JPH0545162B2 - - Google Patents
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- JPH0545162B2 JPH0545162B2 JP61082174A JP8217486A JPH0545162B2 JP H0545162 B2 JPH0545162 B2 JP H0545162B2 JP 61082174 A JP61082174 A JP 61082174A JP 8217486 A JP8217486 A JP 8217486A JP H0545162 B2 JPH0545162 B2 JP H0545162B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- optical fiber
- light
- phase
- frequency
- output
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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、ドリフトの少ない高
感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、ドリフトの少ない高
感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−14，No.
４，pp618−662（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.）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。
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−14，No.
４，pp618−662（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.）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３図を
参照して説明する。
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１４を巻回した光フアイバループす
なわちセンサコイル１６の両端に入力して、セン
サコイル１６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１６
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１４を巻回した光フアイバループす
なわちセンサコイル１６の両端に入力して、セン
サコイル１６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１６
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１６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。
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１８に入射する。その受光素子１８の検出強
度から、位相差Δθを知ることができる。この位
相差Δθは、次のように表すことができる。
り光とをビームスプリツタ１２で合成して、受光
素子１８に入射する。その受光素子１８の検出強
度から、位相差Δθを知ることができる。この位
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。
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。
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、 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。
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。
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。
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付近に、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。
バのセンサコイルの一方の端付近に、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２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１２Ａ、モードフイルタ１２Ｂ及び偏光子１
２Ｃを介してビームスプリツタ１２に送られて２
つに分けられ、光フアイバ１４の両端に結合され
る。その光フアイバ１４は、センサコイル１６を
構成するように巻回された部分と、発振器２０に
より角周波数ωnで駆動されるピエゾ素子のよう
な位相変調器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１６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１８に入
射する。その受光素子１８の出力は、プリアンプ
２６で増幅され、ローパスフイルタ２７を介して
同期検波器２８に送られて角周波数ωnで同期検
波される。
第２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１２Ａ、モードフイルタ１２Ｂ及び偏光子１
２Ｃを介してビームスプリツタ１２に送られて２
つに分けられ、光フアイバ１４の両端に結合され
る。その光フアイバ１４は、センサコイル１６を
構成するように巻回された部分と、発振器２０に
より角周波数ωnで駆動されるピエゾ素子のよう
な位相変調器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１６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１８に入
射する。その受光素子１８の出力は、プリアンプ
２６で増幅され、ローパスフイルタ２７を介して
同期検波器２８に送られて角周波数ωnで同期検
波される。
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。
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、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。
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。
ここで、位相変調器２２を左回り光の入射端の
近傍に設け、位相変調器２２の変調信号が、前述
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 ＝2πnnL／ｃ ……(5) 但し、ωn＝2πn となる。
近傍に設け、位相変調器２２の変調信号が、前述
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 ＝2πnnL／ｃ ……(5) 但し、ωn＝2πn 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＝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、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＝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１８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。
り光は、ビームスプリツタ１２で合成されて受光
素子１８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）co
s（ωnｔ＋φ／２）｝＋D.C.＋｛2ω以上｝……(9) 但し、D.C.は直流成分を意味する。
s（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、これは理論
的には検出器で検出できないので０である。
数の項という意味である。なお、これは理論
的には検出器で検出できないので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
幅に関係づけて得ることができる。
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。
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（ω
nｔ＋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）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。
nｔ＋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）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)ａ ＝DC成分 ＋2ErELJ1（ξ）cosωnｔ・sinΔθ −2ErELJ2（ξ）cos2ωnｔ・cosΔθ −2ErELJ3（ξ）cos3ωnｔ・sinΔθ ＋2ErELJ4（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。
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 −2ErELJ3（ξ）cos3ωnｔ・sinΔθ ＋2ErELJ4（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。
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。
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。
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。
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
上記の説明からわかるように、(10)ｂ式に示され
る成分を含む受光素子の出力から、基本波ωnの
成分を取り出す場合、従来、参照周波数として角
周波数ωnの矩形波を使用した同期検波して、2Er
ELsinΔθを得ている。
る成分を含む受光素子の出力から、基本波ωnの
成分を取り出す場合、従来、参照周波数として角
周波数ωnの矩形波を使用した同期検波して、2Er
ELsinΔθを得ている。
その参照周波数の矩形波のデユーテイが1/2で
ない場合、結果として2ωnの成分も含まれる。そ
のため、受光素子の出力をそのような矩形波を参
照信号として同期検波すると、受光素子出力の
2ωn成分が参照信号の2ωn成分で同期検波され
る。その結果、(10)ｂ式に示される成分の内の−
2ErELJ2（ξ）cosΔθが出力される。これは、雑音
