JPH0469731B2 - - Google Patents
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- JPH0469731B2 JPH0469731B2 JP5487686A JP5487686A JPH0469731B2 JP H0469731 B2 JPH0469731 B2 JP H0469731B2 JP 5487686 A JP5487686 A JP 5487686A JP 5487686 A JP5487686 A JP 5487686A JP H0469731 B2 JPH0469731 B2 JP H0469731B2
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- light
- optical fiber
- phase
- phase modulator
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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、スケールフアクタが
安定し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、スケールフアクタが
安定し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、航空機、飛翔体、自動車、ロボツトなど
のナビゲーシヨンや姿勢制御のための角速度セン
サとしてジヤイロが使用されるている。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。
のナビゲーシヨンや姿勢制御のための角速度セン
サとしてジヤイロが使用されるている。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、可側範囲（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、可側範囲（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 カンタム 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.
４、pp626−662（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（Culshawand
I.P.Giles“Fiber Optic Gyroscops”J.Phys.E：
Sci Instrum）16 pp5−15、（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６図
を参照して説明する。
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 カンタム 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.
４、pp626−662（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（Culshawand
I.P.Giles“Fiber Optic Gyroscops”J.Phys.E：
Sci Instrum）16 pp5−15、（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６図
を参照して説明する。
発光素子１０からの光をビームスプリツタ１
２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。
２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：サン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。
幅 ω：光の角周波数 ｔ：時間 Δθ：サン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。
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
近い時の感度が悪く、回転方向が判別できない
という欠点がある。
近い時の感度が悪く、回転方向が判別できない
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、 Ｉ∝｛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、 Ｉ∝｛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
ように静的な光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。
ように静的な光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７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、これぞれ、
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７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、これぞれ、
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、位相変調気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＋2hsin（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
