JPH0470563B2 - - Google Patents
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- JPH0470563B2 JPH0470563B2 JP28420986A JP28420986A JPH0470563B2 JP H0470563 B2 JPH0470563 B2 JP H0470563B2 JP 28420986 A JP28420986 A JP 28420986A JP 28420986 A JP28420986 A JP 28420986A JP H0470563 B2 JPH0470563 B2 JP H0470563B2
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- Japan
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- optical fiber
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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、スケールフアクタの
変動が小さい高精度な位相変調方式光フアイバジ
ヤイロに関するものである。
あり、更に詳述するならば、スケールフアクタの
変動が小さい高精度な位相変調方式光フアイバジ
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て優れて
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て優れて
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（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（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）と差回
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）と差回
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＝E1sin（ωt＋Δθ／２）
Eccw＝E2sin（ωt＋Δθ／２）
但し、
E1、E2：左回り光及び右回り光の振幅
ω：光の角度波数
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、右回りの光のいずえかの位
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
た光フアイバの位相変調部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２６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
た光フアイバの位相変調部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２６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路とを通過するが、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路とを通過するが、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、光フアイバのセンサコイルの長さが
Ｌ、フアイバコアの屈曲率を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。
Ｌ、フアイバコアの屈曲率を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。
ここで、位相変調素子２２を左回り光の入射
端の近傍に設け、位相変調素子２２の変調信号
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。
端の近傍に設け、位相変調素子２２の変調信号
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。
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、さらに位相変調される。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＝E1sin｛ωt＋Δθ／２＋bsin(ωnt+φ)｝ ……(6) Eccw＝E2sin｛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、さらに位相変調される。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＝E1sin｛ωt＋Δθ／２＋bsin(ωnt+φ)｝ ……(6) Eccw＝E2sin｛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、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、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）＝E1E2cos｛Δθ＋2bin（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。
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。
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
の振動幅に関係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
の振動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。
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）＝E1E2｛cosΔθcos〔2binφ／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、 ex/2(t-1/t)＝∞ 〓n=-∞ Jo（ｘ）ｔｈ ……（11） である、ｔ＝ei〓と置くと、 eixsin〓＝∞ 〓n=-∞ Jn（ｘ）ni〓 ……（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） ０＝（SccosΔθ＋SssinΔθ）E1E2……（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。
（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、 ex/2(t-1/t)＝∞ 〓n=-∞ Jo（ｘ）ｔｈ ……（11） である、ｔ＝ei〓と置くと、 eixsin〓＝∞ 〓n=-∞ Jn（ｘ）ni〓 ……（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） ０＝（SccosΔθ＋SssinΔθ）E1E2……（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（E1 2＋E2 2）＋（2ωt以上の成
分）＋E1E2J0（ξ）cosΔθ E1E22∞ 〓n=1 （−１）nJ2o（ξ）cos2nωnｔ・cosΔθ E1E22∞ 〓 〓n=0 （−１）nJ2o+1（ξ）cos（2n＋１）ωnｔ・sinΔθ
……(10)ａ ＝DC成分＋2E1E2J1（ξ）cosωnｔ・sinΔθ −2E1E2J1（ξ）cos2ωnｔ・cosΔθ −2E1E2J1（ξ）cos3ωnｔ・sinΔθ ＋2E1E2J4（ξ）cos4ωnｔ・cosΔθ ＋高次成分 ……(10)ｂ これは、変調信号ωnの基本波と、高調波信
号の級数和である。
分）＋E1E2J0（ξ）cosΔθ E1E22∞ 〓n=1 （−１）nJ2o（ξ）cos2nωnｔ・cosΔθ E1E22∞ 〓 〓n=0 （−１）nJ2o+1（ξ）cos（2n＋１）ωnｔ・sinΔθ
……(10)ａ ＝DC成分＋2E1E2J1（ξ）cosωnｔ・sinΔθ −2E1E2J1（ξ）cos2ωnｔ・cosΔθ −2E1E2J1（ξ）cos3ωnｔ・sinΔθ ＋2E1E2J4（ξ）cos4ωnｔ・cosΔθ ＋高次成分 ……(10)ｂ これは、変調信号ωnの基本波と、高調波信
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
意の次第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。
意の次第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、その次第のベツセル函数Jo（ξ）
の値が大きくなるように、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に、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）＝2E1E2J1（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）＝2E1E2J1（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
上述のように、従来の位相変調方式光フアイバ
ジヤイロでは、受光素子の出力2E1E2J1（ξ）
cosωnｔ・sinΔθを、参照信号として角周波数ωn
の矩形波を用いて同期検波して、角速度出力
2E1E2J1（ξ）sinΔθを得る。ところが、角速度出
力2E1E2J1（ξ）sinΔθは、Δθ以外にE1E2やＪ（ξ）
等のスケールフアクタにも依存する。特にE1E2
は発光素子の発光出力を安定化させても、光フア
イバへの光の結合効率の変動や、光フアイバ中を
伝搬する光の偏波変動等によつても変動する。上
記スケールフアクタが変動すると、同一の角速度
の入力に対しても出力が変動し、結果として入力
角速度の検出に誤差を生じるという問題があつ
た。
ジヤイロでは、受光素子の出力2E1E2J1（ξ）
cosωnｔ・sinΔθを、参照信号として角周波数ωn
の矩形波を用いて同期検波して、角速度出力
2E1E2J1（ξ）sinΔθを得る。ところが、角速度出
力2E1E2J1（ξ）sinΔθは、Δθ以外にE1E2やＪ（ξ）
等のスケールフアクタにも依存する。特にE1E2
は発光素子の発光出力を安定化させても、光フア
イバへの光の結合効率の変動や、光フアイバ中を
伝搬する光の偏波変動等によつても変動する。上
記スケールフアクタが変動すると、同一の角速度
の入力に対しても出力が変動し、結果として入力
角速度の検出に誤差を生じるという問題があつ
た。
そこで、本発明は、上記スケールフアクタの変
動を排して高精度な位相変調方式光フアイバジヤ
イロを提供せんとするものである。
動を排して高精度な位相変調方式光フアイバジヤ
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
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１８と、該光フアイバの一端付近に設け
られて光フアイバを伝搬する光を所与の角周波数
ωnで位相変調する位相変調器３０と、前記光フ
アイバを伝搬した両回り光を受ける受光素子と、
該受光素子の出力を受けて同期検波する同期検波
装置とを具備し、前記センサコイル２０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
度を測定する位相変調方式光フアイバジヤイロに
おいて、前記発光素子は、互いに異なる波長の光
を発光する第１の発光素子１０と、第２の発光素
子１１とを備え、前記受光素子は、前記第１の発
光素子１０の発光波長を有する伝播光を受光する
第１の受光素子２６と、前記第２の発光素子の発
光波長を有する伝播光を受光する第２の受光素子
２７とを備え、前記同期検波装置は、前記第１の
受光素子２６の出力を同期検波する第１の同期検
波器４０と、前記第２の受光素子２７の出力を同
期検波する第２の同期検波器４２と、上記第１の
同期検波器の出力信号と上記第２の同期検波器の
出力信号を受けて該２つの出力信号の比を出力す
るアナログ割算器４９とを備えることを特徴とす
る位相変調方式光フアイバジヤイロが提供され
る。
ように、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２０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１８と、該光フアイバの一端付近に設け
られて光フアイバを伝搬する光を所与の角周波数
ωnで位相変調する位相変調器３０と、前記光フ
アイバを伝搬した両回り光を受ける受光素子と、
該受光素子の出力を受けて同期検波する同期検波
装置とを具備し、前記センサコイル２０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
度を測定する位相変調方式光フアイバジヤイロに
おいて、前記発光素子は、互いに異なる波長の光
を発光する第１の発光素子１０と、第２の発光素
子１１とを備え、前記受光素子は、前記第１の発
光素子１０の発光波長を有する伝播光を受光する
第１の受光素子２６と、前記第２の発光素子の発
光波長を有する伝播光を受光する第２の受光素子
２７とを備え、前記同期検波装置は、前記第１の
受光素子２６の出力を同期検波する第１の同期検
波器４０と、前記第２の受光素子２７の出力を同
期検波する第２の同期検波器４２と、上記第１の
同期検波器の出力信号と上記第２の同期検波器の
出力信号を受けて該２つの出力信号の比を出力す
るアナログ割算器４９とを備えることを特徴とす
る位相変調方式光フアイバジヤイロが提供され
る。
作 用
第１の発光素子１０の波長をλ1、第２の発光素
子１１の波長をλ2とすると、第１の受光素子２６
の出力を位相変調周波数ωnで、第２の受光素子
２７の出力を位相変調周波数の２倍の周波数2ωn
でそれぞれ同期検波器４０及び４２において同期
検波して得られる信号は、次式で与えられる。
子１１の波長をλ2とすると、第１の受光素子２６
の出力を位相変調周波数ωnで、第２の受光素子
２７の出力を位相変調周波数の２倍の周波数2ωn
でそれぞれ同期検波器４０及び４２において同期
検波して得られる信号は、次式で与えられる。
P1ηJ1（ξ）sinΔθ1
Δθ1＝4πLa／cλ1Ω ……（19）
P2ηJ2（ξ）cosΔθ1
Δθ2＝4πLa／cλ2Ω ……（20）
P1：第１の発光素子の出力
P2：第２の発光素子の出力
η：光学系の損失
ここで、第２の発光素子の波長λ2を第１の発光
素子の波長の２倍に、すなわちλ2＝2λ1と設定す
れば、Δθ1＝2Δθ2の関係が得られる。
素子の波長の２倍に、すなわちλ2＝2λ1と設定す
れば、Δθ1＝2Δθ2の関係が得られる。
したがつて、（19）式で示す信号成分と（20）式
で示す信号成分の比をとれば、次の関係式が得ら
れる。
で示す信号成分の比をとれば、次の関係式が得ら
れる。
P1ηJ1（ξ）sinΔθ1／P2ηJ2（ξ）cosΔθ2＝P1J1（
ξ）sin2Δθ2／P2J2（ξ）cosΔθ2＝P1J1（ξ）／P2J
2（ξ）sinΔθ2……（21） （21）式で示す信号成分比は、光学系の損失η
が消去されており、光学系中の損失変動の影響を
受けない。こうして、スケールフアクタは、２つ
の発光素子の出力P1、P2と位相変調のパラメー
タJ1（ξ）、J2（ξ）のみとなる。
ξ）sin2Δθ2／P2J2（ξ）cosΔθ2＝P1J1（ξ）／P2J
2（ξ）sinΔθ2……（21） （21）式で示す信号成分比は、光学系の損失η
が消去されており、光学系中の損失変動の影響を
受けない。こうして、スケールフアクタは、２つ
の発光素子の出力P1、P2と位相変調のパラメー
タJ1（ξ）、J2（ξ）のみとなる。
これらのスケールフアクタは、光学系の損失変
動と比較すれば、いずれも極めて制御が容易であ
る。例えば、発光素子の出力については、第４図
に示すように、発光素子１０からの光の一部を受
光素子２８で受光して、出力レベルが変動しない
ように発光素子10の駆動電流をフイードバツク制
御することは容易である。また、位相変調は、通
常圧電振動子に光フアイバを巻回して、圧電振動
子の機械的歪によつて伝播光の位相を変調してい
る。したがつて、位相変調のパラメータについて
は、第５図に示すように、駆動用の電極の他にモ
ニタ用の電極４５を設け、上記歪を逆にモニタし
て位相変調度が一定するようにフイードバツク制
御することも容易である。
動と比較すれば、いずれも極めて制御が容易であ
る。例えば、発光素子の出力については、第４図
に示すように、発光素子１０からの光の一部を受
光素子２８で受光して、出力レベルが変動しない
ように発光素子10の駆動電流をフイードバツク制
御することは容易である。また、位相変調は、通
常圧電振動子に光フアイバを巻回して、圧電振動
子の機械的歪によつて伝播光の位相を変調してい
る。したがつて、位相変調のパラメータについて
は、第５図に示すように、駆動用の電極の他にモ
ニタ用の電極４５を設け、上記歪を逆にモニタし
て位相変調度が一定するようにフイードバツク制
御することも容易である。
実施例
以下添付図面を参照して本発明による位相変調
方式光フアイバジヤイロの実施例を説明する。
方式光フアイバジヤイロの実施例を説明する。
第６図は、本発明をデイスクリート部品を用い
て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。光フアイバジヤ
イロの基本的条件を備えた最小構成については、
イゼキール エス．及びアーデ テイ エイチ．
ジエー．「光フアイバ回転センサ」スプリニガー
フエアラーク ベルリン（Ezekil S.and Arditty
H.J.“Fiber Optic Rotatior Sensors”、Springer
−Verlag Berlin.）1982に詳しい説明がある。
て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。光フアイバジヤ
イロの基本的条件を備えた最小構成については、
イゼキール エス．及びアーデ テイ エイチ．
ジエー．「光フアイバ回転センサ」スプリニガー
フエアラーク ベルリン（Ezekil S.and Arditty
H.J.“Fiber Optic Rotatior 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、第１の発光素子１０及び第２の発光素子１
１が設けられ、電源（不図示）により駆動され
て、互いに波長の異なる光ビームを発生する。な
お、発光素子としては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。この場合、例えば第１の発光素
子としてAlGaAs系の半導体レーザを、第２の発
光素子としてInGaAsP系の半導体レーザを使用
して、第２の発光素子１１の発光波長を第１の発
光素子１０の発光波長の２倍と設定することもで
きる。２つの発光素子１０及び１１が発生する光
ビームは、それぞれハーフミラーのようなビーム
スプリツタ１２及び１２′を介してモードフイル
タフアイバ１６及び１６′に入射する。モードフ
イルタフアイバ１６及び１６′をそれぞれ伝搬し
た光ビームは、偏光子１５及び１５′を介してビ
ームスプリツタ１４で合成され、さらに２つに分
岐して光フアイバ１８の両端に結合する。
ては、第１の発光素子１０及び第２の発光素子１
１が設けられ、電源（不図示）により駆動され
て、互いに波長の異なる光ビームを発生する。な
お、発光素子としては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。この場合、例えば第１の発光素
子としてAlGaAs系の半導体レーザを、第２の発
光素子としてInGaAsP系の半導体レーザを使用
して、第２の発光素子１１の発光波長を第１の発
光素子１０の発光波長の２倍と設定することもで
きる。２つの発光素子１０及び１１が発生する光
ビームは、それぞれハーフミラーのようなビーム
スプリツタ１２及び１２′を介してモードフイル
タフアイバ１６及び１６′に入射する。モードフ
イルタフアイバ１６及び１６′をそれぞれ伝搬し
た光ビームは、偏光子１５及び１５′を介してビ
ームスプリツタ１４で合成され、さらに２つに分
岐して光フアイバ１８の両端に結合する。
光フアイバ１８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たセンサコイ
ル２０と、センサコイル２０の一端付近に配置さ
れた位相変調器３０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たセンサコイ
ル２０と、センサコイル２０の一端付近に配置さ
れた位相変調器３０に結合された部分とからなつ
ている。
位相変調器３０は、例えば、圧電振動素子で構
成され、位相変調用の図示を省略した交流励振電
源に接続されて角周波数ωnの矩形波の交流で駆
動されるようになされている。この場合は、光フ
アイバ１８は、例えば位相変調器３０に巻き付け
られる。
成され、位相変調用の図示を省略した交流励振電
源に接続されて角周波数ωnの矩形波の交流で駆
動されるようになされている。この場合は、光フ
アイバ１８は、例えば位相変調器３０に巻き付け
られる。
光フアイバ１８を右回りと左回りとに伝搬した
光ビームは、光フアイバ１８の両端から出射され
て、ビームスプリツタ１４で合成されさらに２つ
に分岐されて、モードフイルタフアイバ１６及び
１６′に入射する。モードフイルタフアイバ１６
及び１６′をそれぞれ伝搬した光ビームは、ビー
ムスプリツタ１２及び１２′を介して受光素子２
６及び２７にそれぞれ入射する。第１の受光素子
２６及び第２の受光素子２７は、それぞれ第１の
発光素子１０及び第２の発光素子１１の発光波長
を有する伝播光のみを受光するように設定されて
いる。したがつて、例えば、第１の受光素子２６
としてSi系のフオトダイオードを、第２の受光素
子２７として、Ge系、InGaAs系又はInGaAn系
のフオトダイオードを使用することができる。
光ビームは、光フアイバ１８の両端から出射され
て、ビームスプリツタ１４で合成されさらに２つ
に分岐されて、モードフイルタフアイバ１６及び
１６′に入射する。モードフイルタフアイバ１６
及び１６′をそれぞれ伝搬した光ビームは、ビー
ムスプリツタ１２及び１２′を介して受光素子２
６及び２７にそれぞれ入射する。第１の受光素子
２６及び第２の受光素子２７は、それぞれ第１の
発光素子１０及び第２の発光素子１１の発光波長
を有する伝播光のみを受光するように設定されて
いる。したがつて、例えば、第１の受光素子２６
としてSi系のフオトダイオードを、第２の受光素
子２７として、Ge系、InGaAs系又はInGaAn系
のフオトダイオードを使用することができる。
受光素子２６及び２７の電気出力は、直流阻止
用のフイルタを介して同期検波器４０及び４２の
入力にそれぞれ接続されている。同期検波器４０
及び４２は、受光素子２６及び２７からの出力を
周波数信号ωn及び2ωnで同期検波して、角周波
数ωn及び2ωnの成分の電圧信号をそれぞれ出力
する。
用のフイルタを介して同期検波器４０及び４２の
入力にそれぞれ接続されている。同期検波器４０
及び４２は、受光素子２６及び２７からの出力を
周波数信号ωn及び2ωnで同期検波して、角周波
数ωn及び2ωnの成分の電圧信号をそれぞれ出力
する。
同期検波器４０の電気出力と同期検波器４２の
電気出力の比をアナログ割算器４９において計算
して、上述の（21）式で示すように、センサコイ
ル２０において発生した位相差Δθを示す角速度
信号が得られる。
電気出力の比をアナログ割算器４９において計算
して、上述の（21）式で示すように、センサコイ
ル２０において発生した位相差Δθを示す角速度
信号が得られる。
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１０及び１１か
らの光ビームは、それぞれビームスプリツタ１２
及び１２′を介してモードフイルタフアイバ１６
及び１６′中を伝搬し、ビームスプリツタ１４で
合成されさらに２つに分岐されて光フアイバ１８
の両端に結合される。
らの光ビームは、それぞれビームスプリツタ１２
及び１２′を介してモードフイルタフアイバ１６
及び１６′中を伝搬し、ビームスプリツタ１４で
合成されさらに２つに分岐されて光フアイバ１８
の両端に結合される。
光フアイバ１８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２０の部分で位相差が
でき、また、角周波数ωnの矩形波交流で駆動さ
れる位相変調器３０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２０の部分で位相差が
でき、また、角周波数ωnの矩形波交流で駆動さ
れる位相変調器３０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１８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１８の両端から出力され
て、ビームスプリツタ４により合成されさらに２
つに分岐されて、モードフイルタフアイバ１６及
び１６′を伝搬し、ビームスプリツタ１２及び１
２′を介して受光素子２６及び２７にそれぞれ入
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１８の両端から出力され
て、ビームスプリツタ４により合成されさらに２
つに分岐されて、モードフイルタフアイバ１６及
び１６′を伝搬し、ビームスプリツタ１２及び１
２′を介して受光素子２６及び２７にそれぞれ入
射する。
受光素子２６及び２７の出力は、同期検波器４
０及び４２において角周波数ωn及び2ωnでそれ
ぞれ同期検波され、前述した（19）式及び（20）
式で表わされる電圧信号がそれぞれ出力される。
上記２つの電圧信号出力の比をアナログ割算器４
９で計算して、前記（21）式で表わされるsinΔθ
に比例した出力、すなわち角速度信号が得られ
る。このとき、前述したように、光学系の損失変
動に起因する誤差が上記角速度信号から消去され
ることになる。
０及び４２において角周波数ωn及び2ωnでそれ
ぞれ同期検波され、前述した（19）式及び（20）
式で表わされる電圧信号がそれぞれ出力される。
上記２つの電圧信号出力の比をアナログ割算器４
９で計算して、前記（21）式で表わされるsinΔθ
に比例した出力、すなわち角速度信号が得られ
る。このとき、前述したように、光学系の損失変
動に起因する誤差が上記角速度信号から消去され
ることになる。
従つて、位相変調方式の光フアイバジヤイロに
おいて、光学系の損失変動に起因するスケールフ
アクタの変動を著しく減少させて高精度を確保す
ることができる。
おいて、光学系の損失変動に起因するスケールフ
アクタの変動を著しく減少させて高精度を確保す
ることができる。
第７図は、第１図の位相変調方式光フアイバジ
ヤイロをオールフアイバ化した第２の実施例の構
成概略図である。図示の光フアイバジヤイロは、
分岐合流素子としてフアイバカツプラ４５乃至４
８を使用し、偏光子としてフアイバ型偏光子１７
を使用している点のみが第１図の光フアイバジヤ
イロと構成上相違する。
ヤイロをオールフアイバ化した第２の実施例の構
成概略図である。図示の光フアイバジヤイロは、
分岐合流素子としてフアイバカツプラ４５乃至４
８を使用し、偏光子としてフアイバ型偏光子１７
を使用している点のみが第１図の光フアイバジヤ
イロと構成上相違する。
また、この他にも、上記光学系を一枚の平面導
波路上に構成して、いわゆる光集積型の構造にす
ることも可能である。
波路上に構成して、いわゆる光集積型の構造にす
ることも可能である。
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
位相変調方式光フアイバジヤイロは、、従来問題
とされていた上記スケールフアクタの変動を著し
く減少させて高精度を確保する。従つて、本発明
による位相変調方式光フアイバジヤイロは、広い
範囲にわたつて活用することができる。
位相変調方式光フアイバジヤイロは、、従来問題
とされていた上記スケールフアクタの変動を著し
く減少させて高精度を確保する。従つて、本発明
による位相変調方式光フアイバジヤイロは、広い
範囲にわたつて活用することができる。
第１図は、本発明の位相変調方式光フアイバジ
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り、
第４図は、発光素子の発光出力のモニタ方法を示
す図であり、第５図は、位相変調度のモニタ方法
を示す図であり、第６図は、デイスクリート部品
を用いた本発明の位相変調方式光フアイバジヤイ
ロの第１の実施例の構成概略図であり、第７図
は、オールフアイバ化した本発明の位相変調方式
光フアイバジヤイロの第２の実施例の構成概略図
である。 （主な参照番号）、１０，１１……発光素子、
１２，１４……ビームスプリツタ、１５……偏光
子、１７……フアイバ型偏光子、１８……光フア
イバ、２０……センサコイル、２６，２７，２８
……受光素子、３０……位相変調器、４０，４２
……同期検波器、４５……モニタ電極。
ヤイロの原理を図解する光学系統図であり、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り、
第４図は、発光素子の発光出力のモニタ方法を示
す図であり、第５図は、位相変調度のモニタ方法
を示す図であり、第６図は、デイスクリート部品
を用いた本発明の位相変調方式光フアイバジヤイ
ロの第１の実施例の構成概略図であり、第７図
は、オールフアイバ化した本発明の位相変調方式
光フアイバジヤイロの第２の実施例の構成概略図
である。 （主な参照番号）、１０，１１……発光素子、
１２，１４……ビームスプリツタ、１５……偏光
子、１７……フアイバ型偏光子、１８……光フア
イバ、２０……センサコイル、２６，２７，２８
……受光素子、３０……位相変調器、４０，４２
……同期検波器、４５……モニタ電極。
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、該光フアイバの一端付近に設けられて光フア
イバを伝搬する光を位相変調する位相変調器と、
前記光フアイバを伝搬した両回り光を受ける受光
素子と、該受光素子の出力を受けて同期検波する
同期検波装置とを具備し、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
角速度を測定する位相変調方式光フアイバジヤイ
ロにおいて、 前記発光素子は、互いに異なる波長の光を発光
する第１及び第２の発光素子を備え、前記受光素
子は、前記第１の発光素子の発光波長を有する伝
播光を受光する第１の受光素子と、前記第２の発
光素子の発光波長を有する伝播光を受光する第２
の受光素子とを備え、前記同期検波装置は、前記
第１の受光素子の出力を同期検波する第１の同期
検波器と、前記第２の受光素子の出力を同期検波
する第２の同期検波器と、上記第１の同期検波器
の出力信号と上記第２の同期検波器の出力信号を
受けて該２つの出力信号の比を出力するアナログ
割算器とを備えることを特徴とする位相変調方式
光フアイバジヤイロ。 ２ 上記第２の発光素子の発光波長は、第１の発
光素子の発光波長の２倍であり、第１の受光素子
の出力を位相変調周波数で同期検波した第１の同
期検波器の出力信号と第２の受光素子の出力を位
相変調同波数の２倍の周波数で同期検波した第２
の同期検波器の出力信号の比を角速度出力とする
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の位
相変調方式光フアイバジヤイロ。 ３ 上記第１の発光素子はAlGaAs系の半導体レ
ーザであり、第２の発光素子はInGaAsP系の半
導体レーザであり、第１の受光素子はSi系のフオ
トダイオードであり、第２の受光素子はGe系、
InGaAs系、InGaAn系のフオトダイオードから
選択されることを特徴とする特許請求の範囲第１
項又は第２項記載の位相変調方式光フアイバジヤ
イロ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28420986A JPS63138208A (ja) | 1986-12-01 | 1986-12-01 | 位相変調方式光フアイバジヤイロ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28420986A JPS63138208A (ja) | 1986-12-01 | 1986-12-01 | 位相変調方式光フアイバジヤイロ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63138208A JPS63138208A (ja) | 1988-06-10 |
| JPH0470563B2 true JPH0470563B2 (ja) | 1992-11-11 |
Family
ID=17675575
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP28420986A Granted JPS63138208A (ja) | 1986-12-01 | 1986-12-01 | 位相変調方式光フアイバジヤイロ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS63138208A (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5101449A (en) * | 1990-06-05 | 1992-03-31 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Optical phase modulator with asymmetric piezoelectric vibrator |
| 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 |
| US7453576B2 (en) * | 2005-11-29 | 2008-11-18 | Honeywell International Inc. | Method and system for calibrating a fiber optic gyroscope |
| US7710576B2 (en) * | 2008-03-10 | 2010-05-04 | Honeywell International Inc. | Method and apparatus for monitoring angle random walk of a fiber optic gyroscope |
-
1986
- 1986-12-01 JP JP28420986A patent/JPS63138208A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63138208A (ja) | 1988-06-10 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |