に対して数μｔａ　　（
３μ−とする）のオーダーで、位置ずれを起こすので、
検出可能なビーム方位角は７．５　Ｘ　１Ｏ−５ｒａｄ
と考えられる。

すると、？、５　Ｘ　１０−’ｒａｄのステップで、ビ
ーム角度のサーボをかけることが出来、リング共振器内
の光路の変化も、（７，５ｘ　１０−５／１．５　ｘ　
１０−’＝）１／２０とすることが出来る。レンズ（１
３）から位置検出素子（２６）までの光学的距離を長く
すれば、それに反比例して、リング共振器（１６）内の
光路変化量をより小さくすることができ、ジャイロスコ
ープの性能低下をそれだけ押さえることができる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、リング共振器として
光ファイバなどの偏光面を回転させる光学素子を用いな
いので、偏光面の回転により生じる零点ドリフトやスケ
ールファクタの変動が原理的になくなる。

また、外部から振動や温度変化が加わっても光学的な位
置関係は常に一定に保たれるようにされている、ので、
これらの外乱に対し強いという効果がある。この効果は
、価格の関係上、高性能のクツション、恒温設備がつけ
られない自動車用ナビゲーションシステムにこの発明を
使用する場合に特に重要である。

従来の光フアイバジャイロスコープでは、そのリング共
振器ループの大きさは、信頼性の上からも少なくとも光
ファイバの許容曲げ半径（例えば市販のもので直径８０
ｍｍまで許容されるものがある）以上が必要である。こ
れに対し、この発明では光ファイバを用いていないため
、検出感度の許容範囲内でこのループ部に対応する部分
を小さくすることができ、ジャイロスコープの小型化に
寄与する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明によるジャイロスコープの一実施例を
示す図、第２図はその説明のための図、第３図はサグナ
ック効果の説明のための図、第４図はリング共振器の共
振特性を示す図、第５図は従来のリング共振方式の光フ
アイバージャイロスコープの一例の原理図である。 （１１）はレーザ光源、（１３）はレンズ、（１６）は
リング共振器、（１７）は発振器、（２０）及び（２３
）は光デイテクタ、（２６）は位置検出素子、（２８）
はｘｙ微動機構、（１６５）は圧電素子である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ａ）発振スペクトル幅の狭いレーザビームを出射する発
   光素子と、 ｂ）この発光素子の出射ビームを平行ビームに変換する
   レンズと、 ｃ）平行ビームを入射したとき平行ビームを出射するリ
   ング共振器と、 ｄ）上記レンズからの平行ビームを上記リング共振器に
   導く第１の光学系と、 ｅ）受光素子と、 ｆ）上記リング共振器から出射したビームの方位角を検
   出するビーム入射位置検出手段と、 ｇ）上記リング共振器から出射したビームを上記受光素
   子と上記位置検出素子を用いた光学系に導く第２の光学
   系と、 ｈ）上記位置検出素子からの方位角検出電圧に基づいて
   上記レンズ又は上記発光素子を上記レンズの光軸に対し
   て垂直な面内で補正移動させる駆動機構と、 ｉ）上記リング共振器の一方の方向の回り光に対し、常
   に動作点を共振点に固定する手段とを備えてなる受動型
   リングレーザジャイロスコープ。