項としう意味である。なお、これは検出器にはか
からないので０である。
項としう意味である。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され
る位相差φがあるので、Δθを、変調信号の振幅
に関係づけて得ることができる。
る位相差φがあるので、Δθを、変調信号の振幅
に関係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。
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）｝ −sinΔθsn｛2bsinφ／２cos（ωnｔ＋φ／２）｝…
…(10) 一方、ベツセル函数の母函数展開から、 ex/2(t-1/t)＝∞ 〓n=-∞ Jo(x)tn ……(11) 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＝2b sinφ／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。
ωnｔ＋φ／２）｝ −sinΔθsn｛2bsinφ／２cos（ωnｔ＋φ／２）｝…
…(10) 一方、ベツセル函数の母函数展開から、 ex/2(t-1/t)＝∞ 〓n=-∞ Jo(x)tn ……(11) 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＝2b sinφ／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)′ ＝DC成分＋2ErELJ1（ξ）cosωnｔ・sinΔθ−2ErELJ
2（ξ）cos2ωnｔ・cosΔθ＋高次成分……(10)″ 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。
）＋ErELJ0（ξ）cosΔθ ＋ErEL２∞ 〓n=1 （−１）nJ2o（ξ）cos2nωnｔ・cosΔθ ＋ErEL２∞ 〓 〓n=0 （−１）nJ2o+1（ξ）cos（2n＋１）ωnｔ・sinΔθ
……(10)′ ＝DC成分＋2ErELJ1（ξ）cosωnｔ・sinΔθ−2ErELJ
2（ξ）cos2ωnｔ・cosΔθ＋高次成分……(10)″ 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
意の次数の高調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。
意の次数の高調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(20)″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。
項（ｎ＝０）すなわち(20)″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。
更に、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。
基本構成である。
発明が解決しようとする問題点
上記した(18)式を見て分かるように、右回り光、
左回り光の振波Er、ELが、受光素子出力の基本
波成分Ｐの振幅の中に含まれる。また、J1（ξ）
という係数もある。
左回り光の振波Er、ELが、受光素子出力の基本
波成分Ｐの振幅の中に含まれる。また、J1（ξ）
という係数もある。
このような出力から、Δθを正確に求めるため
には、Er、ELJ1（ξ）の値が安定していなければ
ならない。
には、Er、ELJ1（ξ）の値が安定していなければ
ならない。
しかしながら、これらEr、EL、J1（ξ）の値は
変動する。特に、光の振幅Er、ELは変動し易い。
Er、ELは、光源の出力の変動、光路差を除去す
るために挿入する偏光子を通過する光量の変動、
光学系の位置ずれなどによつて簡単に変化してし
まう。
変動する。特に、光の振幅Er、ELは変動し易い。
Er、ELは、光源の出力の変動、光路差を除去す
るために挿入する偏光子を通過する光量の変動、
光学系の位置ずれなどによつて簡単に変化してし
まう。
また、たとえ、フアイバに入射するときの偏波
方向を定めておいても、フアイバ中を伝搬する内
に温度、圧力、歪等の影響で偏波状態が変動し、
出射光の偏波は一定でない。
方向を定めておいても、フアイバ中を伝搬する内
に温度、圧力、歪等の影響で偏波状態が変動し、
出射光の偏波は一定でない。
この結果、受光素子に対する光の振幅Er、EL
が変動することになる。
が変動することになる。
このようなスケールフアクタの変動の他に、
ΔθをsinΔθの形で検出することから、高速域での
リニアリテイが悪く、Δθがπ／２の範囲しか検
出できないので、ダイナミツクレンジを広くとる
ことは難しい等の問題もある。
ΔθをsinΔθの形で検出することから、高速域での
リニアリテイが悪く、Δθがπ／２の範囲しか検
出できないので、ダイナミツクレンジを広くとる
ことは難しい等の問題もある。
そこで、本発明は、スケールフアクタが上記し
たEr、ELに依存せず、且つ、光フアイバジヤイ
ロの特徴である高性能という性質を損なうことな
く、リニアリテイを改善すると共に、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。
たEr、ELに依存せず、且つ、光フアイバジヤイ
ロの特徴である高性能という性質を損なうことな
く、リニアリテイを改善すると共に、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、第１図に示す
ように、発光素子１０と、多数回コイル状に巻回
されたセンサコイル部分２０を含み且つ前記発光
素子１０からの光がビームスプリツタ２８で分岐
されて両端に結合され該センサコイル２０を両方
向に伝搬した光を両端から出力する光フアイバ１
８と、該光フアイバ１８を伝搬した両回り光を受
ける受光素子２６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られ三角
波３２で駆動される位相変調器３０と、前記受光
素子の出力を受けて三角波の１周期中での、右回
りと左回り光の間の位相差が正である時間と負で
ある時間の差から、回転角速度を検出する検出器
３４とを具備することを特徴とする光フアイバジ
ヤイロが提供される。
ように、発光素子１０と、多数回コイル状に巻回
されたセンサコイル部分２０を含み且つ前記発光
素子１０からの光がビームスプリツタ２８で分岐
されて両端に結合され該センサコイル２０を両方
向に伝搬した光を両端から出力する光フアイバ１
８と、該光フアイバ１８を伝搬した両回り光を受
ける受光素子２６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られ三角
波３２で駆動される位相変調器３０と、前記受光
素子の出力を受けて三角波の１周期中での、右回
りと左回り光の間の位相差が正である時間と負で
ある時間の差から、回転角速度を検出する検出器
３４とを具備することを特徴とする光フアイバジ
ヤイロが提供される。
作 用
以上のような構成において、変調三角波の周期
をＴとし、その変調信号のピーク値がφnaxである
とする。フアイバコイルが静止しているとき、右
回り光（以下CW光と略す）と、左回り光（以下
CCW光と略す）が、この位相変調器を通過する
のには、第２図ａに示すように、フアイバコイル
を光が伝搬する時間τ（＝nL／ｃ）だけの差がで
きる。この結果、CW光とCCW光との間には、
第２図ｂのように、周期Ｔでくり返される位相差
が生まれる。フアイバコイルが静止しているとき
は、CW光がCCW光より、位相が進んでいる時
間T1と、逆に位相が遅れている時間T2は等しい。
ところが、フアイバコイルが回転すると、サニヤ
ツクの位相差Δθが生じ、第３図に示すように、
Δθ分だけ零レベルがシフトし、T1とT2に差が生
じる。
をＴとし、その変調信号のピーク値がφnaxである
とする。フアイバコイルが静止しているとき、右
回り光（以下CW光と略す）と、左回り光（以下
CCW光と略す）が、この位相変調器を通過する
のには、第２図ａに示すように、フアイバコイル
を光が伝搬する時間τ（＝nL／ｃ）だけの差がで
きる。この結果、CW光とCCW光との間には、
第２図ｂのように、周期Ｔでくり返される位相差
が生まれる。フアイバコイルが静止しているとき
は、CW光がCCW光より、位相が進んでいる時
間T1と、逆に位相が遅れている時間T2は等しい。
ところが、フアイバコイルが回転すると、サニヤ
ツクの位相差Δθが生じ、第３図に示すように、
Δθ分だけ零レベルがシフトし、T1とT2に差が生
じる。
そのとき、T1と及びT2は、それぞれ、
T1＝Ｔ／２＋Ｔ／φnaxΔθ、
T2＝Ｔ／２−Ｔ／φnaxΔθ、
で表され、T1とT2の差ΔθTを計れば
ΔT＝2T／φnaxΔθ ……(19)
として、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。その場合のスケールフアクタ
はφnaxにのみ依存し、光量の変化等の影響は受け
ない。
た出力が得られる。その場合のスケールフアクタ
はφnaxにのみ依存し、光量の変化等の影響は受け
ない。
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４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（EzekilS.and Arditty H.J.
“Fiber Optic Rotation Sensors”、Springer−
VerlagBerlin.）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（EzekilS.and Arditty H.J.
“Fiber Optic Rotation Sensors”、Springer−
VerlagBerlin.）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３６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３６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３６Ａ，３６Ｂに送られる。ビ
ームスプリツタ３６Ａ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３６Ｂは、光源３６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３６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３６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３６Ａ，３６Ｂに送られる。ビ
ームスプリツタ３６Ａ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３６Ｂは、光源３６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、光フアイバセンサを構成す
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。
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、三角波で位相変調するため
のものである。しかし、三角波での位相変調は、
圧電振動子の共振を利用する方法では実現困難で
ある。このため、LiNbO3等の電気光学結晶を使
つた方式が有効であると考えられる。変調効率の
点から、導波型素子にすることが望ましい。例え
ば、第５図に示すように、LiNbO3基板５０の表
面に光導波路５２を設け、その光導波路５２を挟
むように電極５４及び５６を埋め込んで構成され
る。この場合、光導波路５２が光フアイバ４０の
一方の端に挿入され、電極５４及び５６の間に、
三角波発生器４８Ａ，４８Ｂ、……４８Ｎから選
択スイツチ４６を介して供給される周期Ｔの三角
波の変調電圧が印加される。
のものである。しかし、三角波での位相変調は、
圧電振動子の共振を利用する方法では実現困難で
ある。このため、LiNbO3等の電気光学結晶を使
つた方式が有効であると考えられる。変調効率の
点から、導波型素子にすることが望ましい。例え
ば、第５図に示すように、LiNbO3基板５０の表
面に光導波路５２を設け、その光導波路５２を挟
むように電極５４及び５６を埋め込んで構成され
る。この場合、光導波路５２が光フアイバ４０の
一方の端に挿入され、電極５４及び５６の間に、
三角波発生器４８Ａ，４８Ｂ、……４８Ｎから選
択スイツチ４６を介して供給される周期Ｔの三角
波の変調電圧が印加される。
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３６Ｂによりまとめられ、
ビームスプリツタ３６Ａ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３６Ｂによりまとめられ、
ビームスプリツタ３６Ａを介して、受光素子３８
に入射する。
その受光素子の電気出力は、位相差零クロス検
出器５８の入力に接続されている。この位相差零
クロス検出器５８の出力は、信号処理器６０に入
力されると共に、選択スイツチ４６にも供給され
て、最適の周期Ｔを有する三角波信号が位相変調
器４４に供給されるようにされる。
出器５８の入力に接続されている。この位相差零
クロス検出器５８の出力は、信号処理器６０に入
力されると共に、選択スイツチ４６にも供給され
て、最適の周期Ｔを有する三角波信号が位相変調
器４４に供給されるようにされる。
以上のように方式を採用する理由は、この方式
のダイナミツクレンジの上・下限がそれぞれ、次
のように決定されるからである。
のダイナミツクレンジの上・下限がそれぞれ、次
のように決定されるからである。
最大検出角速度は、T1とT2の時間差の最大値
によつて決まり、｜T2−T1｜＜2τを満足しなけれ
ばならない。
によつて決まり、｜T2−T1｜＜2τを満足しなけれ
ばならない。
いま、フアイバ長を200ｍとすると、
τ＝nL／ｃ＝１×10-6（sec）
Δθnax＝φnax／Ｔ×２×10-6 ……(20)
一方、最小検出角速度は、T1とT2の時間差を
計測する精度によつてきまり、一般に、 ｜T2−T1｜＞20nsecである。従つて、 Δθmin＝φnax／Ｔ×20×10-3 ……（21） となる。φnax、Ｔが一定であれば、(20)、（21）式
より２桁のダイナミツクレンジに限定される。
計測する精度によつてきまり、一般に、 ｜T2−T1｜＞20nsecである。従つて、 Δθmin＝φnax／Ｔ×20×10-3 ……（21） となる。φnax、Ｔが一定であれば、(20)、（21）式
より２桁のダイナミツクレンジに限定される。
サニヤツク位相差Δθは、
Δθ＝4πLa／cλΩ
であるので、例えば、Ｌ＝200（ｍ）、
ａ＝25×10-5（ｍ）、λ＝0.83×10-6（ｍ）として、
１×10-4（deg／sec）＜Ω＜300（deg／sec）のダイ
ナミツクレンジで検出するためには、 Δθ＝0.25Ωとすると、 2.5×10-5（deg）＜Δθ＜75（deg）となり、 φnax＝50（deg）として、Ｔを可変すると、ダイ
ナミツクレンジは広がり、上限は、(20)式より 75＜50／Ｔ×２×10-6 すなわち、Ｔ＜1.4×10-6（sec）となり、 下限は（21）式より 2.5×10-5＞50／Ｔ×２×10-9 すなわち、Ｔ＞0.04（sec）となる。
１×10-4（deg／sec）＜Ω＜300（deg／sec）のダイ
ナミツクレンジで検出するためには、 Δθ＝0.25Ωとすると、 2.5×10-5（deg）＜Δθ＜75（deg）となり、 φnax＝50（deg）として、Ｔを可変すると、ダイ
ナミツクレンジは広がり、上限は、(20)式より 75＜50／Ｔ×２×10-6 すなわち、Ｔ＜1.4×10-6（sec）となり、 下限は（21）式より 2.5×10-5＞50／Ｔ×２×10-9 すなわち、Ｔ＞0.04（sec）となる。
そこで、例えば三角波の周波数を
100Hz＞ｆ＞1MHzの間で可変とすれば、１×4-4
（deg／sec）〜300（deg／sec）を検出は可能であ
る。すなわち、第４図に示すように、入力角速度
のレベルを検出し、そのレベルに応じた、周波数
に位相変調周波数を切り換えることによつてダイ
ナミツクレンジを拡大することができる。
（deg／sec）〜300（deg／sec）を検出は可能であ
る。すなわち、第４図に示すように、入力角速度
のレベルを検出し、そのレベルに応じた、周波数
