JPH02236112A - 位相変調方式光フアイバジヤイロ - 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】 （ア）　　技　　術　　分　　野 この発明は、位相変調方式の光ファイバジャイロに関す
る。

光ファイバジャイロは、運動体の角速度を測定する装置
である。

シングルモード光ファイバをコイル状に多数回巻き回し
、単色光を光ファイバの両端に入れこの中を、左回り、
右回りに伝搬させて、両端から出た光を干渉させる。も
しも、光ファイバコイルが軸まわりに回転していると、
左回り光、右回り光の間に位相差が現れる。この位相差
が回転角速度に比例するので、位相差が分かれば、回転
角速度１０められる。

位相差をΔθ、角速度をΩとすると、次の関係がある。

Ｃ　　　λ ここで、Ｌはセンサコイノレのファイバ長、ａはコイル
の直径、Ｃは真空中の光速、λは真空中での光の波長で
ある。これをサ二ャック効果といいこれ自体は周知であ
る。

ところが、位相差Δθを検出するのは容易ではない。

実際には、位相差に、回転に基づかない光学系のオフセ
ットが含まれる。このオフセットは温度の変化によって
、著しく変動する。さらに原理的な構成の光ファイバジ
ャイロでは、受光素子出力が（１＋ｃｏｓΔθ）の形で
現れる。これではΔθが小さい時に感度が悪いし、回転
方向が分からない。

このような難点を解決するため、周波数変調、位相変調
、位相シフト方式光ファイバジャイロが考えられている
。

本発明は、このうち位相変調方式光ファイバジャイロに
関する。

（イ）位相変調方式光ファイバジャイロ位相変調方式光
ファイバジャイロの基本形について、第３図によって説
明する。

これは、光ファイバセンサコイルの一方の端部の光ファ
イバを圧電素子に巻き付け位相変調を掛けるようにした
ものである。変調波の一次の項を取ると、位相差がｓｉ
ｎΔθの形で、求められる。

発光素子１から出た可干渉光が、ビームスプリッタ２で
二つの光線に分けられる。

ひとつは、結合レンズ４によって絞られて、光ファイバ
５のＡ端に入射する。これは、センサコイル６の中を左
回りに伝搬する。

もうひとつの光線は、結合レンズ３によって絞られて、
Ｂ端から光ファイバ５に入射し、センサコイル６の中を
、右回りに伝搬する。

光ファイバ５は太郎分がセンサコイル８になっているが
、Ｂ端に近い部分が圧電素子などに巻き付けられ、位相
変調素子７を構成している。

発振器１０が、圧電素子に振動電圧を与えるから、圧電
素子が膨縮する。光ファイバの位相変調部８は圧電素子
に巻き付けられているので、圧電素子と共に膨縮し、光
信号に変調成分が含まれる事になる。

右回り光、左回り光は、位相変調素子７の位相Ｉｓ部８
とセンサコイル６とを通り、他喘から出射する。これ等
は、ビームスプリッタ２で合一シ、受光素子９に入射す
る。受光素子９は、干渉光を二乗検波する。

位相変調素子７が、光ファイバ５の全体からみて非対称
の位置に設けられているので、左回り光と、右回り光と
が、位相変調を受けるタイミングが異なる。

センサコイル６の光ファイバ長をＬとし、光ファイバコ
アの屈折率をｎとする。光がセンサコイル６を通過する
のに要する時間τは、 ．ｎ　　Ｌ τ　＝　　　　　　　　　　（２） Ｃ で与えられる。

位相変調素子７を、Ｂ端の近くに設けると、左回り光は
、先に位相変調を受け、それからセンサコイル６に入る
。右回り光は、センサコイル６を通ってから、位相変調
素子７に入る。

変調信号の角周波数をΩとする。位相変調素子７で位相
変調を受けてから、受光素子９にはいるまでの時間の違
いがτであるので、干渉光に含まれる変調信号の位相差
φは φ　＝　Ω　τ　　　　　　　（３） となる。

前述のように、サニャック効果によって、右回り光と、
左回り光とが、Δθの位相差を持つが、位相変調によっ
てさらに、位相変調の部分が、φの位相差を持つのであ
る。位相変調素子７の作用による振幅をｂとする。

右回り光、左回り光の電界強度を％ＥＲ％ＥＬとすると
、 Δθ ＥＲ　＝Ｆ，ｏ　ｓｉｎ　　｛ωｔ＋−＋ｂｓｉｎ（Ω
　ｔ＋φ）｝となる。

このような電界強度を持つ左回り光、右回り光が受光素
子９で二乗検波される。受光素子９の出力はＳ（Δθ，
１＞は となる。ここで、Ｄ．Ｃ．は、直流成分を意味する。ω
は、光の振動数で、２ωはこの２倍の振動数成分を意味
する。このように速い信号は受光素子９が検出できない
のでＯである。

こうして得られる信号の中に位相変調のφが含まれるの
で，位相差Δθを変調信号の振幅に関連づけて求めるこ
とができる。

直流成分を除き、Ｓ（Δθ，１）を和の形に書き換える
と、 となる。これらを、ベッセル関数によって展開する。ベ
ッセル関数の母関数展開から、 Ｓ　（Δθ，　　１） ”（Ｓ．ｃｏｓ　　Δθ＋Ｓｓ　ｓｌｎ　　Δθ）Ｅｏ
”　　　（ｔｏ）というように定義する。

θ→θ＋π／２という変換をし、ベッセル関数の良く知
られた性質、 Ｊ−ｍ（ｘ）＝　　（−）”　　Ｊｎ　　（ｘ）（　＋
１） （但し、ｎは正の整数）を使い、 φ ξ”　２　ｂ　ｓｌｇ （Ｉ２） と置くと、 である。ｊ＝ｅｘｐｉθ と置くと、 Ｓ．”Ｊｏ（ξ）＋２　Σ（−）”　　Ｊ　２ｎ（ξ）
ｃｏｓ２ｎＱｔ　　　（１３）ｎｉ１ となる。この式の実数部虚数部の展開から、Ｓ（Δθ，
１＞のｓｉｎ，ｃｏｓの部分Ｓｓ１Ｓｃの級数展開を得
る。

となる。これらの式を使って書き換えると、信号Ｓ（Δ
θ，１）は、 （直流成分）＋（２ω成分） ＋Ｅｏ”Ｊｏ（ξ）ｃｏｓ　　Δθ ｎｉ１ ｎ＝０ （ｌ５） となる。これは変調周波数Ωの高調波による展開である
。フィルターを通すことによって、任意の高調波成分を
求める事ができる。これらのうち、１次の項を基本波成
分Ｐとし、２次の項を２倍高調波成分Ｑとする。

Ｐ　　（　ｔ）”２Ｅｏ２Ｊ　ｔ　　（ξ）ｃｏｓΩ　
ｔ　ｓｉｎ　　Δθ　（１Ｇ）Ｑ　　（　ｔ）”２ＥＯ
”Ｊ２（ξ）ｃｏｓ　　２Ωｔ　ｃｏｓ　　Δθ　　（
！７）となる。多くの場合、基本波Ｐを検出して、Δθ
を求める。Ｐの感度が最大になるように、Ｊ１（ξ》を
最大にする。このため、ξ＝１．８になるよう変調度を
設定する。このときＪ。（ξ）は約０．３である。

以上が、位相変調方式光ファイバジャイロの基本構成で
ある。

（ウ）　　従　　来　　技　　術 基本波Ｐを検出してΔθを求めるとき、変調度ξが一定
していなければならない。そうでないとＪ．（ξ》の値
が変動するからである。

変調度を一定にするため、たとえば２倍高調波Ｑをモニ
ターしてＪ２（ξ）の値を求めるという方法が提案され
ている。

特願昭５９−２４４８４１号はこのようなものである。

位相変調素子の駆動回路から、Ωの信号とこれを逓倍し
た２Ωの信号を取る。それぞれの信号によって、受光素
子の出力を同期検波する。これをローパスフィルターに
通して、低周波成分を求める。２倍高調波成分Ｑは、 Ｑ　＝　２　Ｅ　Ｏ２Ｊ　２（ξ）ｃｏｓΔθ　　（ｌ
８）となる。変調度ξを一定にしなければならないので
、Ｑを一定にするよう、位相変調素子を制御する。

ξが１．８になるようにするのである。Ｊ２はξが蔦．
８のとき、約０．３である。ξが、これより増加すると
、Ｊ２は増加し、ξがこれより減少すると、Ｊ２が減少
する。従って、Ｑを一定にするということが、ξ＝ｌ．
８に保つことである。

（工）発明が解決しようとする問題点 発光素子からの光量が、一定であれば、（１Ｂ）によっ
て得られたＰ　（ｔ）から、直ちに、Δθが求められる
。

しかし、実際には、光の振幅Ｅ。が変動するので、同じ
Δθの値であるのに光量変動のために見掛け上異なる出
力が得られる。

これまで、左回り光、右回り光について、簡単のため、
どちらも同じＥ。を使っていた。しかしこれらは、実は
同じではない。

区別する必要がある場合は、右回り光の振幅をＥ１、左
回り光の振幅をＥ２と書く。Ｅｏの２乗と書いていたも
のが、ＥＩ　Ｅａと読み変えられるベきである。

前項で説明した特開昭ＧＧ−１３５８１ｆｉ号は、信号
の直流成分が一定になるような制御系を提案している。

しかし、これは、反射光量の問題については論じられて
いない。ここで、反射光とは、レンズ、ファイバ等の光
学部品の端面で反射された光成分を指す。信号光とはフ
ァイバコイルの中を通って角速度測定に寄与する光であ
る。

受光素子には、信号光と反射光とが入射する。

ここで反射光はセンサコイルを通らない光を意味する。

前記特開昭ＧＯ−１３５８１Ｇは反射光がないものとし
ていた。

あるいはあっても、信号光と同じように変動するものと
仮定していたと推量される。そうであってこそ、直流成
分を一定にすることが、光の振幅を一定にすること等価
なのである。

ところが、実際には受光素子には、無視できない反射光
量が入射する。反射光は信号光と同じようには変動しな
い。あるいは殆ど変動しないといってよい。

従って、直流成分を一定にすることが、必ずしも信号光
の振幅を一定にすることにはならない。

（オ）　構　成 本発明おいては、 （１）受光素子の出力から直流成分Ｄを求め、これから
予め設定してある反射光量Ｈを引き、信号光だけの直流
成分Ｒを求める。

Ｒ＝Ｄ−Ｈ　　　　　　　　（１９） （２）受光素子の出力から、基本波Ｐまたは適当な高調
波を同期検波して求める。これをＲで割って、振幅を落
とし、Δθを正確に求める。

という手順で位相差Δθを検出する。

第１図によって本発明を説明する。

可干渉光を発生する発光素子１の光がビームスプリッタ
２によって２本の光に分けられる。これらがレンズ３、
４によって絞られて、光ファイバ５の両端Ａ１Ｂに入射
する。

光ファイバ５はシングルモードファイバであり多数回コ
イル状に巻き回したセンナコイル８と位相変調素子７に
巻き回した部分８とよりなる。

Ｂ端から入射した光は、センサコイル６の中を右回り光
として伝搬し、Ａ端に出射される。

Ａ端からの光は左回り光となり、Ｂ端に出射される。左
回り光、右回り光はビームスプリッタ２によって合一し
、受光素子９に入射する。

光ファイバ５の一端近くにある位相変調素子７は圧電素
子に電極を設け、交流電圧を印加して膨張収縮させ、こ
の周りに巻いた光ファイバの光路長を変化させるもので
ある。

励振交流電源１０が位相変調素子７を変調周波数Ωで駆
動する。

受光素子９の出力には直流成分、基本波、高調波など多
様な成分が含まれる。反射光はこの内直流成分のみに含
まれる。

直流成分検出部１１は、受光素子出力から、直流成分を
取り出す。発光素子出力制御回路１２は直流成分検出部
１１の出力を一定に保つように発光素子１の駆動電流を
制御する。

受光素子の直流成分は、信号光となるものと反射光から
のものとを含む。ところが反射光量が一定であるので、
受光素子の直流成分を一定にすれば、信号光となるべき
成分が一定になる。

同期検波部１３は受光素子出力から、適当な次数の信号
成分を、励振交流電源１０から同期信号をえて、同期検
波する。これは、基本波Ｐかあるいは、奇数次の高調波
が望ましい。ｓｉｎのなかにΔθを含むからである。

以上の構成は通常の位相変調方式光ファイバジャイロと
同じである。

本発明においてはさらに、 反射光量設定部１４ 反射光量引算処理部１５ 割り算処理部ｌ６ を設ける。

反射光量設定部１４は、予め反射光量Ｈを設定しておく
。反射光量引算処理部１５は直流成分検出部１１の直流
成分Ｄから、反射光量Ｈを差し引き、信号直流成分Ｒを
求める。

割り算処理部１６は同期検波部１３の出力を信号直流成
分Ｒで割り算する。これが補正出力Ｗである。これには
、光の振幅が含まれない。この結果から、位相差Δθが
求められる。

（力）　作　用 通常の光ファイバジャイロと同じように受光素子に、右
回り光と左回り光との干渉光出力が得られる。同期検波
部１３が、例えば基本波Ｐを検出するとする。

右回り光、左回り光の振幅をＥｌ、Ｅ２とすると、受光
素子出力から得られる基本波ＰはＰ＝２Ｅ．Ｅ２　　Ｊ
．（ξ）ｓｌｎ　　Δθ　　　　　　（２ｏ）である。

受光素子出力の直流成分Ｄは、−　　（Ｅｌ”＋Ｅ２”
）＋ＥＩ　　Ｅｌｌ　　ＪＯ（ξ）ｃｏｓΔθ　＋Ｈ（
２ｌ） である。Ｈは反射光量を示す。これは右回り光、左回り
光とは別にファイバの入射端などで反射されたものであ
る。ところで、実際の光学系では、Ｅ．はほぼＥ２に等
しいので、 （ＥＩ”＋Ｅ２”）＝Ｅｔ　　Ｅ２　　　　　　　　　
（２２）と仮定できる。

既に述べたように、Ｊ１（ξ）を最大にするためにξ崎
１．８に設定することが多い。この値にたいして、Ｊ．
（ξ）＆−＝０．３となる。

このとき、直流成分Ｄは、 ＤＩＲ　Ｉ　Ｅ２　　（　１　＋０．３　　ｃｏｓ　　
Δθ）＋Ｈ　　　（２３）となる。

ところで、光ファイバジャイロが回転していないとき、
もしくはほとんど回転していないとき、Δθ＝Ｏとなる
。従ってＣＯＳΔθ＝１である。

そこで、光ファイバジャイロが回転していないとき、も
しくはほとんど回転していないとき、直流成分は、 Ｄ峡１．３　　ＥＩ　　Ｅ２　　＋Ｈ　　　　　　　　
　（２４）となる。

受光素子出力の直流成分Ｄは、信号光の直流成分Ｒと、
反射光Ｈとの和である。反射光量設定部１４で、正し《
反射光量Ｈを設定しておき、反射光量引算処理部１５で
、Ｄから、反射光量Ｈを差し引くことにより、Ｒがえら
れる。

Ｒ″５１．３　　ＥＩ　　Ｅ２ となる。ここが重要である。

一方同期検波部１３の基本波出力Ｐは、（２０）によっ
て与えられる。割り算処理部１６ではＰをＲで割る。

１．３ ＠　　０．８５　　ｓ１ｎ　　Δθ 割り算をすることにより光の振幅によらない結果が得ら
れる。（２８）などは、ξを特定の値、１．８にしてい
るがこれはいくらでも良い。

