JPH01299412A - 回転角速度センサ - 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］ 本発明は回転角速度センサに関するものである。

［従来の技術］ 回転角速度センサは、サグナック効果を応用して回転角
速度を検出するものであり、交渉型とリング共振型の２
種類がある。リング共振型回転角速度センサは、リング
共振器による光の共振現象を利用し、周波数域で回転を
検出する。このため、干渉型に比べて短い光フアイバル
ープで高感度な測定が可能であり、広いダイナミックレ
ンジが得られるという長所がある。しかし、湿度変化等
によるループの伸び縮みに敏感であり、狭スペクトルの
光源（周波数幅Δｆ≦１００　ＫＨｚ）を必要とすると
いう欠点があるため、現在のところあまり研究が進めら
れていない。

第７図は、従来の干渉型回転角速度センサの基本構成を
示したもので、光源１．偏光子３３位相変調器４．セン
シングコイル５．ディテクタ６を各１台、光カプラーを
２台使用して成る。

光源ｌからの光は、光カプラー２ａで分岐され、一方は
偏光子３．光カプラー２ｂを介して、センシングコイル
５に導かれる。センシングコイル５を伝搬した左右両回
り光は、光カプラー２ｂで再び結合し、偏光子３を介し
てディテクタ６に導かれる。

センシングコイル５が角速度Ωで回転すると、センシン
グループを伝搬している左右両回り光に位相差が生じ（
サグナック効果）、ディテクタ６に達する光出力が変化
する。この光出力の変化を直接検波することにより、従
来は回転角速度を検出している。尚、位相変調器４は、
左右両回り光に等側内にπ／２の位相差を与えて、回転
角速度検出の高精度化を図るためのものである。

干渉型回転角速度センサは、左右両回り光の干渉による
光強度変化から回転角速度を検出するため、センシング
コイル５に結合し又センシングコイルから出射する光は
同一偏波でなければならない、という制約を受ける。同
一偏波でない場合には、回転角速度センサ出力の零点ド
リフト、又はノイズとなるからである。従って、従来は
第７図のように２台の光カプラー２ａ、２ｂを用い、そ
の間に偏光子３を挿入しなければならなかった。

第９図は、従来のリング共振型回転角速度センサの基本
構成を示したもので、１台の光源１と。

４台の光カプラー１４と、２台のディテクタ１６．１７
と、１台の位相変調器１９から成り。

位相変調器１９には三角波の電圧が加えられる。

このリング共振型回転角速度センサの場合も、リング中
を回転する光の共振ピーク（第１０図）の移動から回転
速度を検出するため５　リングを伝搬する光は同一偏波
でなければならないという制約を受ける。

［発明が解決しようとする課題］ 偏波保持型光カプラーは、現在第８図（Ａ）（Ｂ）に示
すように、石英基板７に曲率を設けた溝を掘り、埋め込
み部分の被覆を除去した偏波面保存光ファイバ８を、応
力付与部である楕円ジャケット１１の長袖が基板７の表
面に対して垂直になるように埋め込んで、樹脂で固定し
た後、光ファイバ８をコア９の付近まで研磨したものを
２枚製作して１組合せるという高度な方法をとっている
。従って、価格も非常に高い。

従来の干渉型回転角速度センサは、上記光カプラーを２
台使用しなければならないため、高価であり製造も困難
である。更に、従来技術では第７図に「ｘ」印で示す接
続部が少なくとも４ケ所必要であるため、接続部におけ
る反射が大きく、回転角速度センサ出力の大きなノイズ
要因となっていた。

一方、リング共振型回転角速度センサでは、既に述べた
ように、リングを伝搬する光は同一偏波でなければなら
ないという制約を受ける。従来は、この点に関して配慮
がなされていなかった。

第１１図は共振特性の実験例（電子通信学会論文誌’８
Ｅｉ／７　Ｖｏｌｉ８９−ＣＮａ、７　）を示すもので
あるが、この実験例では、第９図のリング共振器１８に
シングルモードファイハラ用いたため、２つの独立した
偏光モードが生じ、Ｆ　Ｓ　Ｒ（Ｆｒｅｅ　５ｐｅｃｔ
ｒａｌ　Ｒａｎｇｅ　）内に２つの共振ピークが現われ
ている。このため、回転角速度分解能が低下し、且つ偏
波の揺らぎによりノイズが生じるという問題があった。

偏波面保存光ファイバを共振器に用いた場合にも、光結
合部における偏波モード結合で。

ＦＳＲ内に２つの共振ピークが現われるという問題があ
った。

次に、再び干渉型回転角速度センサの問題とＩ７て一般
に、接続部からの反射光、レーり散乱光等による干渉ノ
イズを防ぐため、可干渉距離の短い光源を使用しなけれ
ばならない、しかし、可干渉距離の短い光源（発光ダイ
オードＬＥＤ′４）は−般に出力が小さく、直接検波で
は十分な感度が得られない。一方、レーザダイオードＬ
Ｄを光源として用いると、干渉ノイズのために感度がＪ
二らない。また、可干渉距離が短いＳＬＤは、ＬＥＤに
比べて出力は大きいが、高価で有り、且つ信頼性に欠け
るという問題がある。

本発明の目的は、前記した干渉型及びリング共振型回転
角速度センサにおける偏波ノイズの問題点を解消し、安
価で容易に製造でき、偏波ノイズの少ない高精度な回転
角速度センサを提供することにある。

未発明の他の目的は、前記した干渉型回転角速度センサ
の欠点を解消し、ヘテロダイン検波を採用することによ
って、受信感度を大幅に改善し、可干渉距離が短く出力
が小さい光源を用いても、回転角速度の高感度検出が可
能な回転角速度センサを提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の回転角速度センサは、光源から光を導く直交偏
波モードに減衰量の差がある第１の複屈折ファイバ及び
受光器に光を導く第２の複屈折ファイバの一端に分岐・
結合光学系を構成すると共に、その出射端を所定の条件
で曲げて送受光カプラーユニットとなし、第３の複屈折
ファイバをコイル状に巻き少なくとも一端に光位相変調
器を有するセンシングコイルの両端を、前記送受光カプ
ラーユニットに接続した構成である。

他の形態においては、直交偏波モードに減衰量の差があ
る複屈折ファイバに結合光学系を構成してリング状とし
几つリングの中間に位相変調器を設け、更に前記結合光
学系の両端を所定の条件で曲げて構成したリング共振器
と、光源から光を導く複屈折ファイバ結合器の両出射端
に受光器に光を導く分岐◆結合光学系を設けたセシング
ユニットとを接続する。

更に別の形態においては、光源、偏光子、光カプラー、
センシングコイル、位相変調器、受光器光、ファイバよ
り構成される位相変調方式回転角速度センサにおいて、
光源からの光を分岐且つ周波数シフトする周波数シフタ
を有する構成とする。

この場合１周波数シフタが２×２端子で、一端は光源か
ら光を導き、分岐Ｓれた２端の一方は偏光子に光を導き
、他方は光源側のもう１つの端子と結合し、結合する２
光路の光の周波数が異なる構成とすることができ、また
、光源には発光ダイオード（ＬＥＤ）が使用できる。

［作用］ 請求項１は、光カプラー用の光ファイバに、直交偏波モ
ードに減衰量の差がある複屈折（ＡＳＰ）ファイバを用
い、それによって、光学系を簡単にして製造を容易にす
ると共に接続点を減らしてノイズを低減させたものであ
る。

請求項２は、リング共振用の光ファイバにＡＳＰファイ
バを用い、それによって、単一偏波で共振させ、ノイズ
を低減させたものである。

請求項３〜５は、検波方式としてヘテロゲイン検波を用
いると共に、その手段として光源からの光を分岐且つ周
波数シフトする周波数シフタを用い、それによって受信
感度を大幅に改善したものである。

周波数シフタとしては音響光学素子（ＡＯＭ）が適用で
きる。また、センサ部としては光ファイバのみならず、
損失が大きいＬｉＮｂＯ３等を用いた集積型導波路も適
用できる。

［実施例］ 以下、図示の実施例に基づいて本発明を説明する。

第１図は本発明の干渉型回転角速度センサ例を示す。

第１図において、１３は直交偏波モードに減衰量の差が
ある複屈折（Ａ　Ｓ　Ｐ）ファイバ２木を用いた光カプ
ラーであり、その末端を１３０で示す如く所定の条件で
曲げて偏光子とする。５はＡＳＰファイバから成るセン
シングコイルであり、システムの設計によって、巻き径
と光ファイバ長が決められている。このセンシングコイ
ル５の両端は「Ｘ」で示す箇所で光カプラー１３と接続
できる。４はセンシングコイル５の一端に含ませた位相
変調器であり、左右両回り光に等側内にπ／２の位相差
を与えて、回転角速度検出の高精能化を図るものである
。

ＡＳＰファイバには、第２図（ａ）に断面で示す楕円ジ
ャケット型偏波面保存光ファイバを用いており、中心か
らの半径距＃ｒの屈折率ｎ　（ｒ）は第２図（ｂ）（ｃ
）に示す如く表わされ、この屈折率分布を設計すること
によって、Ｙ偏波が高曲げ損失、Ｘが偏波が低曲げ損失
となる。

波長０．８５８Ｌｍ用の試作例を次に示す。

第２図（ｂ）（ｃ）に示すコア半径ａ＝２．３２ｐｍ　
、楕円長袖半径ｂ　ｃ　＝　１３．９３５ｇｍ　、楕円
短軸半径ｂｔ＝６．＋９３５ｇｍ　、クラッド厚／コア
半径δ＝ｔ　、　コアとクラッドの比屈折率差Δ◆＝　
＋　０．２％　、クラ−２ドと楕円ジャケット部の比屈
折率差Δ−＝−０，２％　、楕円率ε＝　３８．５％の
偏波面保存光ファイバを用いて、光カプラー１３を製作
し、光ファイバの末端を曲げ半径４ｈａ、巻数１５ター
ン（交＝３．８１１１）で巻いたところ、消光比−４５
ｄＢ　、過剰損失０．７ｄＢの光カプラーユニットが得
られている。

上記光カプラーユニットを用いて光学システムを構成す
れば、センシングコイル５に結合し又センシングコイル
５から出射する光は同一の偏波となるため、零点ドリフ
ト及びノイズが低減できる。しかも、光カプラーが１台
で済むので、構成及び製造が筒中となり１回転角速度セ
ンサの小型化、低価格化が可能になる。また、接続部が
２ケ所になるので、組立てが簡単になり、反射によるノ
イズも低減できる。

尚、光カプラーユニットのＡＳＰファイバに加える曲げ
の位置は、光源、ディテクタ側にあっても良い。

第３図に、リング共振器型回転角速度センサの一実施例
を示す。１は光源、１４ａ、１４ｂ。

１４ｃ、１４ｄは光カプラー，１５はセンシングユニッ
ト、１６．１７はディテクタ、１８はリング共振器、１
９は位相変調器である。リング共振器１８にはＡＳＰフ
ァイバを用い、その末端の１８０で示す部分及び位相変
調器１９として巻付ける部分を所定の条件で曲げて偏光
子としている。位相変調器１９は、リング中の光に２π
の位相差を与えて、時間軸上で共振現象を確認できるよ
うにするものである。

ＡＳＰファイバには、第２図に説明した楕円ジャケット
型偏波面保存光ファイバを用いており、光カプラー１４
ｃは、既に述べた試作例の光カプラーユニットにより構
成される。

このように、ＡＳＰファイバを用いて、光カプラー１４
０．リング共振器１８９位相変調器１９を構成すれば、
単一偏波しか伝搬しないので、ノイズが低減できる。

尚、ディテクタ１６．１７の２台を用いるのは、右回り
光、左回り光の共振ピークのずれ量から、リング共振の
伸び縮みを検出するためである。

第３図の光学系は１回転角速度センサのみならず、光源
の周波数安定化のための光学系としても適用できる。

第４図に干渉型回転角速度センサの場合の実施例を示す
。

光源２１からの光は、２×２端子を有する周波数シフタ
２２で２方向に分岐され、周波数シフトされた光は偏光
子２３．光カプラー２４ａを介してセンシングコイル２
６に入射される。センシングコイル２６を伝搬した左右
両回り光は、先の光カプラー２４ａで合成され、偏光子
２３を介して周波数シフタ２２に戻る。この戻り光は、
光源２１から分岐され周波数シフトされていない光と、
光カプラー２４ｂで合成され、ディテクタ２７でその光
強度が検出される。

２８の選択レベルメータは、周波数シフタ２２で分岐さ
れた２光束の差周波数成分の強度（ヘテロダイン検波信
号）を検出する装置であり、２９のロックインアンプは
、位相変調器２５でπ／２だけ位相シフトを受けた信号
を同期検波する装置、３０は発振器である。

上記の系で得られた信号は、信号処理系３１で回転角速
度の信号に変換される。

第５図は、ヘテロゲイン検波の受信感度を測定する系で
ある。３２，３６．３９は対物レンズ、３３．３８は偏
光子、３４．３７は可変光減衰器、３５はハーフミラ−
を示す。

可変光減衰器３４．３７で光出力を調整し、受信感度を
測定した結果を、第６図に示す、ここでは、選択レベル
メータ２８の値が一５０ｄＢｍ　（電気系ノイズで決る
Ｓ／Ｎ弁１と考えられるレベル）になる光強度を最小検
出感度とした。波長は１．３２濤■である。

光源２１をＬＥＤとした場合、シングルモードに入射で
きる出力は、約−２０ｄＢｍである０周波数シフタ２２
で１対１に分岐され、更に３ｄＢの損失が有ったとして
も、局発光出力として一２９ｄＢ層（結合する光カプラ
ーの分岐のため３ｄＢ損失）が得られるので、約−８０
ｄＢｍまでの光まで検出でき、従って回転角速度センサ
の光源にＬＥＤが使用できる。ＬＥＤの可干渉距離は１
００１００ｐヒと短いので、高精度な角速度検出が可能
になる。

第４図の構成は、直交偏波方式回転角速度センサや、集
積型回転角センサにも適用できるものである。

［発明の効果］ 本発明は、ｉ−、述のとうり構成されているので、次に
記載する効果を奏する。

請求項１の回転角度センサにおいては、光カプラーが１
台で済むので、その構成及び製造が簡単であり、回転角
速度センサの小型化、低価格化が可能になる。また接続
部が２ケ所になるので、組立てが簡単になり、反射によ
るノイズも低減できる。

請求項２の回転角度センサにおいては、リング共振器に
ＡＳＰファイバを用いたので、偏波ノイズが除去され、
高精度な回転角速度センサが得られる。

請求項３の回転角度センサにおいては、検波方式として
ヘテロダイン検波を用い、又その手段として光源からの
光を分岐１つ周波数シフトする周波数シフタを用いたの
で、光強度の検出感度が大幅に改善される。

その結果、 （１）可干渉距離が短く光出力が小さいＬＥＤ等の光源
が使用できるので１回転角速度の検出感度が上り、安価
で信頼性の高い回転角速度センサが得られる。

（２）光源を低電流で駆動できるので、回転角速度セン
サの寿命が長くなる。

（３）導波路の損失が大きい集積型の回転角速度センサ
にも適用できるので、小型化が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の回転角速度センサの一実施例を示す構
成図、第２図は楕円ジャケント型偏波面保存光ファイバ
の構造を示すもので、（ａ）は断面図、（ｂ）（Ｃ）は
屈折率分布の例を示す図。 第３図は本発明の回転角速度センサの他の実施例を示す
構成図、第４図は本発明の回転角速度センサの更に他の
実施例を示す構成図、第５図はヘテロゲイン検波の受信
感度の測定系を示す構成図、第６図はヘテロゲイン検波
受信感度測定結果を示す図、第７図は従来の干渉型回転
角速度センサの基本構成図、第８図（Ａ）（Ｂ）はそれ
ぞれ光フアイバ光カプラーの断面図、第９図はリング共
振型回転角速度センサの基本構成図、第１０図は位相変
調器に周波数１７ＦＳＲの三角波を加えた時の共振特性
を示す図、第１１図は共振特性の測定例を示す図である
。 図中、ｌは光源、２は光カプラー，３は偏光子、４は位
相変調器、５はセンシングコイル、６はディテクタ、９
はコア、１０はクラッド、１１は楕円ジャケット、１２
はサポート、１３゜１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄは
光カプラー，１５はセンシングコイル、１６．１７はデ
ィテクタ、１８はリング共振器、１９は位相変調器。 ２１は光源、２２は周波数シフタ、２３は偏光子、２４
ａ、２４ｂは光カプラー，２５は位相変調器、２６はセ
ンシングコイル、２７はディテクタ、２８は選択レベル
メータ、２９はロックインアンプ、３０は発振器、３１
は信号処理系、３４．３７は可変光減衰器、３５はハー
フミラ−を示す。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．　光源から光を導く直交偏波モードに減衰量の差が
   ある第１の複屈折ファイバ及び受光器に光を導く第２の
   複屈折ファイバの一端に分岐・結合光学系を構成すると
   共に、その出射端を所定の条件で曲げて送受光カプラー
   ユニットとなし、第３の複屈折ファイバをコイル状に巻
   き少なくとも一端に光位相変調器を有するセンシングコ
   イルの両端を、前記送受光カプラーユニットに接続した
   ことを特徴とする回転角速度センサ。
2. ２．　直交偏波モードに減衰量の差がある複屈折ファイ
   バに結合光学系を構成してリング状とし且つリングの中
   間に位相変調器を設け、更に前記結合光学系の両端を所
   定の条件で曲げて構成したリング共振器と、光源から光
   を導く複屈折ファイバ結合器の両出射端に受光器に光を
   導く分岐・結合光学系を設けたセンシングユニットとを
   接続したことを特徴とする回転角速度センサ。
3. ３．　光源、偏光子、光カプラー、センシングコイル、
   位相変調器、受光器光、ファイバより構成される位相変
   調方式回転角速度センサにおいて、光源からの光を分岐
   且つ周波数シフトする周波数シフタを有することを特徴
   とする回転角速度センサ。
4. ４．　周波数シフタが２×２端子で、一端は光源から光
   を導き、分岐された２端の一方は偏光子に光を導き、他
   方は光源側のもう１つの端子と結合し、結合する２光路
   の光の周波数が異なることを特徴とする請求項３記載の
   回転角速度センサ。
5. ５．　光源が発光ダイオードであることを特徴とする請
   求項３又は４記載の回転角速度センサ。