JPH0352005B2 - - Google Patents
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- JPH0352005B2 JPH0352005B2 JP22031985A JP22031985A JPH0352005B2 JP H0352005 B2 JPH0352005 B2 JP H0352005B2 JP 22031985 A JP22031985 A JP 22031985A JP 22031985 A JP22031985 A JP 22031985A JP H0352005 B2 JPH0352005 B2 JP H0352005B2
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- light
- optical fiber
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Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
- Lasers (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
産業上の利用分野
本発明は、光フアイバジヤイロに関するもので
あり、更に詳述するならば、高精度で且つダイナ
ミツクレンジが広い光フアイバジヤイロに関する
ものである。
あり、更に詳述するならば、高精度で且つダイナ
ミツクレンジが広い光フアイバジヤイロに関する
ものである。
従来の技術
現在、ジヤイロが様々な分野で利用され、特
に、航空機、飛翔体、自動車などの移動体のナビ
ゲーシヨンや姿勢制御のための角速度センサとし
て活用されている。このジヤイロを使用すれば、
角速度だけでなく、それを積分することにより方
位などのデータも得ることができる。
に、航空機、飛翔体、自動車などの移動体のナビ
ゲーシヨンや姿勢制御のための角速度センサとし
て活用されている。このジヤイロを使用すれば、
角速度だけでなく、それを積分することにより方
位などのデータも得ることができる。
そのようなジヤイロの中で、光フアイバジヤイ
ロは、光及びその光が伝搬する光フアイバが磁界
や電界の影響を受け難いため、シールドの問題な
くどのような環境でも使用でき、また、可動部が
全くなく且つ小型化が可能であり、更に、最小検
出可能角速度（感度）、ドリフト、可測範囲（ダ
イナミツクレンジ）、スケールフアクタの安定性
の点において、従来のジヤイロに比較した優れて
いるために、近年注目され開発されている。
ロは、光及びその光が伝搬する光フアイバが磁界
や電界の影響を受け難いため、シールドの問題な
くどのような環境でも使用でき、また、可動部が
全くなく且つ小型化が可能であり、更に、最小検
出可能角速度（感度）、ドリフト、可測範囲（ダ
イナミツクレンジ）、スケールフアクタの安定性
の点において、従来のジヤイロに比較した優れて
いるために、近年注目され開発されている。
そのような光フアイバジヤイロの例は、例え
ば、ギヤロレンジ テー．ジー．ブカロジエー．
エー．他『光フアイバセンサ技術』アイ イーイ
ーイージヤーナル オブ カンタ エレクトロニ
クス（Giallorenzi T.G.，Bucaro J.A.et al
“Optical Fiber Sensor Technology”，IEEE J.
of Quantum Electronics）QE−18、No.4pp626−
662（1982）やクラシヨウ及びアイ．ピー．ギレス
『光フアイバジヤイロスコープ』ジヤーナル オ
ブ フイジクス エレクトロニクス サイエンス
インストルメント（Culshaw and I.P.Giles
“Fiber Optic Gyroscopes”J.Phys.E：Sci
Instrum.）16pp5−15、（1983）や、坪川、大塚
「光フアイバジヤイロスコープ」レーザ研究、11、
No.12、pp889−902（1983）などに詳しく示されて
いる。
ば、ギヤロレンジ テー．ジー．ブカロジエー．
エー．他『光フアイバセンサ技術』アイ イーイ
ーイージヤーナル オブ カンタ エレクトロニ
クス（Giallorenzi T.G.，Bucaro J.A.et al
“Optical Fiber Sensor Technology”，IEEE J.
of Quantum Electronics）QE−18、No.4pp626−
662（1982）やクラシヨウ及びアイ．ピー．ギレス
『光フアイバジヤイロスコープ』ジヤーナル オ
ブ フイジクス エレクトロニクス サイエンス
インストルメント（Culshaw and I.P.Giles
“Fiber Optic Gyroscopes”J.Phys.E：Sci
Instrum.）16pp5−15、（1983）や、坪川、大塚
「光フアイバジヤイロスコープ」レーザ研究、11、
No.12、pp889−902（1983）などに詳しく示されて
いる。
(a) 光フアイバジヤイロの原理
ここで、光フアイバジヤイロの原理を第２図
を参照して説明する。
を参照して説明する。
発光素子１０からの光ビームスプリツタ１２
により分割して、コイル状に多数回シングルモ
ード光フアイバ１８を巻回した光フアイバルー
プすなわちセンサコイル２０の両端に入力し
て、センサコイル２０に右回り（CW）と左回
り（CCW）に光を伝搬させる。そのとき、セ
ンサコイル２０が角速度Ωで回転していると、
右回り光、左回り光に位相差Δθが生じ、Δθを
測定することによつて角速度Ωを検出するもの
である。
により分割して、コイル状に多数回シングルモ
ード光フアイバ１８を巻回した光フアイバルー
プすなわちセンサコイル２０の両端に入力し
て、センサコイル２０に右回り（CW）と左回
り（CCW）に光を伝搬させる。そのとき、セ
ンサコイル２０が角速度Ωで回転していると、
右回り光、左回り光に位相差Δθが生じ、Δθを
測定することによつて角速度Ωを検出するもの
である。
センサコイル２０の中を右回りに伝搬した光
及び左回りに伝搬した光の電界の強さEcw、
Eccwは、次のように表される。
及び左回りに伝搬した光の電界の強さEcw、
Eccwは、次のように表される。
Ecw＝Ersin（ωt＋Δθ／２）
Eccw＝Elsin（ωt−Δθ／２）
但し、Er、El：左回り光及び右回り光の振幅
ω：光の角周波数
ｔ：時間
Δθ：サニヤツク効果による位相差
そのように位相差Δθが生じた左回り光と右
回り光とをビームスプリツタ１２で合成して、
受光素子２６に入射する。その受光素子２６の
検出強度から、位相差Δθを知ることができる。
その位相差Δθは、次のように表すことができ
る。
回り光とをビームスプリツタ１２で合成して、
受光素子２６に入射する。その受光素子２６の
検出強度から、位相差Δθを知ることができる。
その位相差Δθは、次のように表すことができ
る。
Δθ＝4πLa／CλΩ …(1)
但し、Ｌ：センサコイルのフアイバ長
ａ：センサコイルの半径
ｃ：真空中の光速度
λ：光の波長
Ω：回転角速度
これをサニヤツク効果という。
位相差Δθの検出方法には多様なものがあり、
様々なものが提案されている。
様々なものが提案されている。
最も簡単に、左回り光、右回り光の和を、受
光素子で二乗検波すると、出力Ｉは、 Ｉ∝｛１＋cos（Δθ）｝ …(2) という形になる。
光素子で二乗検波すると、出力Ｉは、 Ｉ∝｛１＋cos（Δθ）｝ …(2) という形になる。
これはcosの中にΔθがあるので、Δθが０に
近い時の感度が悪いという欠点がある。
近い時の感度が悪いという欠点がある。
そこで、左回り、右回りの光のいずれかの位
相を90゜ずらして、二乗検波するという光学機
構が提案されている。この場合、出力Ｉは、 Ａ∝｛１＋sin（Δθ）｝ …(3) の形になるから、Δθが０に近い時の感度が良
い。
相を90゜ずらして、二乗検波するという光学機
構が提案されている。この場合、出力Ｉは、 Ａ∝｛１＋sin（Δθ）｝ …(3) の形になるから、Δθが０に近い時の感度が良
い。
しかし、いずれか一方の光を分離するために
は、光路を分離するための新たなビームスプリ
ツタが３つ必要になる。また、分離された光路
の長さを常に等しくしておかなければならな
い。
は、光路を分離するための新たなビームスプリ
ツタが３つ必要になる。また、分離された光路
の長さを常に等しくしておかなければならな
い。
Δθが０に近い時の感度の改善を、上述した
ように静的な化学的な検出機構によつて行うに
は、上記のような難点がある。
ように静的な化学的な検出機構によつて行うに
は、上記のような難点がある。
(b) 位相変調方式光フアイバジヤイロ
そこで、動的な機構によつて、Δθを検出し
ようとする光フアイバジヤイロも多く提案され
ている。例えば、位相変調方式、周波数変調方
式などである。その中で、最小検出可能角速度
などの点で最も優れているものが、位相変調方
式光フアイバジヤイロである。
ようとする光フアイバジヤイロも多く提案され
ている。例えば、位相変調方式、周波数変調方
式などである。その中で、最小検出可能角速度
などの点で最も優れているものが、位相変調方
式光フアイバジヤイロである。
位相変調方式光フアイバジヤイロは、光フア
イバのセンサコイルの一方の端に、位相変調素
子を設け、変調信号の大きさを測定することに
より位相差Δθを求める方式である。
イバのセンサコイルの一方の端に、位相変調素
子を設け、変調信号の大きさを測定することに
より位相差Δθを求める方式である。
その位相変調方式光フアイバジヤイロについ
て第３図を参照して説明する 発光素子１０からの可干渉光は、ビームスプ
リツタ１２により２つに分けられ、光フアイバ
１８の両端に結合される。その光フアイバ１８
は、センサコイル２０を構成するように巻回さ
れた部分と、角周波数ωnで駆動されるピエゾ
素子のような位相変調素子２２に巻き付けられ
た部分２４とに分けられている。そして、光フ
アイバの両端から結合された光は、それぞれ、
光フアイバのセンサコイル２０内を右回りと左
回りに伝搬し、反対側の端部より出射し、ビー
ムスプリツタ１２により合成されて受光素子２
６に入射する。
て第３図を参照して説明する 発光素子１０からの可干渉光は、ビームスプ
リツタ１２により２つに分けられ、光フアイバ
１８の両端に結合される。その光フアイバ１８
は、センサコイル２０を構成するように巻回さ
れた部分と、角周波数ωnで駆動されるピエゾ
素子のような位相変調素子２２に巻き付けられ
た部分２４とに分けられている。そして、光フ
アイバの両端から結合された光は、それぞれ、
光フアイバのセンサコイル２０内を右回りと左
回りに伝搬し、反対側の端部より出射し、ビー
ムスプリツタ１２により合成されて受光素子２
６に入射する。
位相変調素子をセンサコイルに対して非対称
な位置に設けると、同時に発光素子を出た光
が、右回り、左回りに分けられてセンサコイル
と位相変調素子巻回部とを通過するが、変調の
時刻が異なるので、受光素子で出力を二乗検波
した時、変調信号が出力に現われる。変調信号
の振幅にΔθが含まれるから、変調信号の大き
さを知つてΔθを求めることができる。
な位置に設けると、同時に発光素子を出た光
が、右回り、左回りに分けられてセンサコイル
と位相変調素子巻回部とを通過するが、変調の
時刻が異なるので、受光素子で出力を二乗検波
した時、変調信号が出力に現われる。変調信号
の振幅にΔθが含まれるから、変調信号の大き
さを知つてΔθを求めることができる。
例えば、位相変調器を左回り光の入射端の近
傍に設けたとする。光フアイバのセンサコイル
の長さがＬ、フアイバコアの屈折率をｎ、光速
をｃとすると、光がセンサコイルを通過するに
要する時間τは τ＝nL／ｃ …(4) である。
傍に設けたとする。光フアイバのセンサコイル
の長さがＬ、フアイバコアの屈折率をｎ、光速
をｃとすると、光がセンサコイルを通過するに
要する時間τは τ＝nL／ｃ …(4) である。
変調信号が、上記したように、角周波数ωn
の正弦波であるとする。同時に発光素子を出た
光が、右回り光、左回り光に分かれ、それぞれ
位相変調を受ける時の、変調信号の位相差φ
は、 φ＝ωnτ ＝nLωn／ｃ ＝2πfnnL／ｃ …(5) 但し、ωn＝2πfn となる。
の正弦波であるとする。同時に発光素子を出た
光が、右回り光、左回り光に分かれ、それぞれ
位相変調を受ける時の、変調信号の位相差φ
は、 φ＝ωnτ ＝nLωn／ｃ ＝2πfnnL／ｃ …(5) 但し、ωn＝2πfn となる。
サニヤツク効果により、右回り光、左回り光
は、±Δθ／２の位相差を持つが、位相変調素子
によつて、位相がさらに変調される。位相変調
素子の振幅をｂとすると、右回り光、左回り光
の電界の強さEcw、Eccwは、 Ecw＝Ersin｛ωt＋Δθ／２＋bsin（ωnｔ＋φ）｝…(6
) Eccw＝Elsin｛ωt−Δθ／２＋bsin（ωnｔ）｝ …(7) となる。
は、±Δθ／２の位相差を持つが、位相変調素子
によつて、位相がさらに変調される。位相変調
素子の振幅をｂとすると、右回り光、左回り光
の電界の強さEcw、Eccwは、 Ecw＝Ersin｛ωt＋Δθ／２＋bsin（ωnｔ＋φ）｝…(6
) Eccw＝Elsin｛ωt−Δθ／２＋bsin（ωnｔ）｝ …(7) となる。
以上のような電界強度を有する右回り光、左
回り光は、ビームスプリツタ１２で合成されて
受光素子２６によつて二乗検波されるので、受
光素子の出力Ｓ（Δθ、ｔ）はEcwとEccwの和を
二乗したものに比例する。
回り光は、ビームスプリツタ１２で合成されて
受光素子２６によつて二乗検波されるので、受
光素子の出力Ｓ（Δθ、ｔ）はEcwとEccwの和を
二乗したものに比例する。
Ｓ（Δθ、ｔ）＝｛Ecw＋Eccw｝2 …(8)
これを計算すると、
Ｓ（Δθ、ｔ）＝ErElcos｛Δθ＋2bsin（φ／２）cos
（ωnｔ＋φ／２）｝＋D.C.＋｛2ω以上｝…(9) 但し、D.C.は直流成分を意味する。
（ωnｔ＋φ／２）｝＋D.C.＋｛2ω以上｝…(9) 但し、D.C.は直流成分を意味する。
｛2ω以上｝は、光の角振動数の２倍の振動数
の項という意味である。なお、これは検出器に
はかからないので０である。
の項という意味である。なお、これは検出器に
はかからないので０である。
となる。かくして、位相変調素子によりもたら
される位相差φがあるので、Δθを、変調信号
の振幅に関数づけて得ることができる。
される位相差φがあるので、Δθを、変調信号
の振幅に関数づけて得ることができる。
そこで、D.C.を省略して、Ｓ（Δθ、ｔ）をベ
ツセル函数を使つて級数展開する。まず、(9)式
は次のように表される。
ツセル函数を使つて級数展開する。まず、(9)式
は次のように表される。
Ｓ（Δθ、ｔ）＝ErEl｛cosΔθcos〔
2bsinφ／２cos（ωnｔ＋φ／２）〕 −sinΔθsin〔2bsinφ／２cos（
ωnｔ＋φ／２）〕…(10) 一方、ベツセル函数の母函数展開から、 である。ｔ＝ei〓と置くと、 eixsin〓＝∞ 〓 ｎ＝−∞Jo（ｘ）eni〓 …（12） と表すことができる。（12）式の実数部、虚数部
の展開から、(10)式のcos、sinの部分の級数展開を
得ることができる。Ｓ（Δθ、ｔ）を、これらの部
分に分けて、 Ｓ（Δθ、ｔ） ＝（SccosΔθ＋SssinΔθ）ErEl …（13） と書くと、θ→θ＋π／２の変換をした後、 J-o（ｘ）＝（−）nJo（ｘ） …（14） 但し、ｎは正の整数 という性質を使つて、 ξ＝2bsinφ／２ …（15） とおいて、上記ScとSsを書くと、 Sc＝J0（ξ） ＋２∞ 〓n=1 （−）nJ2o（ξ）cos2nωnｔ …（16） Ss ２∞ 〓n=0 （−）nJ2o+1（ξ）cos（2n＋１）ωnｔ
…（17） となる。そこで、再び、Ｓ（Δθ、ｔ）を表すと次
の如くである。
2bsinφ／２cos（ωnｔ＋φ／２）〕 −sinΔθsin〔2bsinφ／２cos（
ωnｔ＋φ／２）〕…(10) 一方、ベツセル函数の母函数展開から、 である。ｔ＝ei〓と置くと、 eixsin〓＝∞ 〓 ｎ＝−∞Jo（ｘ）eni〓 …（12） と表すことができる。（12）式の実数部、虚数部
の展開から、(10)式のcos、sinの部分の級数展開を
得ることができる。Ｓ（Δθ、ｔ）を、これらの部
分に分けて、 Ｓ（Δθ、ｔ） ＝（SccosΔθ＋SssinΔθ）ErEl …（13） と書くと、θ→θ＋π／２の変換をした後、 J-o（ｘ）＝（−）nJo（ｘ） …（14） 但し、ｎは正の整数 という性質を使つて、 ξ＝2bsinφ／２ …（15） とおいて、上記ScとSsを書くと、 Sc＝J0（ξ） ＋２∞ 〓n=1 （−）nJ2o（ξ）cos2nωnｔ …（16） Ss ２∞ 〓n=0 （−）nJ2o+1（ξ）cos（2n＋１）ωnｔ
…（17） となる。そこで、再び、Ｓ（Δθ、ｔ）を表すと次
の如くである。
Ｓ（Δθ、ｔ）＝1/2（Er 2＋El 2）＋（2ωt
以上の成分）＋ErElJ0（ξ）cosΔθ ＋ErEl２∞ 〓n=1 （−１）nJ2o（ξ）cos2nωnｔ・cosΔθ ＋ErEl２∞ 〓 〓n=0 （−１）nJ2o+1（ξ）cos（2n＋１）ωnｔ・sinΔθ
…(10)ａ ＝DC成分＋2ErElJ1（ξ）cosωnｔ・sinΔθ −2ErElJ2（ξ）cos2ωnｔ・cosΔθ＋高次
成分…(10)ｂ これは、変調信号ωnの基本波と、高周波信
号の級数和である。
以上の成分）＋ErElJ0（ξ）cosΔθ ＋ErEl２∞ 〓n=1 （−１）nJ2o（ξ）cos2nωnｔ・cosΔθ ＋ErEl２∞ 〓 〓n=0 （−１）nJ2o+1（ξ）cos（2n＋１）ωnｔ・sinΔθ
…(10)ａ ＝DC成分＋2ErElJ1（ξ）cosωnｔ・sinΔθ −2ErElJ2（ξ）cos2ωnｔ・cosΔθ＋高次
成分…(10)ｂ これは、変調信号ωnの基本波と、高周波信
号の級数和である。
適当なフイルタを使えば、基本波ωn又は任
意の次数の高周波の信号を取り出すことができ
る。どの信号を採用しても、cosΔθ又はsinΔθ
の大きさを知ることができる。
意の次数の高周波の信号を取り出すことができ
る。どの信号を採用しても、cosΔθ又はsinΔθ
の大きさを知ることができる。
その場合、その次数のベツセル函数Jo（ξ）
の値が大きくなるよう、位相変調素子による変
調の振幅ｂ、変調角周波数ωn、センサコイル
通過時間τを設定すべきである。
の値が大きくなるよう、位相変調素子による変
調の振幅ｂ、変調角周波数ωn、センサコイル
通過時間τを設定すべきである。
最も高感度が期待できるのは、（17）式の１
次の項（ｎ＝０）すなわち(10)ｂ式の右辺第２項
である。これは、基本波成分である。この基本
波成分をＰ（Δθ、ｔ）とすると、 Ｐ（Δθ、ｔ） ＝2ErElJ1（ξ）cosωnｔ・sinΔθ …（18） である。かくして、sinΔθに比例した出力がえ
られ、基本波成分の振幅を求めて、Δθを知る
ことができる。
次の項（ｎ＝０）すなわち(10)ｂ式の右辺第２項
である。これは、基本波成分である。この基本
波成分をＰ（Δθ、ｔ）とすると、 Ｐ（Δθ、ｔ） ＝2ErElJ1（ξ）cosωnｔ・sinΔθ …（18） である。かくして、sinΔθに比例した出力がえ
られ、基本波成分の振幅を求めて、Δθを知る
ことができる。
なお、J1（ξ）を最大にすると感度が良くな
るので、ξ＝1.8に設定する。このとき、直流
成分J0（ξ）はほぼ０である。
るので、ξ＝1.8に設定する。このとき、直流
成分J0（ξ）はほぼ０である。
以上が位相変調方式の光フアイバジヤイロの基
本構成である。
本構成である。
発明が解決しようとする問題点
従来の光フアイバジヤイロは、上記した（18）
式を見て分かるように、ΔθをsinΔθの形で検出す
ることから、直線性が悪く、検出範囲が、Δθを
sinΔθに極めて少ない誤差で近似できる範囲に制
限され、ダイナミツクレンジを広くとることは難
しかつた。
式を見て分かるように、ΔθをsinΔθの形で検出す
ることから、直線性が悪く、検出範囲が、Δθを
sinΔθに極めて少ない誤差で近似できる範囲に制
限され、ダイナミツクレンジを広くとることは難
しかつた。
そこで、本発明は、高精度光フアイバジヤイロ
の精度を落とすことなく、広いダイナミツクレン
ジを有する光フアイバジヤイロを提供せんとする
ものである。
の精度を落とすことなく、広いダイナミツクレン
ジを有する光フアイバジヤイロを提供せんとする
ものである。
問題点を解決するための手段
すなわち、本発明によるならば、発光素子と、
多数回コイル状に巻回されたセンサコイル部分を
含み且つ前記発光素子からの光か分岐されて両端
に結合され該センサコイルを両方向に伝搬した光
を両端から出力する光フアイバと、該光フアイバ
を伝搬した両回り光を受ける受光素子とを具備
し、前記センサコイルが回転したときに生ずる両
回り光間の位相差から回転角速度を測定する光フ
アイバジヤイロにおいて、前記セサコイルの一端
付近に設けた光の位相変調器と、該位相変調器を
第１の角周波数ωnで励振する第１の発振器と、
前記受光素子の出力を受けて前記第１角周波数
ωnと同じ周波数成分及びその２倍の周波数成分
を取り出す第１及び第２の同期検波器と、それら
第１及び第２の同期検波器の出力をそれぞれ変調
信号として受け、互いに90゜位相の異なる第２の
角周波数ω1の信号を被変調信号として電気的に
振幅変調する第１及び第２の変調器と、それら第
１及び第２の変調器の出力を加算する加算器と、
該加算器の出力を前記第２の角周波数を基準位相
として比較して、回転角速度に比例する右回り光
と左回り光の間の位相差を出力する位相比較器と
が具備される。
多数回コイル状に巻回されたセンサコイル部分を
含み且つ前記発光素子からの光か分岐されて両端
に結合され該センサコイルを両方向に伝搬した光
を両端から出力する光フアイバと、該光フアイバ
を伝搬した両回り光を受ける受光素子とを具備
し、前記センサコイルが回転したときに生ずる両
回り光間の位相差から回転角速度を測定する光フ
アイバジヤイロにおいて、前記セサコイルの一端
付近に設けた光の位相変調器と、該位相変調器を
第１の角周波数ωnで励振する第１の発振器と、
前記受光素子の出力を受けて前記第１角周波数
ωnと同じ周波数成分及びその２倍の周波数成分
を取り出す第１及び第２の同期検波器と、それら
第１及び第２の同期検波器の出力をそれぞれ変調
信号として受け、互いに90゜位相の異なる第２の
角周波数ω1の信号を被変調信号として電気的に
振幅変調する第１及び第２の変調器と、それら第
１及び第２の変調器の出力を加算する加算器と、
該加算器の出力を前記第２の角周波数を基準位相
として比較して、回転角速度に比例する右回り光
と左回り光の間の位相差を出力する位相比較器と
が具備される。
作 用
位相変調方式光フアイバジヤイロの出力は、上
記した(10)′式の如くであり、それを変形して示す
と、以下のようになる。
記した(10)′式の如くであり、それを変形して示す
と、以下のようになる。
Ｓ（Δθ）＝１／２（Er 2＋El 2）＋ErEl｛〔J0（ξ）＋
∞ 〓n=1 J2o（ξ）cos2nωnｔ〕cosΔθ ＋∞ 〓 〓n=1 J2o-1（ξ）cos（2n−１）ωnｔ・sinΔθ｝…(10)
ｃ 従つて、上記した位相変調器が第１の角周波数
ωnで励振されると、受光素子の出力は、上記(10)
ｃ式のようになる。そして、その出力Ｓ（Δθ）か
らｎ＝１すなわちωn及び2ωn成分のみを取り出
すと、 Ｓ（Δθ）＝ErEl｛J2（ξ）cos2ωnｔ〕cosΔθ
＋J1（ξ）cosωnｔ・sinΔθ｝ となる。従つて、第１の同期検波器によりωnで
同期検波したときのDC成分は、 ErElJ1（ξ）sinΔθ …（19） となり、また、第２の同期検波器により2ωnで同
期検波したときのDC成分は、 ErElJ2（ξ）cosΔθ …（20） となる。ここで、J1（ξ）＝J2（ξ）となるように
ξを選び、上記した第１及び第２の変調器により
（19）式、（20）式の成分で互いに90゜位相をずら
せた角周波数ω1のキヤリアを変調し、更に、加
算器によりその和をとると、 ErElJ1（ξ）｛sinΔθcosω1n＋cosΔθ・sinω1t｝＝
ErElJ1（ξ）・sin（ω1t＋Δθ）…（21） となる。従つて、上記した位相比較器により式
（21）を基準位相と比較することにより、Δθを求
めることができる。すなわち、Δθすなわちサニ
ヤツク位相差に比例した出力が得られる。
∞ 〓n=1 J2o（ξ）cos2nωnｔ〕cosΔθ ＋∞ 〓 〓n=1 J2o-1（ξ）cos（2n−１）ωnｔ・sinΔθ｝…(10)
ｃ 従つて、上記した位相変調器が第１の角周波数
ωnで励振されると、受光素子の出力は、上記(10)
ｃ式のようになる。そして、その出力Ｓ（Δθ）か
らｎ＝１すなわちωn及び2ωn成分のみを取り出
すと、 Ｓ（Δθ）＝ErEl｛J2（ξ）cos2ωnｔ〕cosΔθ
＋J1（ξ）cosωnｔ・sinΔθ｝ となる。従つて、第１の同期検波器によりωnで
同期検波したときのDC成分は、 ErElJ1（ξ）sinΔθ …（19） となり、また、第２の同期検波器により2ωnで同
期検波したときのDC成分は、 ErElJ2（ξ）cosΔθ …（20） となる。ここで、J1（ξ）＝J2（ξ）となるように
ξを選び、上記した第１及び第２の変調器により
（19）式、（20）式の成分で互いに90゜位相をずら
せた角周波数ω1のキヤリアを変調し、更に、加
算器によりその和をとると、 ErElJ1（ξ）｛sinΔθcosω1n＋cosΔθ・sinω1t｝＝
ErElJ1（ξ）・sin（ω1t＋Δθ）…（21） となる。従つて、上記した位相比較器により式
（21）を基準位相と比較することにより、Δθを求
めることができる。すなわち、Δθすなわちサニ
ヤツク位相差に比例した出力が得られる。
実施例
以下添付図面を参照して本発明による光フアイ
バセンサの実施例を説明する。
バセンサの実施例を説明する。
第１図は、本発明を実施した位相変調方式光フ
アイバジヤイロの１実施例の構成を示した図であ
る。この位相変調方式光フアイバジヤイロは、光
フアイバジヤイロの基本的条件を備えた最小構成
を成している。なお、最小構成については、イゼ
キール エス、及びアーデイテイ エイチ．ジエ
ー．『光フアイバ回転センサ』スプリンガー−フ
エアラーク ベルリン（Ezekil S.and Arditty
H.J.“Fiber Optic Rotation Sensors”，
Springer−Verlag Berlin.）1982に詳しい説明が
ある。
アイバジヤイロの１実施例の構成を示した図であ
る。この位相変調方式光フアイバジヤイロは、光
フアイバジヤイロの基本的条件を備えた最小構成
を成している。なお、最小構成については、イゼ
キール エス、及びアーデイテイ エイチ．ジエ
ー．『光フアイバ回転センサ』スプリンガー−フ
エアラーク ベルリン（Ezekil S.and Arditty
H.J.“Fiber Optic Rotation Sensors”，
Springer−Verlag Berlin.）1982に詳しい説明が
ある。
図示の位相変調方式光フアイバジヤイロにおい
ては、発光素子３２のような光源が設けられ、電
源（不図示）により駆動されて、光ビームを発生
する。なお、光源としては、He−Neレーザ、半
導体レーザ、スーパールミネツセントダイオード
などが使用できる。その発光素子３２が発生する
光ビームは、直列に並んだハーフミラーのような
ビームスプリツタ３４，３６に送られる。ビーム
スプリツタ３４は、光を受光素子３８に分岐する
ためのものであり、また、ビームスプリツタ３６
は、光源３２からの光を２つに分岐して、光フア
イバ４０の両端に結合する。
ては、発光素子３２のような光源が設けられ、電
源（不図示）により駆動されて、光ビームを発生
する。なお、光源としては、He−Neレーザ、半
導体レーザ、スーパールミネツセントダイオード
などが使用できる。その発光素子３２が発生する
光ビームは、直列に並んだハーフミラーのような
ビームスプリツタ３４，３６に送られる。ビーム
スプリツタ３４は、光を受光素子３８に分岐する
ためのものであり、また、ビームスプリツタ３６
は、光源３２からの光を２つに分岐して、光フア
イバ４０の両端に結合する。
光フアイバ４０は、光フアバセンサを構成する
ように、多数回コイル状に巻かれてセンサコイル
４２と、位相変調器４４に結合された部分とから
なつている。
ように、多数回コイル状に巻かれてセンサコイル
４２と、位相変調器４４に結合された部分とから
なつている。
位相変調器４４は、例えば、圧電振動素子で構
成され、位相変調用の交流励振電源４６に接続さ
れ、角周波数ωnの正弦波の交流で駆動されるよ
うになされている。この場合は、光フアイバ４０
は、例えば圧電振動素子４４に巻き付けられる。
成され、位相変調用の交流励振電源４６に接続さ
れ、角周波数ωnの正弦波の交流で駆動されるよ
うになされている。この場合は、光フアイバ４０
は、例えば圧電振動素子４４に巻き付けられる。
光フアイバ４０を右回りと左回りとに伝搬した
光ビームは、光フアイバ４０の両端から出力され
て、ビームスプリツタ３６によりまとめられ、ビ
ームスプリツタ３４を介して、受光素子３８に入
射する。
光ビームは、光フアイバ４０の両端から出力され
て、ビームスプリツタ３６によりまとめられ、ビ
ームスプリツタ３４を介して、受光素子３８に入
射する。
その受光素子３８の電気出力は、角周波数ωn
及び2ωnの成分を通過するバンドパスフイルタ４
８を介して２つの同期検波器５０，５２の入力に
接続されている。一方の同期検波器５０は、上述
した圧電振動素子４４と同様に、位相変調用の交
流励振電源４６に接続され、角周波数ωnの交流
を受けるようになされている。そして、他方の同
期検波器５２は、位相変調用の交流励振電源４６
の出力を受けるに２倍の周波数逓倍器５４に接続
され、角周波数2ωnの交流を受けるようになされ
ている。
及び2ωnの成分を通過するバンドパスフイルタ４
８を介して２つの同期検波器５０，５２の入力に
接続されている。一方の同期検波器５０は、上述
した圧電振動素子４４と同様に、位相変調用の交
流励振電源４６に接続され、角周波数ωnの交流
を受けるようになされている。そして、他方の同
期検波器５２は、位相変調用の交流励振電源４６
の出力を受けるに２倍の周波数逓倍器５４に接続
され、角周波数2ωnの交流を受けるようになされ
ている。
それら同期検波器５０，５２の出力は、それぞ
れ変調器５６及び５８に入力される。それら変調
器の一方の変調器５６は、変振器６０から90゜移
相器６２を介して角周波数ω1の正弦波キヤリア
信号を受けて、同期検波器５０からの入力信号で
変調する。また、地方の変調器５８は、発振器６
０の出力をそのまま受けて、同期検波器５２から
の入力信号で角周波数ω1のキヤリアを変調する。
れ変調器５６及び５８に入力される。それら変調
器の一方の変調器５６は、変振器６０から90゜移
相器６２を介して角周波数ω1の正弦波キヤリア
信号を受けて、同期検波器５０からの入力信号で
変調する。また、地方の変調器５８は、発振器６
０の出力をそのまま受けて、同期検波器５２から
の入力信号で角周波数ω1のキヤリアを変調する。
そして、それら変調器５６及び５８の出力は、
アナログ加算器６４に入力され、その出力は、位
相比較器６６に入力される。その位相比較器６６
は、発振器６０から角周波数ω1を受けて入力と
比較して、位相差を表す信号を出力する。
アナログ加算器６４に入力され、その出力は、位
相比較器６６に入力される。その位相比較器６６
は、発振器６０から角周波数ω1を受けて入力と
比較して、位相差を表す信号を出力する。
以上のように構成される位相変調方式光フアイ
バジヤイロは、次のように動作する。
バジヤイロは、次のように動作する。
電源により駆動される発光素子３２からの光ビ
ームは、ビームスプリツタ３４を通過してビーム
スプリツタ３６で２つに分岐され光フアイバ４０
の両端に結合される。
ームは、ビームスプリツタ３４を通過してビーム
スプリツタ３６で２つに分岐され光フアイバ４０
の両端に結合される。
光フアイバ４０に入力された光ビームは、回転
を受けているセンサコイル４２の部分で位相差が
でき、また、交流励振電源４６からの角周波数
ωnの正弦波交流で駆動される圧電振動素子４６
に結合された部分において位相変調される。
を受けているセンサコイル４２の部分で位相差が
でき、また、交流励振電源４６からの角周波数
ωnの正弦波交流で駆動される圧電振動素子４６
に結合された部分において位相変調される。
そのように光フアイバ４０において位相差がで
き且つ位相変調された右回り光ビームと左回り光
ビームは、光フアイバ４０の両端から出力され
て、ビームスプリツタ３６により合成され、更
に、ビームスプリツタ３４を介して受光素子３８
に入射する。
き且つ位相変調された右回り光ビームと左回り光
ビームは、光フアイバ４０の両端から出力され
て、ビームスプリツタ３６により合成され、更
に、ビームスプリツタ３４を介して受光素子３８
に入射する。
その受光素子３８の出力は、バントパスフイル
タ４８で濾波されてωn及び2ωnの成分が出力さ
れ、更に、同期検波器５０及び５２においてωn
及び2ωnでそれぞれ同期検波され、上記した
（19）式及び（20）式で表わされる出力すなわち
sinΔθ及びcosΔθの成分がそれぞれ変調器５６及
び５８に出力される。
タ４８で濾波されてωn及び2ωnの成分が出力さ
れ、更に、同期検波器５０及び５２においてωn
及び2ωnでそれぞれ同期検波され、上記した
（19）式及び（20）式で表わされる出力すなわち
sinΔθ及びcosΔθの成分がそれぞれ変調器５６及
び５８に出力される。
変調器５６は、入力sinΔθ成分で、発振器６０
から移相器６２を介して90゜移相されて送られる
角周波数ω1のキヤリアを変調して、cosω1t・
sinΔθ成分の信号を出力する。また、変調器５８
は、入力cosΔθ成分で、発振器６０から送られる
角周波数ω1のキヤリアを変調して、sinω1t・
cosΔθ成分の信号を出力する。
から移相器６２を介して90゜移相されて送られる
角周波数ω1のキヤリアを変調して、cosω1t・
sinΔθ成分の信号を出力する。また、変調器５８
は、入力cosΔθ成分で、発振器６０から送られる
角周波数ω1のキヤリアを変調して、sinω1t・
cosΔθ成分の信号を出力する。
それら変調器５６，５８の出力を受ける加算器
６４は、入力信号を加算して、上記した（21）式
の演算を実施し、sin（ω1t＋Δθ）の成分の信号を
出力する。そして、その出力を受ける位相比較器
６６は、発振器６０から角周波数ω1を受けて、
その角周波数ω1を基準位相としてsin（ω1t＋Δθ）
を比較し、Δθを出力する。
６４は、入力信号を加算して、上記した（21）式
の演算を実施し、sin（ω1t＋Δθ）の成分の信号を
出力する。そして、その出力を受ける位相比較器
６６は、発振器６０から角周波数ω1を受けて、
その角周波数ω1を基準位相としてsin（ω1t＋Δθ）
を比較し、Δθを出力する。
従つて、Δθの形で出力を得ることができるの
で、ΔθをsinΔθに近似することなく、そのまま求
めることができる。従つて、ダイナミツクレンジ
は、ΔθをsinΔθを近似できる範囲に限定されず、
広い範囲を持つことができる。
で、ΔθをsinΔθに近似することなく、そのまま求
めることができる。従つて、ダイナミツクレンジ
は、ΔθをsinΔθを近似できる範囲に限定されず、
広い範囲を持つことができる。
発明の効果
以上の説明から明らかなように、本発明による
光フアイバジヤイロは、ΔθをsinΔθに近似するこ
となく、そのまま求めることができるので、Δθ
がsinΔθに近似できる範囲に制限させることな
く、広いダイナミツクレンジを有する。従つて、
本発明による光フアイバは、広い範囲にわたつて
活用することができる。
光フアイバジヤイロは、ΔθをsinΔθに近似するこ
となく、そのまま求めることができるので、Δθ
がsinΔθに近似できる範囲に制限させることな
く、広いダイナミツクレンジを有する。従つて、
本発明による光フアイバは、広い範囲にわたつて
活用することができる。
第１図は、本発明を実施した位相変調方式光フ
アイバジヤイロの光学系構成図であり、第２図
は、光フアイバジヤイロの原理を説明する基本構
成図であり、第３図は、位相変調方式光フアイバ
ジヤイロの原理を説明する基本構成図である。 〔主な参照番号〕、１０……発光素子、１２…
…ビームスプリツタ、１４，１６……結合レン
ズ、１８……光フアイバ、２０……センサコイ
ル、２２……位相変調素子、２６……受光素子、
３０……位相変調器、３２……光源、３４，３６
……ビームスプリツタ、３８……受光素子、４０
……光フアイバ、４２……センサコイル、４４…
…圧電振動素子、４６……正弦波交流励振電源、
４８……バンドパスフイルタ、５０，５２……同
期検波器、５４……周波数逓倍器、５６，５８…
…変調器、６０……発振器、６２……移相器、６
４……加算器、６６……位相比較器。
アイバジヤイロの光学系構成図であり、第２図
は、光フアイバジヤイロの原理を説明する基本構
成図であり、第３図は、位相変調方式光フアイバ
ジヤイロの原理を説明する基本構成図である。 〔主な参照番号〕、１０……発光素子、１２…
…ビームスプリツタ、１４，１６……結合レン
ズ、１８……光フアイバ、２０……センサコイ
ル、２２……位相変調素子、２６……受光素子、
３０……位相変調器、３２……光源、３４，３６
……ビームスプリツタ、３８……受光素子、４０
……光フアイバ、４２……センサコイル、４４…
…圧電振動素子、４６……正弦波交流励振電源、
４８……バンドパスフイルタ、５０，５２……同
期検波器、５４……周波数逓倍器、５６，５８…
…変調器、６０……発振器、６２……移相器、６
４……加算器、６６……位相比較器。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 発光素子と、多数回コイル状に巻回されたセ
ンサコイル部分に含み且つ前記発光素子からの光
が分岐されて両端に結合され該センサコイルを両
方向に伝搬した光を両端から出力する光フアイバ
と、該光フアイバを伝搬した両回り光を受ける受
光素子とを具備し、前記センサコイルが回転した
ときに生ずる両回り光間の位相差から回転角速度
を測定する光フアイバジヤイロにおいて、前記セ
ンサコイルの一端付近に設けた光の位相変調器
と、該位相変調器を第１の角周波数で励振する第
１の発振器と、前記受光素子の出力を受けて前記
第１角周波数と同じ周波数成分及びその２倍の周
波数成分を取り出す第１及び第２の同期検波器
と、それら第１及び第２の同期検波器の出力をそ
れぞれ変調信号として受けて、互いに90゜位相の
異なる第２の角周波数の信号を被変調信号として
電気的に振幅変調する第１及び第２の変調器と、
それら第１及び第２の変調器の出力を加算する加
算器と、該加算器の出力を前記第２の角周波数を
基準位相として比較して、回転角速度に比例する
右回り光と左回り光の間の位相差を出力する位相
比較器とを具備していることを特徴とする光フア
イバジヤイロ。 ２ 前記第１及び第２の角周波数は、正弦波であ
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
光フアイバジヤロ。 ３ 前記第１の同期検波器は、前記第１の発振器
の出力を受けて前記受光素子の出力を同期検波
し、前記第２の同期検波器は、前記第１の発振器
の出力を２倍の周波数逓倍器を介して受けて前記
受光素子の出力を同期検波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項記載の光フア
イバジヤイロ。 ４ 前記受光素子の出力は、前記第１角周波数と
同じ周波数成分及びその２倍の周波数成分とを通
過するバンドパスフイルタを介して、前記第１及
び第２の同期検波器に入力されることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項から第３項までのいずれ
か１項に記載の光フアイバジヤイロ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22031985A JPS6280512A (ja) | 1985-10-04 | 1985-10-04 | 光フアイバジヤイロ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22031985A JPS6280512A (ja) | 1985-10-04 | 1985-10-04 | 光フアイバジヤイロ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6280512A JPS6280512A (ja) | 1987-04-14 |
| JPH0352005B2 true JPH0352005B2 (ja) | 1991-08-08 |
Family
ID=16749276
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22031985A Granted JPS6280512A (ja) | 1985-10-04 | 1985-10-04 | 光フアイバジヤイロ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6280512A (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5202747A (en) * | 1991-07-26 | 1993-04-13 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Fiber optic gyroscope with wide dynamic range analog phase tracker |
| US5189487A (en) * | 1991-11-21 | 1993-02-23 | Litton Systems, Inc. | Multioscillator ring laser gyroscope local oscillator-based output optics detection system |
| JPH06307875A (ja) * | 1993-02-24 | 1994-11-04 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 信号検出方法及び位相変調度変動の検出方法 |
-
1985
- 1985-10-04 JP JP22031985A patent/JPS6280512A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6280512A (ja) | 1987-04-14 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |