JPH0377445B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (ア) 技術分野 本発明は、物体の回転速度、回転変位を精度良
く測定するための光フアイバジヤイロに関する。
低回転速度であつても検出感度が良く、回転方向
を判別でき、しかも、雑音の影響を受けることが
少い。

(イ) 従来技術 第３図に光フアイバジヤイロの原理図を示す。

発光素子１から出た光は、ビームスプリツタ２
で、透過光と反射光に分けられ、それぞれ、レン
ズ３，４によつて絞られ、シングルモード光フア
イバループ５の両端に入射する。

光フアイバループ５は、光フアイバを多数回コ
イル状に巻回したものである。それぞれの光は、
光フアイバループ５の中を、時計廻り（CW）
に、或は反時計廻り（CCW）に透過する。

透過した光は、光フアイバループ５の他端から
出射し、レンズ４，３を通つて、平行光となり、
ビームスプリツタ２で再び合一し、受光素子６に
入射する。

光フアイバループ５が角速度Ωで回転すると、
時計廻り光と反時計廻り光の伝搬時間に差が生
じ、その結果、位相差△θが現われる。時計廻
り、反時計廻り光の位相差△θは、 △θ＝4πLaΩ／Cλ (1) で与えられる。Ｌは光フアイバループの長さ、ａ
は光フアイバループの半径、ｃは光速、λは光の
波長である。発光素子１はレーザ、スーパールミ
ネツセントダイオードなどが用いられる。

このような効果をSagnac効果という。

ふたつの光線が、位相差△θを持つて、ひとつ
の受光素子に入射するから、受光素子の出力Ｉ
（△θ）は、 Ｉ（△θ）＝Ａ＋Ｂ cos△θ (2) で表わされる。Ａ，Ｂは時計廻り光、反時計廻り
光の振幅によつて決まる定数である。

出力Ｉがcos△θの函数であるから、Ｉを測定
して、光フアイバループの回転角速度Ωを求める
事ができる。

以上が、光フアイバジヤイロの原理である。

しかし、このような光フアイバジヤイロには、
いくつかの欠点がある。

ひとつは、cos△θの形で△θを検出するため、
△θが０に近い時、Ｉ（△θ）の変化分が小さい。
このため、低回転域での検出感度が悪い、という
ことである。

さらに、cos△θは、位相差△θに関し偶函数
であるため、△θの正負を弁別することができな
い、という欠点がある。つまり、回転方向が分ら
ないのである。

今ひとつは、受光素子の出力Ｉ（△θ）は直流
分であるから、発光素子、受光素子のドリフトの
影響を受けやすい、ということである。受光素子
の暗電流、その他の雑音の影響を遮断することも
難しい。このため、回転速度の正確な評価が困難
であつた。

このような光フアイバジヤイロの欠点を克服す
るため、多様な改良がなされている。

たとえば、低回転域での感度を上げるために
は、時計廻り光と反時計廻り光の光路を一部分離
し、一方の光路に1/4波長の移相器を挿入した光
フアイバジヤイロがある。移相器によつて、一方
の光の位相を1/4波長分、つまり90゜分ずらすの
で、受光素子の出力は、sin（△θ）に比例する部
分を含むようになる。

このようにすれば、△θの小さい時にも、角速
度Ωを正確に測定できる。さらに、△θの正負を
知る事ができるので、回転方向を判別することも
できる。

このように、一方の光の位相を定まつた量だけ
ずらすようにした光フアイバジヤイロは、前記２
つの欠点を解決できる。しかし、直流レベルの測
定である、という点に変化はなく、暗電流やドリ
フトの影響を排除する事ができない。

さらに、時計廻り光と反時計廻り光の光路を分
離するから、両者の光の光路長を厳密に、同一に
する事は難しい。

このような欠点を解決するため、一方の光を、
音響光学素子、電気光学素子よりなる変調器で変
調した光フアイバジヤイロも提案されている。

一方の光を変調すると、受光素子の出力には、
変調分が含まれるので、位相差△θを、交流信号
から求めることができる。こうすれば、直流成分
測定に伴う、ドリフト、暗電流、温度変化などの
要因を除くことができる。

第４図はこのように改良された従来例に係る光
フアイバジヤイロの構成図である。

ビームスプリツタ１３，１４，１５が追加さ
れ、ビームスプリツタ２と合わせて、正方形をな
すよう配置される。ビームスプリツタ１４，１５
の延長上に受光素子６が設けられ、いずれかのビ
ームスプリツタ１３，１４と、１５の間に変調器
７が置かれる。

光フアイバループ５を時計廻り、或は反時計廻
りに伝搬した光は、ビームスプリツタ１３，１４
で反射し、ビームスプリツタ１５で合体して、干
渉光が受光素子６に入射する。

変調器７が例えば角周波数ω_nで振動する音響
光学変調器であるとすれば、一方の光の角周波数
は（ω＋ω_n）になる。従つて、干渉光の振幅の
二乗を出力する受光素子６の検出強度Ｉは位相差
△θを、cos（ω_nｔ＋△θ）の形で含むようにな
る。変調器７に与える変調信号と、受光素子の出
力信号との位相差が△θであるから、これによつ
て、回転角速度Ωを知る事ができる。

これは、直流レベルの測定ではないので、発光
素子、受光素子のドリフト、暗電流などの要素が
全く入つてこない。△θが小さい時でも正確に測
定できるし、△θの正、負も判別できる。

このように、変調器を使うものは、大きいメリ
ツトがある。しかしながら、固有の新しい難点が
現われた。

それは、光路を分離している、という事であ
る。時計廻り光、反時計廻り光の光路は、４枚の
ビームスプリツタ２，１３，１４，１５の間で、
分離される。このため、光路長を厳密に一致させ
るのが難しい。

光路を分離することなく、一方の光にだけ変調
をかけるようにするのが最も優れている。本発明
は、このような目的を達成するためのものであ
る。

(ウ) 本発明の光フアイバジヤイロ 本発明の光フアイバジヤイロは、光路は同一で
ありながら、一方の光だけを変調するようにした
ものである。このため、ビームスプリツタとフア
イバループの間に音響光学変調器を設け、さら
に、発光素子とビームスプリツタの間にデユーテ
イが1/2のパルス変調器を設けて、両者を同期さ
せるようにした。パルス変調器の繰返し周期は、
光フアイバループを光が通過するのに要する時間
τの２倍を、奇数で除した値に等しくする。

このようにすれば、光路を同一にしつつ、一方
の光だけを変調することができる。

本発明でパルス変調器というのは、パルス的に
光を通過し、或は遮断する、という機能を持つた
装置のことである。

機械的な機構でも、電気光学的な機構でも良
い。発光素子１がガスレーザのように、一定出力
で発振するものであれば、パルス変調器を別に設
けなければならない。しかし、発光素子１が、半
導体レーザ、スーパルミネツセントダイオードの
ように、直接変調可能なものであれば、駆動電流
をパルス状にオン、オフするようにする。発光素
子１の前方に、別体のパルス変調器を設ける必要
がない。

以下、実施例を示す図面によつて説明する。

第１図は本発明の光フアイバジヤイロの実施例
構成図である。

発光素子１から出た光は、パルス変調器８を通
つて、ビームスプリツタ２に入射する。一部の光
はビームスプリツタ２を透過し音響光学変調器７
を通過し、レンズ３で絞られて、光フアイバルー
プ５の一端に入射する。

他方の光はビームスプリツタ２によつて反射さ
れ、レンズ４で絞られて光フアイバループ５の他
端に入射する。

前者の光は、単一モード光フアイバループ５を
時計廻りに通過し、他端から出射して、レンズ
４、ビームスプリツタ２を経て、受光素子６に入
射する。

後者の光は、光フアイバループ５を反時計廻り
に通過し、レンズ３、音響光学変調器７を通り、
ビームスプリツタ２で反射されて、受光素子６に
入射する。

時計廻り光と反時計廻り光のいずれか一方が、
音響光学変調器７によつて変調を受けるようにす
る。

このため、光が光フアイバループ５を通過する
に要する時間をτとして、音響光学変調器の駆動
信号をデユーテイが1/2のパルス状に与える事と
する。つまり、時刻ｔのとき、変調器がオンであ
れば、時刻（ｔ＋τ）のとき、変調器はオフであ
るようにする。変調器の駆動信号のデユーテイを
１／２以下にすることもできる。しかしこの場合で
も、ｔと（ｔ＋τ）の２時刻について、上記の条
件は満足されなければならない。

光フアイバ通過時間をτとすると、 τ＝Ｌ／ｃ (3) である。ここで、Ｌは光フアイバループの長さ、
ｃは光フアイバ中での光速である。

変調器７の駆動信号は、デユーテイが1/2又は
それ以下であり、ランダムに与える事も可能であ
るが、規則的に発生させる事もできる。規則的な
パルスであるとすれば、その繰返し周期T_oは T_o＝2τ／2n−１ (4) である事が分る。ｎは自然数である。

これは、τごとに音響光学変調器７の駆動状態
が必らず反転していなければならない、という条
件から容易に導かれる。

さらに、パルス変調器８はオンの時に、光を通
し、オフの時に光を遮断するものとし、オン，オ
フの時間は等しい。つまりデユーテイが1/2で、
パルス的に光を通過、遮断するものである。

しかも、パルス変調器８と、音響光学変調器７
とは同期しているのが望ましい。

第２図は、横軸を時間ｔとし、縦軸にパルス変
調器ａと、音響光学変調器ｂの波形を示した図で
ある。

この例では、パルス変調器のオンの時間と、オ
フの時間はτとなつている。先程説明したよう
に、この値はτを、奇数（2n−１）で除したも
のに置換えることもできる。

パルス変調器がオンの時だけ、音響光学変調器
を駆動し、光を変調する。しかも、好ましくはパ
ルス変調器がオンになる瞬間の、音響光学変調器
の変調信号の位相（初期位相）は常に同一であ
る。そうではなく、初期位相が常に同一でない場
合でも初期位相φは変調信号と受光素子の出力信
号との両方に含まれるから、両者の位相差を検出
する時、φは消えてしまう。

このようにすると、時計廻り光（CW）は、パ
ルス変調器８がオンの時に音響光学変調器７もオ
ンであるので、音響光学変調器７によつて、変調
を受ける。その振動は、 sin｛（ω＋ω_n）ｔ−△θ／２｝ (5) で示される。ω_nは変調角周波数で、△θは(1)式
で示される位相差である。ωは光の角周波数であ
る。

これに反して、反時計廻り光（CCW）は、パ
ルス変調器８がオンの間、光フアイバループ５に
入射し続けるが、光フアイバループ５を通過する
のにτ時間を要する。τ時間後に、音響光学変調
器７は必ずオフになつているから、反時計廻り光
（CCW）は音響光学変調を受けない。したがつて
その振動は、 sin（ω_t＋△θ／２） (6) で表わす事ができる。

先に述べた、パルス変調器と、音響光学変調器
とが同期し、パルス変調器がオンになる瞬間の初
期位相が同一であるという条件だけでは、一般に
(5)式に、初期位相φが含まれる。(5)式は初期位相
φ＝０という特別な例である。

さて、受光素子６では、時計廻り光と反時計廻
り光の和の二乗を検出するので、検出信号の中に
は、 Ｉ（△θ）＝cos（ω_nｔ−△θ） (7) という成分が含まれる。これは、ω_nで振動する
成分である。これ以外にω_nで振動する成分はな
く、残りは直流成分である。

ω_nは音響光学変調器７の変調角周波数である
から、音響光学変調器７の駆動信号と位相を比較
して、△θを容易に求めることができる。初期位
相φが０でない場合でも、初期位相がランダムで
あつても、両者の位相差を求めると、初期位相φ
は消えてしまうので差支えない。△θから角速度
Ωを求めることができる。

以上に説明した例では、パルス変調器がオンの
時のみ、音響光学変調器を駆動するようにした。

しかし、これは逆にしても差支えない。第２図
ｃに示すようにする。これは、光フアイバから出
射した反時計廻り光を変調するようにしている。

このようにすると、時計廻り光（CW）は音響
光学変調器による変調を受けず、反時計廻り光
（CCW）は必ず変調されることになる。

つまり、時計廻り光の振動が sin（ω_t−△θ／２） (8) 時計廻り光の振動が sin｛（ω＋ω_n）ｔ＋△θ／２｝ (9) となり、受光素子６の出力のω_n成分は Ｉ（△θ）＝cos（ω_nｔ＋△θ） (10) となる。

(7)式及び(10)式に示される結果は、受光素子６に
光が入射する間だけのものである。これは、パル
ス変調器８のデユーテイが1/2であるので、同様
に1/2の時間間隔の内だけ(7)，(10)式がなりたつ、
残りの1/2は光が入らず、受光素子の出力は０で
ある。デユーテイが1/2以下であつてもよい。そ
の場合でも(7)，(10)式はデユーテイ期間内で成立す
る。光の入らない期間は1/2以上になる。

第２図の例のように、τごとにパルス変調器を
オン，オフしてゆくものであれば、受光素子６に
出力が現われるのは、パルス変調器８がオフの期
間である。第２図ｄに受光素子のヘテロダイン検
波出力を示す。位相差△θは、音響光学変調器７
の波形と比較して求められる。

ｃとｄは時間遅れがないので、音響光学変調器
７と受光素子出力の位相差△θを直接求める。

ｂとｄの場合は、ｂの音響光学変調器の波形
を、τだけ遅延させたものと、ｄとを比較し、位
相差△θを求める。

(エ) 効果 本発明は、光フアイバジヤイロに於て、時計廻
り光、反時計廻り光の光路は同一としながら、一
方の光だけを変調し、受光素子に於て両者の光の
和の二乗に当る出力を得、この出力から変調周波
数成分を取出し、音響光学変調器の変調波形との
位相差を求めることとしている。このため、次の
効果がある。

回転体の角速度Ωに対して、リニアな出力が得
られ、原理的には無限のダイナミツクレンジが実
現できる。cos△θを求めるのではなく、cos（ω_n
ｔ−△θ）とcosω_nｔとを比較して、位相差△θ
を求めるからである。

また、△θを直接知るので、△θの正負を判別
できるから、回転方向を判定できる。

ω_nの周波数の信号を処理するので、直流雑音
の影響を遮断することができる。

光路を分離していないので、光学系の調整の困
難がない。また、光源のスペクトル変動による出
力のドリフトがない。

このように有用な発明である。

(オ) 用途 本発明の光フアイバジヤイロは、ロボツト、航
空機、船舶などの慣性航法、姿勢制御など、広い
用途を持つている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光フアイバジヤイロの光学系
構成図。第２図は横軸に時間、縦軸に変調波形を
示す波形図で、ａはパルス変調器の波形、ｂは音
響光学変調器弐波形で光フアイバループに入射す
る前の光を変調する場合、ｃは音響光学変調器の
波形で、光フアイバループから出射した後の光を
変調する場合、ｄは受光素子のヘテロダイン検波
出力の波形を示す。第３図は光フアイバジヤイロ
の基本構成図。第４図は光路を分離し音響光学変
調器を用いた従来例に係る光フアイバジヤイロの
光学系構成図。 １…発光素子、２…ビームスプリツタ、３，４
…レンズ、５…光フアイバループ、６…受光素
子、７…音響光学変調器、８…パルス変調器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 単色光を生ずる発光素子１と、発光素子１か
   らの光を二分するビームスプリツタ２と、発光素
   子１の光を1/2又はそれ以下のデユーテイで通過、
   遮断するパルス変調器８と、ビームスプリツタ２
   で分けられた二本の光を時計廻り或は反時計廻り
   に伝搬させる単一モード光フアイバを多数回巻回
   した光フアイバループ５と、ビームスプリツタ２
   と光フアイバループ５の一端との間に設けられる
   音響光学変調器７と、ビームスプリツタ２で合一
   した時計廻り光、反時計廻り光の光強度を検出す
   る受光素子６とより成り、パルス変調器８と音響
   光学変調器７とは、光が光フアイバループ中を通
   過する時間をτとして、繰返し周期2τ／（2n−
   １）で互に同期してオン、オフ駆動し、受光素子
   ６で検知したビート信号と音響光学変調器７の変
   調信号との位相差を検出して、光フアイバループ
   を通過する時計廻り、反時計廻り光の位相差を求
   めるようにした事を特徴とする光フアイバジヤイ
   ロ。