JP2655931B2

JP2655931B2 - 光ファイバジャイロ，並びに，当該光ファイバジャイロを有するナビゲーションシステムおよび移動体

Info

Publication number: JP2655931B2
Application number: JP2111204A
Authority: JP
Inventors: 久雄園部; 茂於保; 淳一牧野; 博梶岡; 達也熊谷
Original assignee: Hitachi Cable Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 1990-04-26
Filing date: 1990-04-26
Publication date: 1997-09-24
Anticipated expiration: 2012-09-24
Also published as: JPH04151512A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、角速度測定装置、特に光ファイバジャイロ
を用いた角速度測定装置に関する。

〔従来の技術〕

現在、使用されているジャイロは機械的なものが主で
あるが、リングレーザ共振器を用いるレーザジャイロも
一部実用化されている。これらの方式に比べて、光ファ
イバジャイロの有する特徴は、（１）可動部分がない、
（２）高感度にできる、（３）起動時間が短くできる、
（４）構造が簡単、（５）受動形干渉計なのでリングレ
ーザとは異なりロックイン現象（周波数の引込み）がな
い、（６）システムが軽量・コンパクトにできる、など
である。

光ファイバジャイロの測定原理にはサグナック効果を
用いる。光ファイバループでリング干渉計を構成し、フ
ァイバループの両端から光を導入し、出射光を互いに干
渉させる。光ファイバループを含む面が角速度Ωで回転
すると、互いに逆回りに進行する光が出射端に至るまで
に要する時間に差を生じる。この時間差は両出射光の位
相差Δφとなって表れる。Δφは、一般相対性理論の結
果として（１）ループの形状そのものにはよらずに、内
面積にのみ依存する、（２）光ファイバの屈折率によら
ない、（３）回転中心の位置によらない、ことがわかっ
ている。サグナックシフトΔφの検出方法には、（１）
位相変調法、（２）ヘテロダイン法、（３）零位法の３
方式が代表的である。

光源にはスーパールミネセントダイオードや多モード
レーザを使うことによってコヒーレンスノイズを軽減し
ている。現在の達成技術レベルは、角速度にして約0.1
度/hrの精度である。

従来の光ファイバジャイロは、特開昭61−70410号公
報に記載されているようなものがある。

この従来の光ファイバジャイロについて、第４図〜第
６図を参照して示す。

第４図に示す、光ファイバジャイロの角速度検出部で
ある光ファイバループ31は、数ｍから数百ｍの１本の光
ファイバ、例えば偏波面保存光ファイバをコイル状に巻
いたものであり、光ファイバジャイロの光学系の主要部
品である。

この光ファイバループ31と、光位相変調器、光カプ
ラ、レーザダイオードなどの図示しない要素とを、組合
せることにより、最も一般的な位相変調式光ファイバジ
ャイロの光学系が形成される。

第５図は、この光ファイバループ31に密着させて、電
気シールド部材34で、ドーナッツ形状に、光ファイバル
ープ31を囲ったものを示す。

さらに、これを、第６図に示すように、２つの、非常
に熱伝導性の良い材料からなる外囲器35、36で囲い、こ
の外囲器35、36間を、熱ブリッジ37で結合したものであ
る。

熱ブリッジは、これがないと、完全に光ファイバルー
プ31が断熱されて、光ファイバループ31からの若干の発
熱により、光ファイバループ31が高温になることを防ぐ
ためである。

次に、動作について説明する。

光ファイバループ31は、角速度を検知する部分であ
り、この光ファイバループ31の両端32、33に２つの光波
を同時に入れ、それらの光波が光ファイバループ31を互
いに逆まわりし、両端32、33から出た２つの光波を干渉
させ、その干渉強度から２つ光波の位相差を求め、その
位相差から回転角速度を知ることができる。

２つの光波の位相差と角速度の関係は比例関係にあ
り、一般に、ザグナック効果と呼ばれている。

ここで、この光ファイバループ31の温度が変化し、そ
の温度変化が、光が光ファイバループを一周する短時間
の間で考えたときに、光ファイバループ31の長さの中心
に対して非対称の場合、光ファイバの長さの変化が非対
称となり、その結果、２つの光波がそれぞれ通過する時
点での、その場所の光路長が異なり、２つの光波に角速
度が加わった場合と同様の位相差が生じ、それが光ファ
イバジャイロの零点変動として現われる。

零点変動を0.01度/hour以下に、押えるためには、温
度変動を0.013℃/hour（＝3.6×10−12℃／μsec）以下
に押える必要がある。

この温度変動の許容値は、光ファイバループ31の長さ
を、例えば、300mとすると、光が光ファイバループ31の
端点32、33間を通過するのに、１μｓを要し、その時間
内における、光ファイバループ31の全長にわたる温度変
化の不均一に起因する。端点32から入射した光の光路長
と、端点33から入射した光の光路長の差が許容値内に入
る条件からもとめたものである。

従来の技術は、熱伝導性の良い熱ブリッジ37が有るた
めに、熱の出入りが生じて、光ファイバループ31の温度
変動を、均一に、0.013℃/hour以下に押えるには、逆の
効果（温度変化しやすい）となっている。

さらに、従来の振動式位相変調器を使った光ファイバ
ジャイロは、特開昭56−94680号公報に記載されている
ようなものがある。

この従来の振動式位相変調器を使った光ファイバジャ
イロについて、第７図を参照して示す。

第７図は、光ファイバ41を、振動式位相変調器である
電気・力学効果を利用した圧電素子50に巻き付けた状態
を示す。これは、図示しない硬い板で挟むように取付け
られている。

この従来技術に係る光ファイバジャイロは、圧電素子
50の電極51、52に電圧を印加して、光ファイバ41を伸縮
させて、光路長を変える事により、位相変調を行う。

圧電素子50は、風鈴を下げる様に、糸で空中に吊すの
が最良であるが、従来、圧電素子50は、硬い板で挟むよ
うに取付けられていたため、圧電素子50の振動部が自由
に振動できず、高次の変調波の発生という変調歪による
零点変動や、振幅不足による変調度不足が生じる不具合
があった。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、周囲温度の変化に対する配慮が不足
しており、周囲温度が急変すると光ファイバループの温
度も急変し、この温度変化が不均一のため、光ファイバ
ジャイロに零点変動が発生する不具合があった。

また、従来、振動式光位相変調器は、硬い板で挟むよ
うに取付けられていたため、振動式光位相変調器の振動
部が自由に振動できず、変調歪による零点変動や、変調
度不足が生じる不具合があった。

本発明の目的は、零点変動が小さい高精度の光ファイ
バジャイロを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明は、振動式光位相
変調器とその取付部との間に、振動式光位相変調器をほ
ぼ点にて支持する弾性体を有する緩衝器を設けている。

〔作用〕

本発明によれば、振動式光位相変調器がほぼ点にて支
持されるため、当該変調器が自由に振動でき、十分な変
調度が得られ、また、変調歪も発生しないようにするこ
とができる。

その結果、光ファイバジャイロの零点変動の発生を防
止することができる。

〔実施例〕

以下、第１図〜第３図に基づき、本発明の実施例を説
明する。

本発明の第１の実施例を、第１図の縦断面図により、
説明する。

最初に、第１実施例の構成を述べる。

第１図において、光ファイバループ１は、巻枠２に数
ｍから数百ｍの１本の光ファイバ、例えば、偏波面保存
光ファイバをコイル状に巻き付けたものであり、光ファ
イバジャイロの図示しない光学系の主要部品である。

この光ファイバループ１と光位相変調器、光カプラ、
レーザダイオードなどの図示しない要素とを、組合せる
ことにより、最も一般的な位相変調式光ファイバジャイ
ロの光学系が形成される。

なお、本発明に係る熱緩衝箱は、位相変調方式の光フ
ァイバジャイロに限られるものではなく、ヘテロダイン
方式および零位方式等にも適用可能である。

この光ファイバループ１および巻枠２を、伝熱箱３で
囲み、その外側を断熱箱４で囲み、最外層を、伝熱箱５
で囲んだものである。

伝熱箱3,5および断熱箱４が、本発明に係る熱緩衝箱
を構成する。

巻枠２は、熱伝導率が大で線膨張率が小さいもの、例
えば、SiCセラミックスのような材質のものであり、単
なる巻枠の役目以外に、熱を拡散する作用と熱容量によ
り温度変化を小さくする作用がある。

伝熱箱３、５は、熱伝導率の極力大きな材質、例え
ば、アルミニウムや銅の密閉箱であり、空気の出入りを
防止する他に、熱を拡散する作用、並びに、熱容量によ
り温度変化を小さくする作用がある。断熱箱４は、熱伝
導率の極力小さな、すなわち、熱抵抗の大きな材質から
成る断熱材であり、例えば、発泡性合成樹脂のようなも
のである。

スペーサ６は巻枠２の中心部の空間に取付けられて、
これがないとすると、不規則な空気対流が生じて、不規
則な温度変化が発生することを防止するものである。

次に、動作について説明する。

まず、外部から局部的に熱伝導、あるいは、空気によ
る対流熱伝達、あるいは、ふく射などによって熱が加わ
った場合、その熱は伝熱箱５の熱伝導によって、表面に
沿って拡散され、また、熱容量によって温度上昇が緩和
される。

さらに、熱は、断熱箱４を熱伝導によって通過して、
伝熱箱３に加わる。このとき、伝熱箱３に加わる熱量
は、断熱箱４の断熱作用によって微量になるため、伝熱
箱３の各部の温度分布が均一になり、また、温度上昇が
非常に小さくなる。すなわち、伝熱箱３の熱時定数が実
効的に、大きくなり、外部から熱的な衝撃が加わった場
合にも、その衝撃が緩和され、伝熱箱３の温度変化が小
さくなり、伝熱箱３、５と断熱箱４は総合して熱緩衝箱
として作用する。

伝熱箱３の熱は、巻枠２及びスペーサ６に伝わって、
さらに、熱的な衝撃が緩和され、光ファイバループ１の
外周に、均一で、かつ、微量の熱が加わり、光ファイバ
ループ１の各部の温度が均一になると、同時に、温度変
化が極めて緩慢（熱時定数が数十分から数時間）にな
る。

その結果、光ファイバループ１を互いに逆方向に通過
する２つの光波のそれぞれの光路長が全く等しくなり、
光ファイバジャイロの零点変動の発生を防止できる。

第１実施例においては、第４図〜第６図に示す従来の
光ファイバジャイロにあった熱ブリッジを削除している
が、これは、温度変化を少なくするという理由のほか
に、以下の理由による。

光ファイバループ１が発熱した場合には、断熱箱４の
熱抵抗が無限大と仮定すると、光ファイバループ１の温
度は、伝熱箱３、巻枠２、光ファイバループ１およびス
ペーサ６の総熱容量と光ファイバループ１の発熱量との
積に見合った温度上昇率で、限りなく温度上昇すること
になり、非常に具合が悪いことになる。

そこで、従来の装置では、熱ブリッジを設けて不具合
を解消している。

ところが、実際には、断熱箱４が理想的な断熱箱でな
く、微量であるが熱を通すものであり、また、光ファイ
バループ１の発熱量は、光ファイバの全長が1Km、光フ
ァイバへ入れる光波の総パワーが1mW、損失が1dB/Kmと
しても、200μＷ程度であるため、光ファイバループ１
の温度変化の幅および温度上昇率は小さく、また、光フ
ァイバループ１の各部の温度分布も均一になる。

従って、熱ブリッジはなくても良い。

以上のように、本実施例によると、光ファイバループ
１の温度上昇率を小さくでき、かつ、光ファイバジャイ
ロの零点変動を最も小さくできる効果がある。

また、巻枠２をSiCセラミックスにすることにより、
光ファイバループ１の長さおよび半径の温度による変動
を小さくできるため、感度を安定化する効果がある。

また、第１の実施例の巻枠２と伝熱箱３の間に新たに
断熱箱を挿入してさらに多層化することにより、光ファ
イバループ１の温度変化の勾配がより小さくなり、光フ
ァイバジャイロの零点変動を最も小さくする効果があ
る。

次に、第２の実施例について第２図に示した縦断面図
により説明する。

この実施例は、第１の実施例の伝熱箱３、５を省略し
たものである。

第２図に示す光ファイバジャイロの角速度検出部であ
る光ファイバループ１は、巻枠２に巻かれており、これ
らは、断熱箱４によって囲まれている。巻枠２の中心部
には、スペーサ６が取付けられる。

次に、動作について説明する。

第２の実施例では、第１の実施例の伝熱箱３、５が省
略されているが、巻枠２には熱を拡散する作用と熱容量
があるため、断熱箱４の断熱作用を強化することによ
り、入ってくる熱量を小さくして、光ファイバループ１
の温度変化を緩慢にすることができ、第１実施例と同様
の効果を得ることができる。

この実施例によると、重量が大きな伝熱箱３、５がな
いため、光ファイバジャイロを軽量化できる効果があ
る。

また、第１実施例および第２実施例において、スペー
サ６を取り去り、その空間に、あまり発熱しない光学部
品例えば光カプラ、偏光子、光位相変調器の電子回路部
などを収納してもよく、その場合、光ファイバジャイロ
を小形化できる効果がある。

また、第１図の伝熱箱５の表面あるいは第２図の断熱
箱４の表面を、白色または鏡面状、例えば、ニッケルメ
ッキなどを施すことにより、ふく射熱の侵入による温度
上昇を防止することができ、発明の効果をより高めるこ
とができる。

また、第１図、第２図に示した実施例において、伝熱
箱３、５と断熱箱４とを、中央に貫通孔があるような形
状、例えば、ドーナツのような形状にしてもよく、その
場合、貫通孔部に発熱する部品、例えば、レーザダイオ
ードや電気回路などを収納することができ、光ファイバ
ジャイロを小形化できる効果がある。

また、以上の実施例によれば、光ファイバループ１の
温度変化が緩慢になるため、光ファイバループ１の温度
変化と光ファイバジャイロの出力変化との間に関連性が
発見されることが多く、光ファイバループ１の温度を、
サーミスタ等を用いて計測し、その温度を変数として、
コンピュータで演算処理し、光ファイバジャイロの出力
を補正することができ、本発明がより効果的になる。

なお、以上の実施例において、光ファイバループ１
は、光ファイバを巻枠２に、光ファイバの長さの中心に
対して、熱的に対称になるように、巻いたものが最適で
ある。

また、巻枠２の材質は、SiCセラミックスなどの特殊
な材質に限らず、一般に使用しているアルミニウムや合
成樹脂類でもよく、その場合に本発明の効果が消失する
ことはない。

次に、振動式光位相変調器の取付けに関する本発明の
第３の実施例を、第３図に示した分解組立図により説明
する。

第３図に示す光ファイバジャイロの角速度検出部であ
る光ファイバループ12は、電気・力学効果を利用した振
動式光位相変調器である圧電素子11に巻き付けて、さら
に、接着したものである。

これらの上下に２枚の緩衝器13を設けて、座金15を介
して、ネジ16により、台座14に取り付けたものである。
座金15と台座14は、圧電素子11の取付部である。

次に、動作について説明する。

圧電素子11は、電極に交流電圧を印加するとピエゾ効
果により振動し、円周方向の長さが伸縮する。

光ファイバループ12は、圧電素子11にコイル状に巻付
けて、接着剤で固定してあり、圧電素子11の円周方向の
長さの伸縮に比例して光ファイバ12の長さが伸縮するも
のである。

ところで、圧電素子11の電極に正弦波交流電圧を印加
すると、光ファイバ12の長さは正弦波で伸縮するもので
あるが、その状態は圧電素子11の取付け法によって微妙
に変化するものである。

圧電素子11の取付け法は風鈴を下げるように、圧電素
子11を糸で空中につり下げるのが最良の方法であるが、
その場合、圧電素子11の振動を防げるものは何もなく、
最も歪が小さくなる。本発明は、この取付け状態を実現
しようとするものである。

緩衝器13は圧電素子11の取付け具であり、柔軟性のあ
るゴム類や合成樹脂を棒状に成形したものである。中央
部のリング状の部分は、組立てに使うものであり、緩衝
機能を持たせる上で、不可欠のものではなく、柔軟性は
なくても良い。

座金15は単なる押え板であり、ねじ16は普通のねじで
ある。

これらの部品を図示した順序で重ね合せ、最後にねじ
16によって固定する。ねじ16をしめる際は、必要最小限
のトルクを与えることが重要である。

この結果、圧電素子11が、柔軟な緩衝器13を介して台
座14に取付けられるため、圧電素子11の振動が自由にな
り、十分な変調度が得られ、また、変調歪も発生しな
い。

本実施例によると、比較的簡単な構成であるにもかか
わらず、変調歪を非常に小さくする効果がある。

また、第３図の実施例では、緩衝器13と圧電素子11の
接触点を１面当り４点にしているが、これに限らず、例
えば２点（上下が直交するように並べる）でもよく、そ
の場合、多少不安定になるが、緩衝器13の柔軟性が増
し、緩衝効果がます。

また、緩衝器13は、一般に市販されている輪ゴムを切
って適当数並べてもよく、その場合、緩衝器13を安価に
する効果がある。

また、緩衝器13と圧電素子11との接触点部の断面は角
形に限らず、円形や三角形でもよく、それによって発明
の効果が変ることはない。

さらに、この緩衝器13を使用した光ファイバループを
第１、第２の実施例に示した熱緩衝箱で囲むことによ
り、変調歪による零点変動が少く、かつ温度変化による
零点変動も少なくなり、高精度な光ファイバジャイロが
提供できる。

本発明に係る光ファイバジャイロを用いて、ナビゲー
ションシステムを構成すると、温度変化があっても、ド
リフトの少い高精度なナビゲーションシステムを提供す
ることができる。

このナビゲーションシステムを車両、船舶、航空機、
人工衛星等の移動体に適用することにより、耐機械環境
性および、耐熱環境性に秀れた、ナビゲーションシステ
ムを有する移動体が提供できる。以上述べたように、本
発明によると、以下の効果が有る。

光ファイバループを軽量な断熱材の箱だけで囲むこと
によって、軽量でかつ、零点変動の小さな光ファイバジ
ャイロを実現できる。

また、熱緩衝箱を、断熱剤と熱伝導材の多層構造にす
ることによって、光ファイバループの温度変化を最も緩
慢にすることができるため、最も零点変動の小さな光フ
ァイバジャイロを実現できる。

また、光ファイバループの巻枠を、熱伝導率が大で、
線膨張係数が小さな材質のもにした場合は、零点変動と
感度変動の小さな光ファイバジャイロを実現できる。

また、熱緩衝箱の表面を、白色または鏡面状にしてふ
く射熱の侵入をしゃ断し、光ファイバループの温度変化
を小さくすることにより、零点変動と感度変動の小さな
光ファイバジャイロを実現できる。

また、緩衝器を棒状ゴムにすることにより、低コスト
で零点変動が小さな光ファイバジャイロを実現できる。

［発明の効果］本発明は，以上に説明したように構成されているた
め、以下に記載するような効果がある。

振動式光位相変調器を、弾性体によりほぼ点にて支持
するため、振動の自由を妨げることがなくなって、変調
歪が小さくなり、最終的に零点変動が小さな光ファイバ
ジャイロを実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の実施例に係る光ファイバループの巻枠と
熱緩衝箱の縦断面図、第２図は第２の実施例に係る光フ
ァイバループと巻枠と熱緩衝箱の縦断面図、第３図は第
３の実施例の分解組立図、第４図は従来技術を説明する
ための光ファイバループの斜視図、第５図は従来技術に
係る光ファイバループをシールド材で囲んだものの断面
図、第６図は従来技術に係る二重の外囲器と熱ブリッジ
を備えた光ファイバループの断面図、第７図は従来技術
に係る圧電素子に光ファイバを巻き付けたものの斜視図
である。１…光ファイバループ、２…巻枠、3,5…伝熱箱、４…
断熱箱、11…圧電素子、12…光ファイバ、13…緩衝器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者牧野淳一茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者梶岡博茨城県日立市日高町５丁目１番１号日立電線株式会社日高工場内 (72)発明者熊谷達也茨城県日立市日高町５丁目１番１号日立電線株式会社日高工場内 (56)参考文献実開昭61−181319（ＪＰ，Ｕ) 実開平２−45514（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】コイル状の光ファイバループ内を互いに逆
方向に通過する２つの光波を、光ファイバを巻き付けた
振動式光位相変調器によって、変調して干渉させ、サグ
ナック効果によって生じる位相差から、角速度を検出す
る光ファイバジャイロにおいて、前記振動式光位相変調器と前記振動式光位相変調器の取
付部との間に設けられた緩衝器であって、前記振動式光
位相変調器と前記取付部とに挟まれた部分に、前記振動
式光位相変調器をほぼ点にて支持する弾性体を有する緩
衝器を備えたことを特徴とする光ファイバジャイロ。
【請求項２】前記光ファイバループと、前記振動式光位
相変調器と、前記緩衝器とを取り囲む熱緩衝箱を備えた
ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバジャイ
ロ。
【請求項３】請求項１または２に記載の光ファイバジャ
イロを備えたことを特徴とするナビゲーションシステ
ム。
【請求項４】請求項３に記載のナビゲーションを搭載し
たことを特徴とする移動体。