JPH02236113A - 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吠に多数回巻き回し
、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
角速度が求められる。

位相差をΔθ、角速度をΩとすると、次の関係がある。

ここで、Ｌはセンサコイルのフ１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。これをサニ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。これでは八〇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。

こレハ、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ｓ１
ｎΔθの形で、求められる。

発光素子ｌ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は大部分がセンナコイル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１８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の位相変調部８
とセンサコイル８とを通り、他端から出射する。これ等
はビームスプリッタ２で合一し、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８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θを通過する
のに要する時間τは、 ｎＬ 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θ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。

左回り光、右回り光の電界強度を、ＥＬ％ＥＲとすると
、 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、 ＋Ｄ．Ｃ．＋　｛２ω以上｝　　（７）２　　　　　　
　ｔ　　　　　ｎ：一　φである。ｔ＝ｅｘｐｉθ　と
置くと、 Ｓ．＝２Σ（−）”．ｒ　．．．．＜ξ）ｃｏｓ（２ｎ
＋１）Ωｔ　　　　（１４）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。

Ｓ（Δθ，１） ＝（ＳｏｃｏｓΔθ＋ＳｓＳ１ｎΔθ）Ｅｏ２（１０）
というように定義する。

θ→θ＋π／２という変換をし、ベツセル関数の良く知
られた性質、 Ｊ−ｎ（ｘ）＝　　（−）”　　Ｊａ　　（ｘ）　　　
　　　（ＩＩ）（但し、ｎは正の整数）を使い、 φ ξ：２　ｂ　ｓｌｎ （！２） と置くと、 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） 十Ｅ。”Ｊ．（ξ）ｃｏｓΔθ ｎ＝１ ｎ＝Ｏ （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）　　＝　２Ｅｏ”Ｊｔ　　（　ξ）ｃｏｓ
　Ω　ｔ　　ｓｌｎ　　Δ　θ　　（ｌ６）Ｑ　　（ｔ
）＝２Ｅｏ”Ｊ２（ξ）ｃｏｓ　　２Ωｔ　　ｃｏｓ　
　Δθ　　（Ｉ７）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、
Ｊ，（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）　発明が解決しようする問題点 従来の光ファイバジャイロは、発光素子からファイバに
入射する光の量の変動が大きい。つまり振幅Ｅ。の変動
が大きいのである。このため、同じ角速度に対して、光
量変動のために、見掛け上異なる出力が得られた。

特開昭６１一目７１０Ｂ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。

特開昭ｌｉｅ−１３５８１８は、信号の位相変調周波数
成分を直流成分で割り、光量変動の影響を打ち消すこと
を提案している。

この他に、２倍高調波を一定にするようにした位相変調
方式光ファイバアジャイ口がある。

特願昭５９−２４４６４１号である。

２倍高調波は、Ｊ２（ξ）を含み、これを一定に保つこ
とが位相変調度を一定に保つことに等しいと考えられた
のである。

ところが、直流成分を一定に保つことは、光量を一定に
保つことと等価ではない。直流成分は、ＣＯ８Δθとい
う形で、Δθを含む。

前記の発明は、Δθ崎Ｏという近似で直流成分が発光素
子の光強度と比例するという前提をし、直流成分を一定
にしている。

ところが、Δθが無視できない大きさを持つときもある
。Δθが大きいとき、このような近似をすることが不正
確になる。

位相変調度を一定にするために２倍高調波を一定に保つ
というものには、次の問題がある。

（１７）に示すように、２倍高調波Ｑは、Ｊ２（ξ）と
ともにＣＯＳΔθの項をも持つ。Δθ一〇という近似を
し、２倍高調波を一定にしている。然しΔθが大きい時
、この近似は不正確である。結局、位相変調度は一定に
ならない。

（　工　）　　　目　　　的 発光素子の光量変動を抑え、位相変調度を一定にできる
位相変調方式光ファイバジャイロを提供することが本発
明の目的である。

（オ）　構　成 本発明の光ファイバジャイロは、 （１）光ファイバジャイロが静止しているか、角速度が
十分に小さいことを、このジャイロまたは他のセンサか
らの信号によって認識する。

（２）上記の条件が成り立ったとき、受光素子出力のう
ち直流成分を一定にするよう、発光素子出力を制御する
。

（３）上記の条件が成り立ったとき、受光素子出力のう
ち２倍高調波成分を一定にするよう位相変調度を制御す
る。

図面によって説明する。

第１図は本発明の位相変調方式光ファイバジャイロの構
成図である。

発光素子１は可干渉性光を生ずる光源である。

半導体レーザ、スーパールミネッセントダイオード、気
体レーザ、など任意である。

ビームスプリッタ２はこの光を２本の光に分割する。ビ
ームスプリブタというのは、ここでは広義の光分岐素子
を意味する。

２本に分割された光はレンズ３、４で絞られた後、光フ
ァイバ５の両端Ａ，Ｂに入射する。

光ファイバ５はシングルモード光ファイバである。これ
は多数回光ファイバをコイル吠に巻き回したセンサコイ
ル６と、位相変調素子７に巻き回した部分８を備えてい
る。センサコイルが回転角速度を検出するものである。

位相変調素子７は、例えば円筒状の圧電素子の外面と内
面に電極を設け、外周に光ファイバを巻き付けたもので
ある。これは光ファイバ中を伝搬する光に周期的な位相
変化を与えるものである。

電極間に、位相変調素子励振制御部１５が周波数Ωの変
調電圧を印加する。この電圧振幅が位相変調度に比例す
る。

Ａ端から入射した光はセンサコイル６の中を右回り光と
して伝搬する。Ｂ端からの光は左回り光となる。両方の
光はビームスブリソタ２で再び合一し、受光素子９に入
射する。

受光素子９は干渉光の強度を検出しこれを出力する。受
光素子出力には、直流成分Ｄ１基本波成分Ｐ１２倍高調
波Ｑ１およびさらに高次の高調波が含まれる。

直流成分Ｄは、直流成分検出部ｌＯによって検出される
。此の信号は、直流成分制御部１２に送られる。

直流成分Ｄは発光素子の出力を安定させるために用いら
れるが、常時、発光素子を制御するのではない。停止信
号Ｕが他のセンサから与えられるか、またはこのジャイ
ロ自身の最終出力ＳがＯであるときのみ発光素子出力の
制御に使われる。

直流成分制御部１２は、発光素子制御回路１３に発光素
子の駆動電流Ｗを指示している。これは停止信号Ｕが与
えられるか、または最終出力ＳがＯであるとき、受光素
子出力の直流成分Ｄが一定になるように制御するのであ
る。

ただし停止信号Ｕといっても厳密に停止でなくても良い
。停止に近ければ良い。同じことが最終出力についても
いえる。ＳがＯに近ければ良い。

直流成分制御部１２は、停止または停止に近いときの直
流成分Ｄを記憶し、所定の値Ｄ。と比較し、これに近ず
けるように発光素子出力制御回路１３に指示を与える。

受光素子９の出力の内、基本波成分Ｐは同期検波部１７
で検出される。同期信号は位相変調素子励振制御部１５
から与えられる。

受光素子９の出力の内、２倍高調波Ｑは２倍高調波検出
部ｌ１によって検出される。位相変調素子励振制御部１
５の変調信号を逓倍器２０で２倍にし、同期信号とする
。

位相変調素子励振制御部１５の変調度は、２倍高調波を
一定にするように制御される。ここで変調度はｂである
が、ξと比例しているので、ξも変調度ということにす
る。

常時、２倍高調波を一定にするのではない。

他のセンサから停止信号Ｕが与えられるか、このジャイ
ロの最終出力Ｓが０、またはＯに近い時にのみ、２倍高
調波を所定の値Ｑ０にするように制御するのである。

２倍高調波制御部１４がこのような間欠的制御を行う。

静止または静止に近いことを、他のセンサからの停止信
号、またはこのジャイロの出力Ｓがほぼ０であることか
ら知る。そのときの２倍高調波Ｑの値を採用し、所定の
Ｑ。と比較しこの差が少なくなるように、位相変調素子
励振制御部１５の変調度ξを与える。

基本波Ｐが同期検波部１７の出力として現れ、これが最
終出力Ｓとなる。これは（ｌ６）式から振動項を除き、 Ｓ”Ｐ＝２Ｅｏ”Ｊｔ　　（ξ）ｓｌｎ　　Δθ　　（
Ｉ８）となる。直流成分を一定にすることにより、光の
強度Ｅ。′を一定にできる。２倍高調波を一定にするこ
とにより位相変調度ξを一定にできる。（！８）の中に
ある係数はこのように一定に保持されている。最終出力
ＳからｓｉｎΔθのかたちでΔθが求められる。

ここでは、２倍高調波を検出部して、これを一定にする
ことにより、位相変調度を一定にしている。しかし２倍
高調波に限らず、３倍あるいは４倍高調波を一定にして
位相変調度を一定にするようにしてもよい。全ての高調
波は位相変調度を含むのでこれが可能である。

（力）　作　用 位相変調方式光ファイバジャイロの動作は既に説明した
ので、此の部分の叙述を省く。

これまで、右回り光、左回り光の振幅をＥ０として区別
していなかった。ここでは、右回り光の振幅をＥＩ、左
回り光の振幅をＥ２とする。Ｅ０′とあったものは、Ｅ
．Ｅ２と読み変えられるべきである。

受光素子出力の内、直流成分Ｄは、 と書くことができる。

ところで、実際の光学系では、右回り光、左回り光の振
幅がほぼ等しく、 Ｅｔ”ｌＥ＋ａ であるから、 （Ｅｔ″＋Ｅｇ”）　！＝ＦＥＩ　　ＥＱ　　　　　　
　　（２１）と仮定できる。変調度ξはいずれでも良い
のであるが、ここでは特別の例を考える。基本波の感度
を最大にするには、一次ベッセル関数Ｊ．（ξ）を最大
にすれば良く、ξ→１．８に選ぶ事ができる。

このとき、０次ベッセル関数Ｊｏ（ξ）はほぼ０．３で
ある。直流成分Ｄは、 Ｄ：”Ｅｓ　　ｌ，ａ　　（１＋０．ａ　ｃｏｓ　　八
〇）　　　（２２）となるが、この先ファイバジャイロ
が静止、あるいは殆ど静止しているとき、 Δθ峙Ｏ ｃｏｓ　　Δθ→　１ そこで、光ファイバジイロが静止、あるいは殆ど静止し
ているとき、 Ｄ　＝　　　鳳．３ＥＩＥ２ となって、Ｄを予め定めたＤ０に等し《制御すれば、干
渉光の光量ＥＩＥＱを一定にすることできる。これは直
流成分検出部１０、直流成分制御部１２、発光素子出力
制御回路１３などの機能である。

次に２倍高調波Ｑの制御について説明する。

Ｑ”−２Ｅｔ　　Ｅ２　　ＪＱ（ξ）　ｃｏｓΔθ　　
　　（２Ｂ）であるが、この内、発光素子の光ｆｌＥｔ
Ｅｓは既に一定になっている。静止又は静止に近い時、
ＣＯＳΔθが１である。このとき、 Ｑ＝−２Ｅｔ　　Ｅ２　　ＪＱ　（ξ）　　　　　　　
（２７）である。此の値を一定にするように、位相変調
素子励振制御部１５の、励振電圧を制御するのである。

位相変調度ξが一定であるようにできれば、最終出力Ｓ
すなわち基本波Ｐは（１８）より、Ｓ＝Ｐ＝２Ｅ．Ｅｇ
　　Ｊ．（ξ）　ｓｉｎ　Δθ　　（２Ｂ）となるが、
ｓｌｎΔθの前の係数は不変の定数となり、出力Ｓから
正確なΔθが分かる。これは光量だけ、あるいは変調度
だけを一定にしただけでは得られない効果であ・る。

（キ）　　実　　施　　例 位相変調方式光ファイバジャイロの最小構成に関しては
、 Ｅｚｅｋ（ｅｌ　Ｓ．　ａｎｄ▲ｒｄｌｔｔ３１　１１
．Ｊ．：”ＦＩＢＥＲ　ＯＰＴＩＣ　ＲＯＴ▲ＴＩＯＮ
　　ＳＥＮＳＯＲ”　　Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａ
ｇ　　Ｂｅｒｌｉｎ．１９８２に詳しい説明がある。

第２図によって本発明の実施例を説明する。第１図と同
じものには同じ符号を付した。これらに対しては説明を
繰り返さない。

直流成分検出部１０は、受光素子の出力を受けて、その
直流成分を電圧信号として出力する。これは、Ａ／Ｄ変
換器２２によって、デジタル信号に変換される。

他のセンサからの静止信号を受けたとき、あるいは、こ
の光ファイバジイロ自身の最終出力Ｓを受けてこれがＯ
または０近いとき、次の操作を行う。

直流成分Ｄが予め設定した値Ｄ。になるように発光素子
出射光量を制御するための制御信号を算出、作成する。

この制御信号を、Ｄ／Ａ変換器２１によってアナログ信
号に変換し、発光素子出力制御回路１３に入力する。

光ファイバジャイロが速く回転している時は前回の静止
時の制御信号を保持しこれを出力する。

デジタル処理部１Ｂによって、デジタル信号として扱っ
ているので、信号を保時し出力し続けることは簡単であ
る。

発光素子出力制御回路１３は前記信号を受けて発光素子
の出射光量を制御する。

発振器１８は周波数がΩの変調信号を生ずる。

発振器１８の出力は乗算郎１９によって適当な増幅率で
増幅される。増幅された発振器の位相変調信号は、位相
変調素子７の電極に印加される。従って位相変調素子７
の変調度ｂすなわちξは、乗算部ｌ９によって自由に与
えられる。

同期検波部１７は、発振器１８から周波数がΩである同
期信号を取って、受光素子出力から基本波成分Ｐを求め
る。基本波成分Ｐは、Ａ／Ｄコンバータ２４によって、
デジタル処理部１６に入力される。

逓倍器２０は、発振器ｌ８の位相変調信号を逓倍し、２
Ωの周波数の同期信号を作る。

２倍高調波検出部１１は、逓倍器２０の２Ωの同期信号
を使って、受光素子出力の内、２倍高調波Ｑを検出する
。この値は、Ａ／Ｄコンバータ２５によって、デジタル
値に変換され、デジタル処理部１６に入力される。

デジタル処理部１８は、この光ファイバヤイロが静止ま
たは静止に近いことを、それ自身の最終出力Ｓ１または
他のセンサからの停止信号Ｕにょって認識する。

他のセンサから、停止信号を受ける場合は、他のセンサ
からの状態信号を、状態信号検出インタフェース２６に
よってデジタル処理部ｌ６に入力する。デジタル処理部
１６が吠態信号から停止であるかないかを判定する。そ
して停止信号Ｕを作成する。

あるいは、他のセンサが停止時に停止信号Ｕを出力し、
デジタル処理部１６に入力するようにしても良い。

この光ファイバジャイロ自身から、出力Ｓ→Ｏを得るよ
うにすることもできる。

デジタル処理部１８は、光ファイバジャイロが静止また
は静止に近い時、２つの動作を行う。

ひとつは、直流成分Ｄを予め設定してある、基準となる
Ｄ０と比較し、この差を少なくするように発光素子出力
を制御することである。制御信号は、Ｄ／Ａコンバータ
２１から、発光素子出力制御部１３に出力される。

もうひとつは、２倍高調波成分Ｑを、予め設定してある
基準となるＱ。と比較し、この差が小さくなるように、
位相変調度ξを制御することである。これは、Ｄ／Ａコ
ンバータ２３により、乗算部１９に与えられる。

光ファイバジャイロが速く回転しているときは前回の静
止時の直流成分、２倍高調波成分の値をそれぞれ保時し
、発光素子出力制御部１３、乗算部１９に対して出力し
続ける。

基本波成分Ｐにより回転角速度を求めることができる。

（ク）　効　果 静止時または静止に近いときに、受光素子出力の直流成
分と、２倍高調波成分を予め決められた値と比較し、こ
れに近づけるようにする。こうして、発光素子出力と位
相変調度を一定にすることができる。

温度や、経時変化によって結合光社や位相変調度が変動
しても、本発明によれば、これを正しく補正し、常に、
正確で安定した角速度測定が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の位相変調方式光ファイバジャイロの構
成図。 第２図は本発明の実施例を示す位相変調方式光ファイバ
ジャイロの構成図。 第３図は従来例に係る位相変調方式光ファイバジャイロ
の構成図。 １自●● ２　●　１ ３、　４　● ５　●　●　● ６　●　●　● ７　１　● ８　φ　●　● ９　１　● １　０　拳　● １　１　●　● １　２　φ　● ｌ　３　●　● ●発　　光　　素　　子 ●ビームスプリッタ ●レ　ン　ズ 拳　光　　　フ　　　ァ　　　イ　　　バ●センサコイ
ノレ ●位相変調素子 ●位相変調に巻付けた光ファイバ部分 ●受．光　素　子 Φ直流成分成分検出部 −２倍高調波検出部 ●直流成分制御部 φ発光素子出力制御回路 １４拳●●２倍高調波制御部 １５＠●会位相変調素子励振制御部 １７●●●同期検波部 １　８　●　命　●発　　振　　器 ｌ９●●●乗　算　部 ２０　●　−　●逓　　倍　　器 ２１、２３拳●−Ｄ／Ａコンバータ ２２、２４、２５●●●Ａ／Ｄコンバータ発　　明　　
者

Claims (3)

【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、位相変調周波数の適当な倍数の高調波
   を検出する高調波検出部と、受光素子出力の基本波成分
   を検出する同期検波部とを有し、他のセンサの信号また
   はこの光ファイバジャイロの最終出力により静止あるい
   は静止に近いことを認識した時の直流成分、高調波成分
   を予め定めた値に近づけるよう発光素子出力と位相変調
   度とを制御す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）静止あるいは静止に近い時の受光素子出力の直流
   成分を保時し、そのレベルが一定になるように発光素子
   出力を制御す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）静止あるいは静止に近い時の受光素子出力の２倍
   高調波Ｑを保持しそのレベルが一定になるように位相変
   調度を制御す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。