となり、光量の変動によりEr，ELが変化したと
きのドリフトの大きな原因となる。
ない場合、結果として2ωnの成分も含まれる。そ
のため、受光素子の出力をそのような矩形波を参
照信号として同期検波すると、受光素子出力の
2ωn成分が参照信号の2ωn成分で同期検波され
る。その結果、(10)ｂ式に示される成分の内の−
2ErELJ2（ξ）cosΔθが出力される。これは、雑音
となり、光量の変動によりEr，ELが変化したと
きのドリフトの大きな原因となる。
そのような問題を解決するために、第２図に示
すような同期検波器２８の前に高域阻止フイルタ
すなわちローパスフイルタ２７を設けることが考
えられるが、基本波成分をほぼ減衰することなく
透過するローパスフイルタでは2ωn成分を完全に
除去することはできない。一方、2ωn成分を完全
に除去できるローパスフイルタでは、基本波成分
を減衰なく透過させることができない。
すような同期検波器２８の前に高域阻止フイルタ
すなわちローパスフイルタ２７を設けることが考
えられるが、基本波成分をほぼ減衰することなく
透過するローパスフイルタでは2ωn成分を完全に
除去することはできない。一方、2ωn成分を完全
に除去できるローパスフイルタでは、基本波成分
を減衰なく透過させることができない。
そこで、本発明は、上記した問題を解消して、
伝搬光の振幅が変動しても測定精度に影響しな
い、ドリフトの小さい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。
伝搬光の振幅が変動しても測定精度に影響しな
い、ドリフトの小さい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。
更に具体的に述べるならば、本発明は、位相変
調周波数の２倍高調波成分が雑音として影響しな
い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。
調周波数の２倍高調波成分が雑音として影響しな
い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、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
の一方の端付近に設けられて光フアイバを伝搬す
る光の位相を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
受光素子の出力を前記位相変調器による位相変調
周波数で同期検波する同期検波器とを具備し、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、前記受光素子の
出力の内の位相変調周波数の２倍の周波数成分を
検出して該成分が零となるように前記位相変調器
による変調を制御する制御装置が更に設けられ
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
の一方の端付近に設けられて光フアイバを伝搬す
る光の位相を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
受光素子の出力を前記位相変調器による位相変調
周波数で同期検波する同期検波器とを具備し、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、前記受光素子の
出力の内の位相変調周波数の２倍の周波数成分を
検出して該成分が零となるように前記位相変調器
による変調を制御する制御装置が更に設けられ
る。
作 用
上述した(10)ａ式からわかるように、位相変調周
波数の基紛波ωnの高調波成分nωnは、Jo（ξ）に
比例する。そして、そのξは、ξ＝2bsin（φ／
２）で表される。従つて、ξは位相変調の振幅す
なわち深さに比例している。この位相変調の深さ
は、位相変調器に付属する発振器の出力に依存す
る。
波数の基紛波ωnの高調波成分nωnは、Jo（ξ）に
比例する。そして、そのξは、ξ＝2bsin（φ／
２）で表される。従つて、ξは位相変調の振幅す
なわち深さに比例している。この位相変調の深さ
は、位相変調器に付属する発振器の出力に依存す
る。
第４図は、ベツセル関数を示すグラフであり、
上記したξは、ｘに対応している。第４図からわ
かるように、ｘすなわちξを制御して、例えば、
5.2、8.3、11.8…とすることにより、J2（ｘ）すな
わちJ2（ξ）を零にすることができる。
上記したξは、ｘに対応している。第４図からわ
かるように、ｘすなわちξを制御して、例えば、
5.2、8.3、11.8…とすることにより、J2（ｘ）すな
わちJ2（ξ）を零にすることができる。
従つて、位相変調の深さを制御することによ
り、J2（ξ）成分を零にすることができる。
り、J2（ξ）成分を零にすることができる。
上記した本発明による位相変調方式光フアイバ
ジヤイロは、上記した原理に基づいているもので
あり、制御器が、受光素子出力の内の2ωn成分を
検出して、それが零となるように位相変調器を制
御している。従つて、ドリフトに大きく影響する
2ωn成分を除去することができる。
ジヤイロは、上記した原理に基づいているもので
あり、制御器が、受光素子出力の内の2ωn成分を
検出して、それが零となるように位相変調器を制
御している。従つて、ドリフトに大きく影響する
2ωn成分を除去することができる。
ここで、検出したい信号であるωn成分は、上
記した(10)ｂ式からわかるように、J1（ξ）に比例
する。そして、このJ1（ξ）は、第４図からわか
るように、J2（ξ）すなわちJ2（ｘ）が零となると
き（ｘ＝5.2、8.3、11.8…）、それぞれの極大値に
近い大きな値となつている。従つて、J1（ξ）／
J2（ξ）は、十分に大きく、たとえ完全に2ωn成
分を零に抑えることができなくても、2ωn成分の
影響をほぼ除去できる。但し、ｘ＝5.2のとき、
J1（ξ）がｘ＝8.3、11.8などのときと比較して最
も大きいので、ｘ＝5.2となるように変調信号の
振幅を制御することが好ましい。
記した(10)ｂ式からわかるように、J1（ξ）に比例
する。そして、このJ1（ξ）は、第４図からわか
るように、J2（ξ）すなわちJ2（ｘ）が零となると
き（ｘ＝5.2、8.3、11.8…）、それぞれの極大値に
近い大きな値となつている。従つて、J1（ξ）／
J2（ξ）は、十分に大きく、たとえ完全に2ωn成
分を零に抑えることができなくても、2ωn成分の
影響をほぼ除去できる。但し、ｘ＝5.2のとき、
J1（ξ）がｘ＝8.3、11.8などのときと比較して最
も大きいので、ｘ＝5.2となるように変調信号の
振幅を制御することが好ましい。
なお、J2（ξ）が零のとき、J4（ξ）が大きい
が、これは基本波の４倍高調波であるので、ロー
パスフイルタを同期検波器の前に挿入することに
より、ほぼ完全に除去できる。なぜならば、基本
波成分をほぼ減衰することなく透過するローパス
フイルタは、２倍高調波成分の除去が容易でなく
とも、４倍高調波成分の除去は容易である。
が、これは基本波の４倍高調波であるので、ロー
パスフイルタを同期検波器の前に挿入することに
より、ほぼ完全に除去できる。なぜならば、基本
波成分をほぼ減衰することなく透過するローパス
フイルタは、２倍高調波成分の除去が容易でなく
とも、４倍高調波成分の除去は容易である。
実施例
以下添付図面を参照して本発明による光フアイ
バジヤイロの実施例を説明する。
バジヤイロ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。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。
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、半導体レーザのような発光素子３０が設け
られ、図示していない駆動電源により駆動され
て、可干渉性光ビームを発生する。なお、発光素
子としては、He−Neレーザなどのガスレーザや
スーパールミネセントダイオードなども使用でき
る。
ては、半導体レーザのような発光素子３０が設け
られ、図示していない駆動電源により駆動され
て、可干渉性光ビームを発生する。なお、発光素
子としては、He−Neレーザなどのガスレーザや
スーパールミネセントダイオードなども使用でき
る。
その発光素子３０が発生する光ビームは、ハー
フミラー３２のようなビームスプリツタに送られ
る。そのハーフミラー３２を透過した光ビーム
は、シングルモードフアイバで構成されるモード
フイルタフアイバ３４の一端に結合される。モー
ドフイルタフアイバ３４の他端から出力された光
ビームは、偏光子３６を介して、ハーフミラー３
８のようなもう１つのビームスプリツタに送られ
る。そのハーフミラー３８で２つに分けられた光
ビームは、光フアイバ４０の両端に結合される。
フミラー３２のようなビームスプリツタに送られ
る。そのハーフミラー３２を透過した光ビーム
は、シングルモードフアイバで構成されるモード
フイルタフアイバ３４の一端に結合される。モー
ドフイルタフアイバ３４の他端から出力された光
ビームは、偏光子３６を介して、ハーフミラー３
８のようなもう１つのビームスプリツタに送られ
る。そのハーフミラー３８で２つに分けられた光
ビームは、光フアイバ４０の両端に結合される。
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、角周波数ωnで駆動されるピエゾ半導
体素子またはLNO素子（LiNbO3）を材料とした
素子のような位相変調器４４に巻き付けられた部
分４６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、角周波数ωnで駆動されるピエゾ半導
体素子またはLNO素子（LiNbO3）を材料とした
素子のような位相変調器４４に巻き付けられた部
分４６とからなつている。
センサコイル４２を両方向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、ハー
フミラー３８により合成され、その合成光ビーム
は、偏向子３６を介してモードフイルタフアイバ
３４に結合される。そのモードフイルタフアイバ
３４を伝搬した光ビームは、ハーフミラー３２を
介して、受光素子４８に入射する。
は、光フアイバ４０の両端から出力されて、ハー
フミラー３８により合成され、その合成光ビーム
は、偏向子３６を介してモードフイルタフアイバ
３４に結合される。そのモードフイルタフアイバ
３４を伝搬した光ビームは、ハーフミラー３２を
介して、受光素子４８に入射する。
その受光素子４８の電気出力は、プリアンプ５
０とローパスフイルタ５２を介して同期検波器５
４の入力に接続されている。なお、ローパスフイ
ルタ５２の遮断角周波数は、ωnである。その同
期検波器５４は、発振器５６から角周波数ωnの
正弦波信号が参照信号として供給されている。一
方、上記した位相変調器４４は、発振器５６から
角周波数ωnで駆動される。
０とローパスフイルタ５２を介して同期検波器５
４の入力に接続されている。なお、ローパスフイ
ルタ５２の遮断角周波数は、ωnである。その同
期検波器５４は、発振器５６から角周波数ωnの
正弦波信号が参照信号として供給されている。一
方、上記した位相変調器４４は、発振器５６から
角周波数ωnで駆動される。
従つて、同期検波器５４は、受光素子４８の出
力を角周波数ωnで同期検波し、角周波数ωnの成
分を含む電圧信号を出力する。
力を角周波数ωnで同期検波し、角周波数ωnの成
分を含む電圧信号を出力する。
更に、発振器５６の出力は、周波数逓倍器５８
に入力されて、２倍の角周波数2ωnの正弦波信号
に変換される。その角周波数2ωnの信号は、第２
の同期検波器６０に参照信号として供給される。
この同期検波器６０は、プリアンプ５０の出力を
受けて2ωnの角周波数で同期検波する。そして、
その出力は、比較器６２の一方の入力に供給さ
れ、その他方の入力は接地されている。かくし
て、比較器６２は、同期検波器６０の出力を接地
レベルすなわち零レベルと比較して、その差を表
す電圧信号を発振器５６に供給する。その発振器
５６は、差信号が零となるように発振信号の振幅
を制御する。
に入力されて、２倍の角周波数2ωnの正弦波信号
に変換される。その角周波数2ωnの信号は、第２
の同期検波器６０に参照信号として供給される。
この同期検波器６０は、プリアンプ５０の出力を
受けて2ωnの角周波数で同期検波する。そして、
その出力は、比較器６２の一方の入力に供給さ
れ、その他方の入力は接地されている。かくし
て、比較器６２は、同期検波器６０の出力を接地
レベルすなわち零レベルと比較して、その差を表
す電圧信号を発振器５６に供給する。その発振器
５６は、差信号が零となるように発振信号の振幅
を制御する。
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。
発光素子３０からの光ビームは、ハーフミラー
３２に送られてそのハーフミラー３２で分岐さ
れ、その内の透過光ビームが、モードフイルタフ
アイバ３４の一端に結合されて、単一のモードの
レーザ光のみが、それらモードフイルタフアイバ
の他端から出力され、更に、偏光子３６で直線偏
光されて、ハーフミラー３８に送られる。そし
て、そのハーフミラー３８で２つに分けられた光
ビームは、光フアイバ４０の両端に結合される。
３２に送られてそのハーフミラー３２で分岐さ
れ、その内の透過光ビームが、モードフイルタフ
アイバ３４の一端に結合されて、単一のモードの
レーザ光のみが、それらモードフイルタフアイバ
の他端から出力され、更に、偏光子３６で直線偏
光されて、ハーフミラー３８に送られる。そし
て、そのハーフミラー３８で２つに分けられた光
ビームは、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、角周波数ωnの交流で駆動される位
相変調器４４に巻き付けられた部分４６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、角周波数ωnの交流で駆動される位
相変調器４４に巻き付けられた部分４６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の両端からそれぞれ出
力されて、ハーフミラー３８により合成され、偏
光子３６を介してモードフイルタフアイバ３４の
他端に結合される。そして、そのモードフイルタ
フアイバ３４に結合された光ビームは、ハーフミ
ラー３２によつて受光素子４８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の両端からそれぞれ出
力されて、ハーフミラー３８により合成され、偏
光子３６を介してモードフイルタフアイバ３４の
他端に結合される。そして、そのモードフイルタ
フアイバ３４に結合された光ビームは、ハーフミ
ラー３２によつて受光素子４８に入射する。
かくして、受光素子４８の電気出力が、プリア
ンプ５０で増幅されて、ローパスフイルタ５２を
介して、発振器５６から位相変調器４４の駆動角
周波数ωnを参照周波数として受けている同期検
波器５４に入力されて同期検波される。それ故、
同期検波器５４から、回転角速度に比例する量
Δθを示す電気信号が出力される。
ンプ５０で増幅されて、ローパスフイルタ５２を
介して、発振器５６から位相変調器４４の駆動角
周波数ωnを参照周波数として受けている同期検
波器５４に入力されて同期検波される。それ故、
同期検波器５４から、回転角速度に比例する量
Δθを示す電気信号が出力される。
更に、プリアンプ５０で増幅された受光素子４
８の出力は、もう１つの同期検波器６０に入力さ
れ、周波数逓倍器５８からの2ωnの角周波数で同
期検波される。従つて、この同期検波器６０は、
2ωn成分の振幅に比例した電圧信号を出力する。
そして、その電圧信号は、比較器６２において零
レベルと比較され、その差信号が発振器５６に供
給される。その発振器５６は、入力差信号が零と
なるように、位相変調器４４に供給する角周波数
ωnの交流駆動信号の振幅を調整する。
８の出力は、もう１つの同期検波器６０に入力さ
れ、周波数逓倍器５８からの2ωnの角周波数で同
期検波される。従つて、この同期検波器６０は、
2ωn成分の振幅に比例した電圧信号を出力する。
そして、その電圧信号は、比較器６２において零
レベルと比較され、その差信号が発振器５６に供
給される。その発振器５６は、入力差信号が零と
なるように、位相変調器４４に供給する角周波数
ωnの交流駆動信号の振幅を調整する。
その結果、受光素子４８の出力に含まれる2ωn
成分が実質的に零に維持される。すなわち、同期
検波器５４は、2ωn成分のない入力信号を受けて
同期検波するので、その2ωn成分による雑音の少
ないすなわちドリフト変動の少ない、Δθを示す
電圧信号を出力することができる。
成分が実質的に零に維持される。すなわち、同期
検波器５４は、2ωn成分のない入力信号を受けて
同期検波するので、その2ωn成分による雑音の少
ないすなわちドリフト変動の少ない、Δθを示す
電圧信号を出力することができる。
発明の効果
以上説明した本発明の実施例から明らかなよう
に、本発明による位相変調方式光フアイバジヤイ
ロは、位相変調周波数の２倍高調波成分の影響を
除去して、ドリフトが少なく、高感度である。
に、本発明による位相変調方式光フアイバジヤイ
ロは、位相変調周波数の２倍高調波成分の影響を
除去して、ドリフトが少なく、高感度である。
第１図は、本発明による位相変調方式光フアイ
バジヤイロの１つの実施例の構成を示すブロツク
図であり、第２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３
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４図は、ベツセル関数を示すグ
ラフである。 主な参照番号、１０…発光素子、１２，１２Ａ
…ビームスプリツタ、１２Ｂ…モードフイルタフ
アイバ、１２Ｃ…偏光子、１４…光フアイバ、１
６…センサコイル、１８…受光素子、２２…位相
変調器、２８…同期検波器、３０…発光素子、３
２，３８…ハーフミラー、３４…モードフイルタ
フアイバ、３６…偏光子、４０…光フアイバ、４
２…センサコイル、４４…位相変調器、４８…受
光素子、５０…プリアンプ、５２…ローパスフイ
ルタ、５４，６０…同期検波器、５６…発振器、
５８…周波数逓倍器。
バジヤイロの１つの実施例の構成を示すブロツク
図であり、第２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３
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４図は、ベツセル関数を示すグ
ラフである。 主な参照番号、１０…発光素子、１２，１２Ａ
…ビームスプリツタ、１２Ｂ…モードフイルタフ
アイバ、１２Ｃ…偏光子、１４…光フアイバ、１
６…センサコイル、１８…受光素子、２２…位相
変調器、２８…同期検波器、３０…発光素子、３
２，３８…ハーフミラー、３４…モードフイルタ
フアイバ、３６…偏光子、４０…光フアイバ、４
２…センサコイル、４４…位相変調器、４８…受
光素子、５０…プリアンプ、５２…ローパスフイ
ルタ、５４，６０…同期検波器、５６…発振器、
５８…周波数逓倍器。
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、該光フアイバの一方の端付近に設けられて光
フアイバを伝搬する光の位相を変調する位相変調
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前記位相変調
器による位相変調周波数で同期検波する同期検波
器とを具備し、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、前記受光素子の出力の内の位相変調周波数の
２倍の周波数成分を検出して該成分が零となるよ
うに前記位相変調器による変調を制御する制御装
置を更に具備す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 前記位相変調器には、所定の角周波数の発振
器が付属しており、前記制御装置は、前記発振器
の出力を受けて２倍の角周波数の信号を出力する
周波数逓倍器と、前記受光素子の出力を受けて前
記逓倍器の２倍の角周波数の信号で同期検波する
第２の検波器と、該第２の検波器の出力を受けて
基準値と比較して前記発振器に出力を制御させる
比較器とを有してい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 前記受光素子の出力は、前記位相変調周波数
より高い周波数成分を除去する高域阻止フイルタ
を介して、前記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項または第２項に記
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 |
|---|---|---|---|
| JP8217486A JPS62239014A (ja) | 1986-04-11 | 1986-04-11 | 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 |
|---|---|---|---|
| JP8217486A JPS62239014A (ja) | 1986-04-11 | 1986-04-11 | 位相変調方式光フアイバジヤイロ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62239014A JPS62239014A (ja) | 1987-10-19 |
| JPH0545162B2 true JPH0545162B2 (ja) | 1993-07-08 |
Family
ID=13767068
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8217486A Granted JPS62239014A (ja) | 1986-04-11 | 1986-04-11 | 位相変調方式光フアイバジヤイロ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS62239014A (ja) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60213815A (ja) * | 1984-04-09 | 1985-10-26 | Japan Aviation Electronics Ind Ltd | 光干渉角速度計 |
-
1986
- 1986-04-11 JP JP8217486A patent/JPS62239014A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62239014A (ja) | 1987-10-19 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |