JPH02236114A - 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ニ多数回巻き回し
、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、位相差八〇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。

これは、光ファイバセンサコイルの一方の喘部の光ファ
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、ビームスブリッタ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は大部分がセンサコイル６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の位相変調部８
とセンサコイル６とを通り、他端から出射する。これら
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６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、 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、八〇の位相差を持つが、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、 とすると、 Ｅｔ ＥＲ 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０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、 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倍の振動である。ｔ：
ｅｘｐｉθ　と置くと、 ｎ＝−　　ｏロ となる。この式の実数部虚数部の展開から、Ｓ（Δθ，
１）のｓ１ｎ，ｃｏｓの部分Ｓｓ１Ｓｃの級数展開を得
る。

Ｓ　（Δθ，　　１） ：（ＳａｃｏｓΔθ＋３ｓｓｉｎΔθ）Ｅ．”（ｌＯ） 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《知
られた性質、 Ｊ−ｎ（ｘ）＝ Ｊｎ （Ｘ） （但し、 ｎは正の整数） を使い、 ξ＝　２　ｂ　ｓｉｎ と置くと、 φ （Ｉ２） Ｓ０ ＝　Ｊ　ｏ（ξ）＋２　Σ（−） ｎ＝１ Ｊ　２ｎ（ξ）ｃｏｓ２ｎ（Ｉｔ （！３） Ｓ． ？２Σ（一）”Ｊ　２■，（ξ） ｎ＝０ ｃｏｓ（２ｎ＋１）Ωｔ （ｌ４） 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 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）ｃｏｓΩ　ｔｓ
ｌｎ　　Δθ　（ｌ６）Ｑ　　（　ｔ）＝２Ｅｏ”Ｊ２
（ξ）ｃｏｓ　　２Ωｔ　ｃｏｓ　　Δθ　　（１７）
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 特開昭８１−１４７１０８は受光素子出力の直流成分が
一定になるように、発光素子出力を制御する方式を提案
している。

特開昭ＧＯ−１３５８１１１ｉは、受光素子出力の基本
波成分を直流成分で割り、光量変動の影響を打ち消す方
式を提案している。

（工）発明が解決しようとする問題点 これまで、左回り光、右回り光を区別せず、Ｅｏによっ
て振幅を表現していた。以後区別して、右回り光の振幅
をＥｌ、左回り光の振幅をＥ２とする。

光ファイバジイロにおいては、発光素子から光ファイバ
に入射される光量変動が大きかった。

特開昭ａｔ−ｔ４’；＋ｔｏｅは直流成分を一定にする
制御系を提案している。しかしこれは、反射光、および
位相変調度変動の問題を見逃しているようにみえる。

特開昭ＧＯ−１３５８１Ｇは基本波成分Ｐを直流成分Ｄ
で割り光量変動の問題を解決している。これも反射光、
位相変調度変動の問題を見逃している。

反射光というのは、レンズ、ファイバなど光学部品の喘
面で反射され受光素子に入射した光である。センサコイ
ルを通らない光である。角速度測定に寄与せず、ノイズ
となる。

これに対して、センサコイルを通過して受光素子に入射
した光を信号光という。

前記提案は反射光量Ｈが存在しないという仮定にたって
いるようである。たとえあっても、反射光量Ｈは、信号
光を同じように変動すると仮定しているものと推測され
る。

実際には、反射光量Ｈは無視できないレベル存在する。

反射光量Ｈは信号光を同じようには変動．しない。むし
ろ反射光量Ｈは殆ど変動しないことが多い。

さらに、位相変調度も変動することがある。

従って、直流成分を一定にしたり、基本波Ｐを直流成分
Ｄで割ることが、必ずしも光量変動を打ち消す事にはな
らない。

さらに基本波を直流成分で割ることには、次の問題を生
ずる。

受光素子出力である干渉光の直流成分Ｄは（Ｅ１”＋Ｅ
２”）＋Ｅｓ　　Ｅ２　　ＪＯ（ξ）ｃｏｓ　　Δθ＋
Ｈ（ｌ８） と書くことができる。Ｈは反射光量である。

基本波Ｐは（ｌ６）の変調周波数成分を除き、Ｅｏ”を
、Ｅｌ　、Ｅ２と書き換えて Ｐ＝２Ｅ．Ｅ２　Ｊｔ　（ξ）　ｓｌｎΔθ　０９）る
ためには、反射光の問題の他に次の仮定が必要である。

仮定１：ファイバの右回り光と左回り光の光量の比に変
動がない。

仮定２：位相変調度の変動がない。

仮定１が成立するとして、 Ｅ２／Ｅ１＝ Ｋ とおく事ができる。直流成分Ｄは （　　１　＋　Ｋ２　）Ｅ　＊”＋　Ｋ　Ｅ　ｉ”Ｊ　
ｏ（ξ）ｃｏｓ　　Δθ（２１）と書ける。ただし反射
光量Ｈをここでは無視している。基本波成分Ｐを、直流
成分Ｄで割ると、となる。

−（１＋Ｋ２　）＋ＫＪｏ（ξ）ｃｏｓΔθ基本波成分
を直流成分で割って正しい結果を得となって、発光素子
の光量に依存しない出力が得られる。ＫとＪ。（ξ）が
既知であるので、Δθが求められるというわけである。

しかし、このような関係が成立するのは上記の仮定が成
立しなければならない。これは非現実的である。

また、（２２）からΔθを求めるにはかなり複雑な演算
を必要とする。計算し易い式ではない。

さらに、直流成分に本来含まれる反射光世を無視してい
ることを忘れるべきでない。

（オ＞　　＋ｍ　　成 本発明の位相変調方式光ファイバジャイロは（１）基本
波成分Ｐを求める。

（２）偶数次高調波成分Ｑを求める。

（３）Ｑ以外の偶数次高調波成分子を求める。

（４）偶数次高調波成分Ｑを０とする。

（５）Ｐ／Ｔを計算し、ｔａｎΔθの形でΔθを求める
。

という特徴を持っている。

反射光量は直流成分だけに含まれる。基本波、２倍高調
波、４倍高調波等高調波は反射光量を含まない。反射光
量の問題を避けるため、本発明は直流成分を用いない。

基本波Ｐも、任意の次数の高調波も発光素子光貴に関し
て同じ係数を持つ。そこで、基本波Ｐを高調波で割ると
、光量に関する係数を打ち消す事ができる。

基本波を奇数次の高調波で割ると、Δθが消えてしまう
。しかし、偶数次の高調波成分Ｔで、基本波を割れば、
ｔａｎΔθの形になる。

このようなわけで、Ｐ／Ｔによって、反射光量や発光素
子出力変動などの影響がない出力が得られる。出力とΔ
θの関係が、安定しており、しかも簡単である。

この発明では、ふたつの偶数高調波Ｑ１Ｔを必要とする
。ひとつの高調波ＱはＱ＝Ｏとすることにより、位相変
調度を一定にするためのものである。もうひとつの高調
波Ｔは、基本波Ｐを割る分母を与えるものである。

偶数次であればなんでも良いのであるが、ここでは、Ｑ
が２倍高調波、Ｔが４倍高調波として説明する。

第１図により本発明に係る位相変調方式光ファイバジャ
イロを説明する。

発光素子１は可干渉性の光を発生する光源である。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
ーザなどを用いることができる。

この光はビームスプリッタのような光分岐素子２によっ
て２本の光線に分割される。

２本の光線は、レンズ３、４で絞られて、光ファイバ５
の両端Ａ，Ｂから、これにに入射する。

光ファイバ５は１本のシングルモードファイバである。

これは、センサコイル６と位相変調素子７に巻き回した
部分８とよりなる。

センサコイル６は、ファイバを多数回巻き回したコイル
状のもので、これが角速度を検出するセンナ部分となる
。

位相変調素子７は、例えば円柱形の圧電素子の円周面に
光ファイバを巻き、端面電極間に電圧を印加できるよう
にしたものである。変調周波数Ωに交流電圧を印加する
と、光ファイバを伝搬する光の位相が周波数Ωで周期的
に変動する。

励振交流電源１０が位相変調度制御部１２を介して位相
変調素子７に変調電圧を印加する。

光ファイバ５のＡ端から入射した光は、センナコイル６
の中を右回り光として伝搬する。Ｂ端から入射した光は
、左回り光として伝搬する。これら２本の光が、光分岐
素子２で再び合一する。

干渉光の強度が、受光素子９によって二乗検波される。

位相変調素子７がセンサコイル８に対して非対称である
ので、受光素子出力には、変調周波数Ωの、基本波と全
ての高調波が含まれる。

既に説明したように、ｎ次の高調波は、ｎ次のベッセル
関数と、光の振幅の２乗を係数として持つ。

奇数次高調波にはΔθが正弦関数の形で入る。

偶数次高調波にはΔθが余弦関数の形で入る。

同期検波ｍｌ３は、受光素子の出力の内、基本波成分Ｐ
を検出する。同期信号は励振交流電源１０から得る。

２倍高調波検出部１２は、受光素子出力の内、２倍高調
波Ｑを検出する。逓倍器２０で励振交流電源１０の信号
を２倍に逓倍して、２Ωの周波数の同期信号とする。

２倍高調波検出部１２は２倍高調波Ｑを０にするように
、位相変調度制御部１１の位相変調度ｂを制御する。

ξとｂは一定の関係にあるので、以後、簡単にξを位相
変調度ということにする。

４倍高調波検出部１５は、受光素子出力から４倍高調波
Ｔを検出する。逓倍器２０の２０の信号を逓倍器２１に
よりさらに２倍に逓倍し、４Ωの同期信号を作り、これ
により同期検波する。

割算器１４は、４倍高調波Ｔで基本波Ｐを割り算し、結
果Ｓを出力する。

（力）　作　用 通常の光ファイバジャイロとしての作用については、説
明を省略する。

同期検波部１３は、受光素子出力から基本波成分レを検
出する。

Ｐ”２ＥＩ　　Ｅ２　　Ｊ　ｔ　　（ξ）ｓｉｎ　　Δ
θ　（２３）４倍高調波検出部１５は、受光素子出力か
ら４倍高調波Ｔを検出する。

Ｔ＝２Ｅ＋　　Ｅ２　　Ｊ４　　（ξ）ｃｏｓ　　Δθ
　（２４）割算器１４は、４倍高調波Ｔで基本波Ｐを割
り算するので、 となるが、この式には光の振幅が含まれない。そのため
、発光素子の光量が変動してもこの結果は影響を受けな
い。さらに、直流成分を分母にしないので、反射光量の
問題も回避できる。

ただし係数は位相変調度ξの関数である。このままでは
、位相変調度の変動とともに係数が変化する惧れがある
。

そこで本発明では、２倍高調波Ｑを一定に保持する。例
えばＯに保持する。

Ｑ＝−２Ｅ．　　ＥＱ　　Ｊａ　　（ξ）ｃｏｓ　　Δ
θ　（２Ｂ）Ｑ＝Ｏにするということは、Ｊ２（ξ）＝
０にするということである。ベッセル関数には多くの零
点がある。２次ベッセル関数にも多くの零点があるが、
どの零点であっても良い。

ξの値をある零点に固定することになるので、１次、４
次のベッセル関数Ｊｔ（ξ）、Ｊ．（ξ）の値が一定に
なる。（２５）式の係数が一定になるわけである。この
式から、位相差Δθが一義的に決定される。

第３図にベッセル関数のグラフを示す。２次のＪ２（ξ
）が０になる最初の点は、５．１である。第１零点とい
う。この値で、Ｊ，（ξ）、Ｊ．（ξ）はそれぞれ−０
．３５　、０．４である。このとき（２８）の係数は一
０．８５となり確定する。

勿論どの零点をとっても良い。ベッセル関数はある次数
の関数の隣接するふたつの零点の間に他の関数の零点が
必ず一つ存在し。また関数を二乗したものを全次数につ
いて加えたものが常に１に等しいというサムルールがあ
る。そこで、２次の関数の零点近傍では、近い次数のベ
ッセル関数の値が大きくなる。

この例でも、第一零点ξ＝５．１の近傍で１次、４次ベ
ッセル関数Ｊ．（ξ）、Ｊ．（ξ）が大きく、その微分
が小さい。つまりξの変動があってもこれらは殆ど変化
しない。係数が変化し難いので感度が変化しない。Ｑ＝
０としてξの変動を積極的に抑えているが、たとえ変動
してもその影響が少ないという二重の効果がある。

このようにして、本発明では、発光素子の光量変動、位
相変調度変動の影響を全く排除することができる。

さらに、演算が単純だという長所がある。（２２）のよ
うに複雑でな（、ｔａｎΔθで最終結果Ｓが与えられる
。ｔａｎΔθからΔθを求めるのは簡単である。さらに
Δθが小さい時は、 ｔａｎΔθ崎Δθ　　　　　（２７） であるので、きわめて簡単にΔθが得られる。

（キ）　　実　　施　　例 位相変調方式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、 Ｅｚｋ１ｅｌ　Ｓ．　ａｎｄ　Ａｒｄｌｔｔｙ　Ｈ．Ｊ
．：”ＦＩＢＥＲ　ＯＰＴＩＣ　ＲＯＴＡＴＩＯＮ　Ｓ
ＥＮＳＯＲ”，Ｓｐｒｌｎｇｅｒ４ｅｒｌａｇ　Ｂｅｒ
ｌｌｎ．Ｉ９８２に詳しい説明がある。

第４図に実施例を示す。第１図と共通する部分の説明は
略す。

位相変調度制御部１１は、ＰＩＤコントローラ２２、乗
算器２３より成っている。

２倍高調波検出部１２が、２倍高調波Ｑを検出し、ＰＩ
Ｄコントーラ２２は、ＱをＯと比較し、その差が小さく
なるように、位相変調度を決定する。これは乗算器２３
に乗数を決める信号として与えられる。

乗算器２３は励振交流電源１０の信号に乗数を掛けたも
のを位相変調素子に印加する。こうして位相変調度が一
定に成るように保たれる。

（ク）　効　果 温度や経時変化により、結合光量に変動が生じても、本
発明によれば、その影響を除去する事が出来る。

直流成分を使わないので、反射光量の問題がない。

偶数次の高調波で基本波を割るので、結果が単純である
。演算が容易になる。

偶数次に高調波を０にするようにして位相変調度を一定
にするので、温度、経時変化による位相変調度の変動も
ない。

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に係る光ファイバジャイロの構
成図。 第３図は従来例にかかる位相変調方式光ファイバジャイ
ロの構成図。 第４図はベツセル関数のグラフ。 １　●　φ　●　●発　．光　素　子 ２　●　●　●　●光　　分　　岐　　素　　子３、４
●●●●レ　ン　ズ ５　１　●　●　光　　　フ　　　　ァ　　　イ　　　
バ６●●●●センサコイル ７●●●●位相変調素子 ８●●舎●位相変調素子に巻き付けた光ファイバ部分 ９　●　●　●　●受　　光　　素　　子１０●●●励
振交流電源 １１●●●位相変調度制御部 １２●●●２倍高調波検出部 １３●●●同期検波部 １４●●●割　算　器 １５●●●４倍高調波検出部 ２　０、　２１−　　●　●逓　　倍　　器２２●●●
ＰＩＤコントローラ ２３　●　●　●乗　　算　　器

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位相変調周波数の偶数
   次の高調波Ｔを検出する偶数次高調波検出部と、受光素
   子出力の基本波成分Ｐを検出する同期検波部と、基本波
   成分Ｐを偶数次高調波成分子で割り算し、その結果Ｓを
   出力する割算器と、よりな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）前記偶数次高調波Ｔが２次以外のものであり、位
   相変調周波数の２倍の周波数の高調波を検出する２倍高
   調波検出部と、２倍高調波成分を一定値にするよう位相
   変調度を制御する位相変調度制御部と、を有することを
   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）位相変調度制御部がＰＩＤ制御系で構成されてい
   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。