一般に係数は、ベッセル関数のままで表すと、である。

振幅によらなくなるのは、直流成分から反射光量Ｈを差
し引いたからである。もしも反射光量を差し引かなけれ
ば、振幅とＨの比が残り、Δθを正しく求める事ができ
ない。

（力）　　実　　施　　例 位相変調光ファイバジャイロの基本的条件を備えた最小
構成に関しては、 Ｅｚｅｋｌｅｌ　ｓ．　ａｎｄ　Ａｒｄｌｔｔｙ　Ｈ．
Ｊ．；”ＦＩＢＥＲ　ＯＰＴＩＣ　ＲＯＴＡＴＩＯＮ　
ＳＥＮＳＯＲＳ″，Ｓｐｒｌｎｇｅｒ−　Ｖｅｒｌａｇ
　ＢｅｒｌＩｎ．１９８２に詳しい説明がある。

第２図によって実施例を説明する。

第１図と共通のものは、同じ番号を付け、説明を省略す
る。

左回り光、右回り光のいずれかが入射するどちらか一方
のレンズとファイバの間に電子シャター等の光遮断素子
２０を置《。光遮断素子駆動部２１がこれを開閉する。

角速度測定時は光遮断素子２０は開いている。

反射光量を測定するときのみ、光遮断素子２０を閉じ、
レンズとファイバの間を遮断する。信号光は受光素子θ
に入らない。反射光のみが受光零子９に入射する。この
ときの直流成分が反射光ｍＨである。

電子シャターなどの光遮断素子２０の駆動部２ｌは、デ
ジタル制御部から接点信号などの簡易な信号で動作制御
すれば良い。

反射光量Ｈは直流成分検出部１１で検出され、デジタル
処理部１９のマルチブレクサ−２２を通り、Ａ／Ｄコン
バータ２３でデジタル値に変換される。この値はバス２
６につながる適当な記憶素子に記憶される。

第１図の反射光量設定部１４というのは、光遮断素子１
０１光遮断素子駆動部１１、直流成分検出部１１、デジ
タル処理部１９を含んだものである。

反射光量設定部１４は、反射光量をもとめ、これを記憶
する必要があるので、アナログ回路で構成する事もでき
る。この場合、記憶素子としては容量の大きいコンデン
サーを使うことができる。

出力は電圧である。回路的にも簡単である。

しかし、反射光量を求めるのは、光ファイバジャイロが
静止しているときであるのが望ましいので、反射光量記
憶素子は静止から次の静止まで反射光ｆｌＨの値を正し
く記憶しておかなければならない。この時間が長い場合
は、デジタル回路のほうが良い。

この例では、直流成分検出部１１、マルチブレクサ−２
２、Ａ／Ｄコンバータ２３は、通常の角速度測定時に直
流成分をもとめ、記憶するために用いられる。これらを
、反射光量設定部１４が共用している。

ＣＰＵ２５はＰ／Ｒを演算する。こうして位相差Δθを
求める。

但し、反射光量設定部１４はこれ以外にも考えうる。

光遮断素子２０で光を遮断した時の受光素子出力が直ち
信号光が存在するときの、反射光量とはいえないことが
ある。この場合は、適当な係数を乗ずるようにする。光
遮断素子２０をＢ端の近くに置くと、遮断時にＢ端から
の反射光が受光素子に入らない。これを、補正する必要
があるかも知れない。

また、反射光量Ｈは、計算によって求める事ができる。

直流成分Ｄは、信号光による（　１　＋　ｃｏｓΔ０）
とＨの和であるから、Δθを変えてＤをΔθの関数とし
て求めれば、Ｈを推定できる。Ｈが定数であれば、この
Ｈを用いてさらに近似を高めてゆくことができる。

この例では、ハーフミラー３０、レンズ３１、３３、定
偏波ファイバ３２が、発光素子、受光素子と、光ファイ
バ５の間に追加されている。これは、右回り光と左回り
光の偏波面を合わせるためである。本発明の主な目的と
は無関係である。

（キ）　効　果 レンズ、ファイバ、その他の光学系による反射光を、受
光素子の直流成分から除き、信号光の真の直流成分を求
めているから、信号光の振幅が変動しても、正しい位相
差Δθを得る事ができる。

従って、より正確で、安定した角速度の測定が可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成図。 第２図は本発明の実施例を示す構成図。 第３図は位相変調方式光ファイバジャイロの構成図。 １　●　拳 ２　●　● ３、４ ５　●　● ６　●　● ７　●　● ●発　　光　　素　　子 ●ハーフミラー ●●レ　ン　ズ ●光　フ　ァ ●センサコイル ●位相変調素子 イ バ ８　φ　● ９　●　● １　０　● １　１　● １　２　● １　３　● １４拳 ｌ　５　● １　８　● １　９　● ２　０　● ２　１　● ２　２　● ２４１Ｉ ２　５　● ●位相変調素子に巻き付けたファイバ ●受　　光　　素　　子 ●励振交流電源 ●直流成分検出部 φ発光素子出力制御回路 ●同期検波部 ●反射光量設定部 ●反射光量引算処理部 ●割り算処理部 ●デジタル処理部 ●光遮断素子 ●光遮断素子駆動部 ●マルチプレクサー ●Ａ／Ｄコンバータ ●光遮断素子駆動部インターフェイス ●ＣＰＵ ？　　明　　者　　　　　　　　　　岡　　本　　賢　
　司特許出願人　　　　住友電気工業株式会社出願代理
人　弁理士　　川　瀬　茂　樹■■■嗣１！ｌ１’ｊｉ
ｌｉｌｉ’ｊ＋

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）センサコイルを構成する部分と位相変調素子が設
   けられた部分を有する光ファイバと、可干渉光を発生す
   る発光素子と、該発光素子からの光、あるいは該発光素
   子から光ファイバを介した光を分割して前記光ファイバ
   の両端に供給するビームスプリッタと、前記光ファイバ
   を伝搬しその両端から出た光を前記ビームスプリッタを
   介し結合して受光する受光素子と、受光素子の出力を受
   けて位相変調周波数成分を検出する同期検波回路とを少
   なくとも有する位相変調方式光ファイバジャイロに於い
   て、前記受光素子の出力を受けて直流成分を検出する直
   流成分検出部と、直流成分のうちレンズ、ファイバなど
   の光学部品の端面で反射したものでありセンサコイルを
   通過していない反射光量のレベルを設定する反射光量設
   定部と、前記直流成分検出部の出力Ｄから反射光量設定
   部で設定した反射光量Ｈを引算する反射光量引算処理部
   と、同期検波器の出力を反射光量引算処理部の出力Ｒで
   割り算処理しその割り算結果を出力する割り算処理部と
   によって構成されることを特徴とする位相変調方式光フ
   ァイバジャイロ。
2. （２）直流成分検出部は、受光素子の出力を受けて、直
   流成分を検出する直流成分検出機能と、他のセンサ信号
   などによってこの光ファイバジャイロが静止しているこ
   とを認識するか又はこの光ファイバジャイロの出力信号
   を受けて角速度が十分に小さく静止に近いことを検出し
   、静止又は静止に近いときの直流成分レベルを保持する
   直流成分レベル保持部と、で構成されていることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の位相変調方式光ファ
   イバジャイロ。
3. （３）反射光量設定部は、反射光量Ｈに等価な一定の電
   圧を供給する部位で構成されていることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項または第２項記載の位相変調方式光
   ファイバジャイロ。
4. （４）反射光量設定部は、センサコイルとビームスプリ
   ッタ間に、光を通過或は遮断する制御可能な光遮断素子
   、光遮断素子駆動部、光を遮断したときの直流成分検出
   部の出力を検出し、そのレベルを保持出力する機能を有
   する処理部とで構成されていることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項又は第２項記載の位相変調方式光ファイ
   バジャイロ。