に位相変調周波数を切り換えることによつてダイ
ナミツクレンジを拡大することができる。
また、現実には、両回り光間の位相差φに対し
て、CW光とCCW光の干渉の結果、受光素子の
出力は、 Ｉ（φ）＝cosφ となるため、φの零クロスは、検出が容易ではな
い。このために、公知の方式であるCW光と
CCW光の間に一定周波数で正弦波状の位相バイ
アスを与え、sinφの形にして、検出する方が高精
度が期待される。
て、CW光とCCW光の干渉の結果、受光素子の
出力は、 Ｉ（φ）＝cosφ となるため、φの零クロスは、検出が容易ではな
い。このために、公知の方式であるCW光と
CCW光の間に一定周波数で正弦波状の位相バイ
アスを与え、sinφの形にして、検出する方が高精
度が期待される。
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３６からの光ビ
ームは、ビームスプリツタ３６Ａを通過してビー
ムスプリツタ３６Ｂ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３６Ａを通過してビー
ムスプリツタ３６Ｂ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、電気光学効果位相変調器４４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、電気光学効果位相変調器４４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３６Ｂにより合成され、更
に、ビームスプリツタ３６Ａを介して受光素子３
８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３６Ｂにより合成され、更
に、ビームスプリツタ３６Ａを介して受光素子３
８に入射する。
その受光素子３８の出力は、位相差零クロス検
出器５８を介して、信号処理器６０に出力され
る。その信号処理器６０は、入力信号が負である
時間T1と正である時間T2とを求め、その差を計
算し、更に、(19)式によりφnaxで割りΔθを表す信
号を出力する。
出器５８を介して、信号処理器６０に出力され
る。その信号処理器６０は、入力信号が負である
時間T1と正である時間T2とを求め、その差を計
算し、更に、(19)式によりφnaxで割りΔθを表す信
号を出力する。
ここで、電気光学効果位相変調器４４の必要な
変調電圧を計算してみると、次のようになる。電
気光学効果位相変調器４４における電気光学効果
による位相変化を表すと次のようになる。
変調電圧を計算してみると、次のようになる。電
気光学効果位相変調器４４における電気光学効果
による位相変化を表すと次のようになる。
φ＝kΔnl
Δn＝1/2n3rE
但し、ｋ＝2π／λ
λ：波長
ｎ：屈折率
ｒ：電気光学定数
Ｅ：電界（Vnax／ｔ）
Vnax：電極54及び56間に印加される最大電圧
ｔ：電極54及び56間距離
ｌ：電極54及び56の長さ
また、光の偏波、電界の印加方向を適当に選ぶ
ことにより、LiNbO3のγが最大になるγ33を利用
できる。LiNbO3では、 ｎ＝2.2、r33＝30.8×10-12であり φ＝360／λ2.23×30.8×10-12×lE（deg） λ＝0.83×10-6（ｍ）、ｌ＝10×10-3（ｍ）、 ｔ＝10×10-6（ｍ）とすると、 φ＝360／0.83×10-6×2.23×１／２ ×30.8×10-12×10×10-3×Ｖ／10×10-6＝71V Ｖ＝0.7（Ｖ）で φ＝50（deg）が得られる。
ことにより、LiNbO3のγが最大になるγ33を利用
できる。LiNbO3では、 ｎ＝2.2、r33＝30.8×10-12であり φ＝360／λ2.23×30.8×10-12×lE（deg） λ＝0.83×10-6（ｍ）、ｌ＝10×10-3（ｍ）、 ｔ＝10×10-6（ｍ）とすると、 φ＝360／0.83×10-6×2.23×１／２ ×30.8×10-12×10×10-3×Ｖ／10×10-6＝71V Ｖ＝0.7（Ｖ）で φ＝50（deg）が得られる。
また、三角波による位相変調器は、LiNbO3だ
けでなく、LiTaO3等などのほかの電気光学結晶
のバルクまたは、これらを基板とした光導波路を
使用する位相変調器を使用でき、更には、電気光
学効果を利用したものに限らず、三角波による位
相変調が可能ならば、どのような素子を使用して
もよい。
けでなく、LiTaO3等などのほかの電気光学結晶
のバルクまたは、これらを基板とした光導波路を
使用する位相変調器を使用でき、更には、電気光
学効果を利用したものに限らず、三角波による位
相変調が可能ならば、どのような素子を使用して
もよい。
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、スケールフアタが光フア
イバを伝搬する光の振幅Er、ELに依存せず、且
つ、優れたリニアリテイを持ち広いダイナミツク
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、スケールフアタが光フア
イバを伝搬する光の振幅Er、ELに依存せず、且
つ、優れたリニアリテイを持ち広いダイナミツク
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、本発明による光フアイバジヤイロの
原理を図解する光学系統図であり、第２図ａ及び
ｂは、第１図の光フアイバジヤイロの光フアイバ
を伝搬する両方向の光に対する三角波による位相
変調及び両方向の光の位相差を示す波形図であ
り、第３図は、回転によりサニヤツク効果による
位相差が生じたときの三角波による位相差とサニ
ヤツク効果による位相差との関係を示す波形図で
あり、第４図は、本発明を実施した光フアイバジ
ヤイロの光学系構成図であり、第５図は、第４図
の光フアイバジヤイロに使用されている電気光学
位相変調器の１例を図示する概略斜視図であり、
第６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７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、３６……光源、３６Ａ，３
６Ｂ……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、４
４……電気光学効果位相変調器、４６……選択ス
イツチ、４８Ａ，４８Ｂ……４８Ｎ……三角波発
生器、５０……LiNbO3基板、５２……光導波
路、５４，４６……電極、５８……位相差零クロ
ス検出器、６０……信号処理器。
原理を図解する光学系統図であり、第２図ａ及び
ｂは、第１図の光フアイバジヤイロの光フアイバ
を伝搬する両方向の光に対する三角波による位相
変調及び両方向の光の位相差を示す波形図であ
り、第３図は、回転によりサニヤツク効果による
位相差が生じたときの三角波による位相差とサニ
ヤツク効果による位相差との関係を示す波形図で
あり、第４図は、本発明を実施した光フアイバジ
ヤイロの光学系構成図であり、第５図は、第４図
の光フアイバジヤイロに使用されている電気光学
位相変調器の１例を図示する概略斜視図であり、
第６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７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、３６……光源、３６Ａ，３
６Ｂ……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、４
４……電気光学効果位相変調器、４６……選択ス
イツチ、４８Ａ，４８Ｂ……４８Ｎ……三角波発
生器、５０……LiNbO3基板、５２……光導波
路、５４，４６……電極、５８……位相差零クロ
ス検出器、６０……信号処理器。
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
ンサコイル部分を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られた三角波で駆動
される位相変調器と、前記受光素子の出力を受け
て三角波の１周期中での、右回りと左回り光の間
の位相差が正である時間と負である時間の差か
ら、回転角速度を検出する検出器とを具備するこ
とを特徴とする光フアイバジヤイロ。 ２ 三角波の周期を、入力された回転角速度のレ
ベルに応じて可変にす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イロ。 ３ 前記位相変調器は、電気光学効果を利用した
位相変調器であ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 前記位相変調器は、LiNbO3、LiTaO3等の
バルクまたは、これらを基板とした光導波路を使
用する位相変調器であ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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5487686A JPS62212514A (ja) | 1986-03-14 | 1986-03-14 | 光フアイバジヤイロ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5487686A JPS62212514A (ja) | 1986-03-14 | 1986-03-14 | 光フアイバジヤイロ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62212514A JPS62212514A (ja) | 1987-09-18 |
| JPH0469731B2 true JPH0469731B2 (ja) | 1992-11-09 |
Family
ID=12982789
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5487686A Granted JPS62212514A (ja) | 1986-03-14 | 1986-03-14 | 光フアイバジヤイロ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62212514A (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5018859A (en) * | 1989-01-26 | 1991-05-28 | Honeywell Inc. | Fiber optic gyroscope balanced plural serrodyne modulators phase difference control |
| 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 |
-
1986
- 1986-03-14 JP JP5487686A patent/JPS62212514A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62212514A (ja) | 1987-09-18 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |