JP2866276B2 - 光回転角速度センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野】本発明は光回転角速度センサに関
する。

【従来の技術】図１６（ａ）、図１６（ｂ）はそれぞれ
位相変調方式の従来の光回転角速度センサの概略図を示
す。同図（ａ）、図（ｂ）において、光回転角速度セン
サは、光学系１と信号処理回路２とで形成されている。
同図（ａ）において光学系１は、レーザ光を一方向（図
の右側方向）に出射する光源３と、一端が光源３の出射
側に光ファイバ４及び光カプラ５を介して接続されレー
ザ光を偏向する偏光子６と、偏光子６に接続されレーザ
光を分岐／結合する光カプラ７と、光カプラ７に接続さ
れレーザ光を左右両方向に伝搬させるセンシングループ
８と、センシングループ８の他端に接続されセンシング
ループ８内を伝搬するレーザ光の位相をずらす位相変調
器９と、センシングループ８内で左右両方向に伝搬した
レーザ光を、光カプラ７、偏光子６、光カプラ５及び光
ファイバ１０を介して受光してセンサ信号に変換する受
光器１１と、受光器１１に接続されセンサ信号を増幅す
るプリアンプ１２とで形成される。光源３から出射した
レーザ光は、光カプラ５で分岐され、分岐された一方の
レーザ光は偏光子６及び光カプラ７を介してセンシング
ループ８に導かれる（他方のレーザ光は使用しない）。
センシングループ８内を伝搬した左右両回りレーザ光は
位相変調器９で位相がずらされると共に光カプラ７で結
合され、偏光子６、光カプラ５及び光ファイバ１０を介
して受光器１１に導かれる。このセンシングループ８を
含む系全体が、センシングループ８内の（紙面に垂直
な）軸の回りに角速度Ωで回転すると、センシングルー
プ８内を伝搬する左右両回り光に位相差が生じ（サニャ
ック効果）、受光器１１に達するレーザ光の大きさが変
化する。この受光器１１からのセンサ信号がプリアンプ
１２を介して信号処理回路２に入力される。信号処理回
路２は、位相変調器９に一定周波数の正弦波ｆｍを印加
する発振器１３と、受光器１１から出力される位相変調
周波数及びその高調波信号を各周波数成分に分離する同
期検波器１４と、同期検波器１４で得られた信号をデジ
タル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１５と、デジタル信号
より角速度Ωを演算するＣＰＵ１６とで形成されてい
る。このような図１６（ａ）に示す光回転角速度センサ
は、例えば高精度光ジャイロに適用され航空機や人工衛
星等の姿勢制御に利用される。図１６（ｂ）に示す光回
転角速度センサは、光学系１ｂが図１６（ａ）の光学系
１ａから光カプラ５を省略したものであり、その他の構
成は図１６（ａ）の光回転角速度センサと同一である。
このような図１６（ｂ）に示す光回転角速度センサは、
例えばナビゲーションシステム用の光ジャイロ等に利用
される。

【発明が解決しようとする課題】ところで、図１６
（ａ）に示す光回転角速度センサは、次のような問題が
ある。 （１）部品点数が多いため、光回転角速度センサの価格
が高価になると共に組み立て工程が複雑となる。また信
頼性も低下する。 （２）各デバイスで損失が生じて光信号出力が小さくな
るので、センサ信号出力を所定の大きさに維持するため
光源３の光量を増加させる必要がある。その結果光源３
に流す電流を増加させることにより光源３に負担がかか
り光源３の寿命が短くなり、Ｓ／Ｎ比の低下や、故障の
原因となる。故障に気が付かない場合には遭難するおそ
れがあるので故障の判定が必要である。また、図１６
（ｂ）に示す光回転角速度センサは、センシングループ
８を伝搬する左右両回りのレーザ光が同一光路を通らな
いようになっている。すなわち、センシングループ８内
を右回りするレーザ光は分岐路としての光カプラ７を２
回通り、センシングループ８内を左回りするレーザ光は
結合路としての光カプラ７を２回通ることになる。光カ
プラ７の結合部におけるレーザ光の位相は非常に微妙で
あり、製造方法や温度変化により透過光、結合光間に位
相差が容易に生じる。この位相差はサンヤック効果によ
る位相差と区別することができないため、センシングル
ープ８の静止中でも受光器１１からセンサ信号が誤って
出力されてしまう。そのため、次のような問題点があ
る。 （３）光カプラ７の透過、反射モードの位相差によって
相反性が成立しない（両回り光が同一の経路を通らな
い）ので角速度のバイアスが生じ信頼性が低下してしま
う。そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、簡単
な構成で、高Ｓ／Ｎ比が得 られ、故障判定ができ、しか
も信頼性が高い光回転角速度センサ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、光源からの光を光カプラで分岐し、その分
岐光を位相変調器で位相をずらせた後それぞれセンシン
グループに導き、センシングループを伝搬した左右両回
り光を光カプラで再び結合した後の信号光を、光源の出
射側の反対側に設けた受光器で検出して増幅器で増幅し
た後、角速度情報を得るようにしたものである。また本
発明は、光源からの光を光カプラで分岐し、その分岐光
を位相変調器で位相をずらせた後それぞれセンシングル
ープに導き、センシングループを伝搬した左右両回り光
を光カプラで再び結合した後の信号光を、光源の出射側
の反対側に設けた受光器で検出して増幅器で増幅した
後、角速度情報を得ると共に、受光器の出力信号の交流
成分の振幅に基づいて光源の出力を調整して出力信号を
安定化させ、受光器の出力信号の交流成分の振幅を監視
し、故障判定を行うものである。さらに本発明は、光源
からの光を光カプラで分岐し、その分岐光を位相変調器
で位相をずらせた後それぞれセンシングループに導き、
センシングループを伝搬する左右両回り光間の位相差と
等しい位相バイアスを位相変調器に加え、センシングル
ープを伝搬して位相差を打ち消された光を光カプラで再
び結合した後の信号光を、光源の出射側の反対側に設け
た受光器で検出して増幅器で増幅した後、角速度情報を
得るようにしたものである。

【作用】上記構成によれば、センシングループを伝搬し
た左右両回り光を光カプラで再び結合した後の信号光
を、光源の出射側の反対側に設けた受光器で検出し、増
幅器で増幅して角速度情報を得るようにしたので、高Ｓ
／Ｎ比が得られ、光信号検出用の受光器及びカプラの数
をそれぞれ２台から１台に減少することができ、製造工
程が短縮される。また光学系の部品が減少することによ
り損失が低下するため、光源の光量を低減することがで
き低消費電力化及び光源の寿命を延長させることができ
低消費電力化及び光源の寿命を延長させることができ
る。しかも受光 器の出力信号の交流成分の振幅を監視す
ることにより故障の判定を行うことができる。

【実施例】以下、本発明の一実施例を添付図面に基づい
て詳述する。図１は本発明の前提となった光回転角速度
センサの概略図である。同図において、光回転角速度セ
ンサは、光学系２０と信号処理回路２１とで構成されて
いる。光学系２０は、レーザ光を前後両方向（図の左右
両方向）に出射するＬＤ（Ｌａ−ｓｅｒ ｄｉｏｄｅ）
と、一端がＬＤ２２の前方出射側（図の右側）に光ファ
イバ２３を介して接続されレーザ光を分岐／結合する光
カプラ２４と、光カプラ２４に接続されレーザ光を左右
両方向に伝搬させるセンシングループ２５と、センシン
グループ２５の他端に接続されセンシングループ２５内
を伝搬するレーザ光の位相をずらす位相変調器２６と、
ＬＤ２２の前方出射側の反対側、すなわち後方出射側
（図の左側）に接続され、かつ、ＬＤと一体的に形成さ
れ、センシングループ２５で左右両方向に伝搬したレー
ザ光を、光カプラ２４、ＬＤ２２を介して受光してセン
サ信号に変換する受光器としてのＰＤ（Ｐｈｏｔｏｄｉ
ｏｄｅ）２７とで形成されている。ここで位相変調器２
６はシリンダ型のＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に光
ファイバを巻き付けたものであり、センシングループ２
５用のコイルは楕円コア型の偏波面保存型光ファイバ
（又はシングルモード光ファイバにデポラライザを組み
合わせたもの）であり、光カプラ２４は光ファイバを融
着延伸したものでセンシングループ２５用のコイルの両
端に直接加工されて形成される。尚、ＬＤ２２とＰＤ２
７とで光源モジュール２８を形成している。ここで、光
源モジュールについて図２及び図３を参照して説明す
る。図２（ａ）は図１に示した光源モジュールの回路図
であり、図２（ｂ）はその外観図である。同図（ａ）及
び（ｂ）に示すように光源モジュール２８は矢印Ｐ _１ 方
向にレーザ光を出射すると共に、矢印Ｐ _２ 方向のレーザ
光を受光するようになっており、３個の端子２８ａ〜２
８ｃを有している。光源モジュール２８は前述したよう
に内部にＬＤ２２とＰＤ２７とを内蔵しており、ＬＤ２
２のカソードとＰＤ２７のカソードとが共通に、例えば
端子２８ａに接続され、ＬＤ２２のアノードは端子２８
ｂに接続され、ＰＤ２７のアノードは端子２８ｃに接続
されている。尚、端子２８ｂは例えば図示しない光源駆
動回路に接続され、端子２８ｃは信号処理回路２１に接
続され、端子２８ａは接地される。ＬＤ２２は矢印Ｐ _１
方向及び矢印Ｐ _１ とは逆の矢印Ｐ _３ 方向、すなわち前後
両方向にレーザ光を出射し、ＰＤ１７はＬＤ２２から出
射される前後出射光のうち矢印Ｐ _３ 方向の後方出射光を
受光するようになっている。このような光源モジュール
２８は市販されており、例えばコンパクトディスク用レ
ーザに使用されている。ＬＤ２２から矢印Ｐ _１ 方向に出
射したレーザ光をコンパクトディスクに照射して得られ
る反射光や回折光等の戻り光を他のＰＤ（共に図示せ
ず）で受光して信号を取り出す。ＰＤ２７は、ＬＤ２２
から出射される後方出射光を受光して電気信号に変換し
て図示しない制御回路に送出し、矢印Ｐ _１ 方向の出射光
の光量を安定化させるのに用いられる。ところで図３は
光源モジュールのＬＤからの出射光をＬＤに戻したとき
のレーザ特性の変化を検出する回路図である。同図にお
いて、ＬＤ２２の前方に一対のレンズ２９ａ、２９ｂが
配置され、レンズ２９ｂの焦点位置にミラー３０が上下
方向に移動可能に設けられている。ミラー３０が破線で
示す位置にあるときは、ＬＤ２２から前方に出射したレ
ーザ光はレンズ２９ａで集光された後発散しながら前方
に進む。ミラー３０が実線で示す位置にあるときは、Ｌ
Ｄ２２から前方に出射したレーザ光はレンズ２９ｂで集
光され、ミラー３０で反射して、同一光路を逆方向に進
みＬＤ２２に戻ると共にＰＤ２７で受光されるようにな
っている。図４は図３に示した回路図において、ミラー
３０の位置と注入電流Ｉ _１ に対するＰＤの出力電流Ｉ _２
の変化との関係を示す図であり、横軸がＬＤの注入電流
Ｉ _１ （ｍＡ）を示し、縦軸がＰＤの出力電流Ｉ _２ （ｍ
Ａ）を示している。同図より、ＬＤ２２から出射したレ
ーザ光がミラー３０で反射して再びＬＤ２２に戻った場
合（戻り光有り）のＰＤ２７の出力電流Ｉ _２ が、ミラー
３０で反射されない場合（戻り光無し）のＰＤ２７の出
力電流Ｉ _２ に比較してΔＩ _２ だけ大幅に増加しているの
がわかる。このようにレーザ光がレーザ自身に戻ってく
るとレーザ特性が変化する現象を「自己結合効果」と呼
んでいる。本願はこの「自己結合効果」を利用すると共
に、光源モジュール２８のＰＤ２７をセンシングループ
２５からの左右両伝搬光の検出に利用して光回転角速度
を求めるものである。図１に戻って、センシングループ
２５が、センシングループ２５内の（紙面に垂直な）軸
の回りに角速度Ωで回転すると、センシングループ２５
内を伝搬する左右両回り光に位相差が生じ、ＰＤ２７に
達するレーザ光の大きさが変化する。このＰＤ２７から
のセンサ信号が信号処理回路２１に入力される。信号処
理回路２１は、前述のように位相変調器２６に一定周波
数の正弦波ｆｍを印加する発振器１３と、ＰＤ２７から
出力される位相変調周波数及びその高調波信号を各周波
数成分に分離する同期検波器１４と、同期検波器１４で
得られた信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１
５と、デジタル信号より角速度Ωを演算するＣＰＵ１６
とで形成されている（図１６参照）。ところで、従来は
ＬＤ２２の出射光量の制御に用いられるＰＤ２７をセン
サ信号の検出に使用するため、以下のような方法でＬＤ
２２の出射光量の制御が行われる。光回転角速度センサ
の光学系２０のＰＤ２７は、矢印Ｐ _２ 及びＰ _３ 方向のレ
ーザ光を受光しており（図２（ｂ））、このＰＤ２７か
ら出力されるセンサ信号Ｐ（ｔ）は数１で表される。

【数１】 ｐ（ｔ）＝Ｉ _０ ｛１＋ｃｏｓ（ψ _ｓ ＋ｍｃｏｓ２πｆｍｔ）｝ ただし、Ｉ _０ はセンシングループ２５用のコイルの伝搬
光出力、ｍは定数、ｆｍは変調周波数、ψ _ｓ はサニャッ
ク位相差をそれぞれ示す。信号処理回路２１は、数１中
の直流出力信号成分Ｉ _０ （矢印Ｐ _３ 方向のレーザ光によ
る電流に相当する）を電圧に変換した後、この電圧が一
定になるようにＬＤ２２に注入する電流Ｉ _１ を調整する
ようになっている。次に図１に示した光回転角速度セン
サの作用を述べる。図１及び図２においてＬＤ２２から
矢印Ｐ _１ 方向に出射したレーザ光は、光ファイバ２３を
介して光カプラ２４に入射して分岐され、一方のレーザ
光は光カプラ２４を介してセンシングループ２５に導か
れる。センシングループ２５内を伝搬した左右両回りレ
ーザ光は、光カプラ２４に再び入射して結合され光ファ
イバ２３を介してＬＤ２２へ矢印Ｐ _２ 方向に入射され
る。この矢印Ｐ _２ 方向のレーザ光はＬＤ２２を通過し、
ＰＤ２７はこの矢印Ｐ _２ 方向のレーザ光と矢印Ｐ _３ 方向
のレーザ光とを受光する。センシングループ２５を含む
系全体が角速度Ωで回転すると、位相変調器２６のＰＺ
Ｔに周波数ｆｍの正弦波が印加されるとＰＤ２７からの
センサ信号にはｆｍ、２ｆｍ、４ｆｍ…等の高調波成分
が含まれる。ｆｍはｓｉｎΩに比例し、２ｆｍと４ｆｍ
とはｃｏｓΩに比例するので、ｆｍ成分と２ｆｍ成分の
比を求めることにより、光回転角速度が求められる。ま
た信号処理回路２１は、２ｆｍ成分と４ｆｍ成分との比
を一定にする機能を有しており、位相変調器２６の変調
度を制御するようになっている。以上において、光回転
角速度センサはＰＤ２７で検出したセンサ信号より角速
度情報を得るようにしたので、従来用いられていたセン
サ信号検出用の受光器及び光カプラの数をそれぞれ２台
から１台に減少することができ、製造工程が短縮され
る。また光学系の部品が減少することにより損失が低下
するため、光源の光量を低減することができ低消費電力
化及び光源の寿命を延長させることができる。また、光
カプラ２４の入力ポートより信号を抽出しているため、
センシングループ２５用のコイル内の両回りレーザ光が
光カプラ２４内で透過と反射とを１回ずつ行うので、相
反性が成立し、光回転角速度のバイアスが生じることが
なく信頼性が向上する。以下、図５〜図１０は本発明の
前提となった他の光回転角速度センサの概略図である。
尚、図１と共通の部材には共通の符号を用いた。図５に
おいて、図１に示した光回転角速度センサとの相違点
は、ＬＤ２２と光カプラ２４との間に偏光子３２を設け
て光学系３１を形成した点である。これにより、ＬＤ２
２からＳ偏向またはＰ偏向のいずれか一方のレーザ光を
センシングループ２５内に伝搬させて光回転角速度を求
めることができる。図６において、図１に示した光回転
角速度センサとの相違点は、ＬＤ２２に偏光子３２を接
続し、この偏光子３２に、Ｙ分岐光導波路としての光カ
プラ（Ｙ−カプラ）４０と位相変調器４１とをＬｉＮｂ
Ｏ _３ 基板上にＴｉを拡散させて形成した導波路を接続
し、光学系４２を形成した点である。光カプラ４０と位
相変調器４１とを一体化することにより、部品点数を削
減して低コスト化することができると共に光回転角速度
センサを小型化することができる。図７において、図１
に示した光回転角速度センサとの相違点は、位相変調器
４１及び偏光子４３を、光カプラ４０に接続すると共に
半導体基板上に形成した点である。ここで、図１に示し
たＰＤ２７の出力信号を調べた結果、ＬＤ２２の後方出
力光による信号成分に対し約１／１００〜１／１０００
程度の角速度情報が含まれていることが判った。つま
り、光カプラ２４を通過して戻った干渉光はＬＤ２２の
発光領域を通過して後方のＰＤ２７に到達していたので
ある。ＬＤ２２の後方出力光による信号成分は直流であ
るため、交流分を選択的に増幅することにより角速度情
報のみを分離、抽出することができる。このような系は
光カプラ２４を１個用いることでセンシングループ２５
両回り光に対し光学的な相反系となるため、ＳＣＲ（Ｓ
ｉｎｇｌｅ Ｃｏｕｐｌｅｒ Ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ）
方式と称する。図７において、同一の半導体基板に光カ
プラ４０、位相変調器４１、偏光子４３及び導波路４４
が形成された光ＩＣ４５の一端（図の左側）にＬＤ２２
が接続され、この光ＩＣ４５の他端に光結合部４６が接
続されている。導波路４４はＬｉＮｂＯ _３ 基板にＴｉが
拡散されて形成され、偏光子４３はこの導波路４４上に
アルミニウムを蒸着して形成されている。位相変調器４
１は導波路４４上にＳｉＯ _２ の緩衝層が形成され、この
緩衝層の上にＡｕ電極が設けられて形成されている。
尚、偏光子４３の部分に用いられる金属にはアルミニウ
ムを用いたが、これに限定されず、他の金属を用いても
よく、ＳｉＯ _２ ／ＴｉＯ _２ 等の多層膜を用いてもよい。
さらに導波路４４はＴｉ拡散導波路であるが、ピロリン
酸、安息香酸等を用いて形成するプロトン交換導波路と
することもできる。この場合、導波路４４自体が偏光子
４３の機能を有するので、改めて偏光子４３を形成する
必要はない。光ＩＣ４５に後端（図の左側）にはＬＤ２
２を介してＰＤ２７が設けられ、光結合部４６にはセン
シングループ２５の光ファイバが接続されている。ＬＤ
２２と光ＩＣ４５との結合、光ＩＣ４５とセンシングル
ープ２５の光ファイバとの結合は各々端面の直接対向接
続であり、間隙には屈折率整合を兼ねたＵＶ硬化樹脂が
充填されて硬化され、相互に機械的に固定されている。
センシングループ２５には楕円コア型偏波面保存光ファ
イバが用いられている。光ＩＣ４５のサイズは幅約２ｍ
ｍ、長さ約２０ｍｍ、厚さ約１ｍｍ程度の大きさを有し
ている。ＬＤ２２から出射した光は、偏光子４３を通過
し、光カプラ４０で等分配される。等分配された一方の
光は位相変調器４１を通過してセンシングループ２５に
入射する。センシングループ２５を通過した両回り光
は、光カプラ４０で合成されて干渉し、偏光子４３、Ｌ
Ｄ２２を通過してＰＤ２７に入射し、このＰＤ２７から
角速度情報が取り出される。このようにＳＣＲ方式とす
ることにより、従来と比較して部品数を削減することが
でき、素子間の接続作業が不要となり、小型化、低価格
化が図れると共に安定性、信頼性が向上する。位相変調
器４１の高速動作が可能となり、センシングループ２５
の長さを短くすることができる（従来のセンシングルー
プの長さは２００ｍで、本光回転角速度センサのセンシ
ングループ２５の長さは約５０ｍ）。図８において、図
７に示した光回転角速度センサとの相違点は、ＬＤ２２
とＰＤ２７とを同一の半導体基板上に形成した点であ
る。同図において、光カプラ４０、位相変調器４１、偏
光子４３及び導波路４４が同一の半導体基板上に形成さ
れた光ＩＣ４５と、ＬＤ２２ａ及びＰＤ２７ａがＧａＡ
ｓ基板上に形成された送受光素子４７とが接続されてい
る。ＬＤ２２ａから出射した光は、偏光子４３を通過
し、光カプラ４０で等分配され、光結合部４６を通過し
てセンシングループ２５に入射する。センシングループ
２５を通過した両回り光は光カプラ４０で合成されて干
渉し、偏光子４３、ＬＤ２２ａを通過してＰＤ２７ａに
入射し、角速度情報として出力されるようになってい
る。図９において、図８に示した光回転角速度センサと
の相違点は、光ＩＣ４５とＬＤ２２との間に集光レンズ
４８を設けた点である。集光レンズ４８にはセルフォッ
クレンズを用いたが、これに限定されるものではなく、
円筒ガラスの両端に凸状の曲面を形成したドラムレンズ
や、球、半球等マイクロレンズ等を用いてもよい。集光
レンズ４８を用いることにより、ＬＤ２２から出射した
レーザ光を効率的に光ＩＣ４５の導波路４４に入射させ
ることができる。尚、センシングループ２５の光ファイ
バと光結合部４６における光ファイバ端末の位置決めに
はシリコンＶ溝を用いたが、ガラスやセラミック等のＵ
溝やＶ溝、キャピラリを用いてもよい。図１０におい
て、図１及び図９に示した光回転角速度センサとの相違
点は、信号処理回路２１ａを、ＬＤ２２ａ及びＰＤ２７
ａが形成された同一の半導体基板上に形成した点であ
る。ＬＤ２２ａ、ＰＤ２７ａ及び信号処理回路２１ａを
同一の半導体基板上に形成したＯＥＩＣ４９は、ＧａＡ
ｓ基板上に形成されており、ＰＤ２２ａからの角速度情
報を増幅し、演算、整形及びＡ／Ｄ変換等を行うように
なっている。ＯＥＩＣ４９は、Ｓｉ基板上の一部にＧａ
Ａｓを結晶成長させ、このＧａＡｓ部分にＬＤ２２ａを
形成し、Ｓｉ基板の部分にＰＤ２７ａ及び信号処理回路
２１ａを形成してもよい。光ＩＣ４５とセンシングルー
プ２５の光ファイバとの結合、光ＩＣ４５とＯＥＩＣ４
９との結合は、各々端面の直接対向接続であり、間隙に
は機械的固定と屈折率整合を兼ねたＵＶ硬化樹脂を充
填、硬化させることによって行った。このようにＯＥＩ
Ｃ４９と、光ＩＣ４５とを結合することにより、各素子
の接続箇所が減少して製造工程が減少し、小型化するこ
とができる。図１１は本発明の光回転角速度センサの概
略図である。図１に示した光回転角速度センサとの相違
点は、光カプラ４０、偏光子４３、位相変調器４１、Ｌ
Ｄ２２ａ及びＰＤ２７ａを、同一の半導体基板上に形成
した点である。ＬＤ２２ａ、ＰＤ２７ａ、光カプラ４
０、位相変調器４１、偏光子４３、光導波路４４及び光
増幅器５０が同一のＧａＡｓ基板上に設けられて光ＩＣ
５１を形成し、この光ＩＣ５１がセンシングループ２５
に結合されて光回転角速度センサを形成している。ＬＤ
２２ａから出射した光は、偏光子４３を通過し、光カプ
ラ４０で等分配され、一方の光は位相変調器４１を通過
して光カプラ４０を通過し、センシングループ２５内に
入射する。センシングループ２５内を通過した両回り光
は、逆の経路（光カプラ４０〜偏光子４３〜ＬＤ２２
ａ）を通過し、光増幅器５０を通過してＰＤ２７ａに入
射し、電気信号に変換されて角速度情報が出力されるよ
うになっている。この光増幅器５０により角速度情報の
Ｓ／Ｎ比を約１０ｄＢ向上させることができた。図１２
は本発明の光回転角速度センサの他の実施例の概略図で
ある。図１２において、図１１に示した実施例との相違
点は光ＩＣ６０を用いると共に、光ＩＣ６０の両端面が
直角ではなく、角度θだけ傾斜している点である。同図
に示すように、半導体基板上に光カプラ６１が形成され
た光ＩＣ６０の端面が角度θだけ傾斜しており、この光
ＩＣ６０の一方の端面（図の右側）に光結合部６２が接
続されている。この光結合部も端面が角度θだけ傾斜し
ており、センシングループ２５を保持すると共に、セン
シングループ２５を導波路６３に結合している。光ＩＣ
６０の両端面が傾斜していることで導波路６３の端面で
の反射光が再び導波路６３に戻ることによる雑音を減少
させることができる。この角度θは約１５゜が好まし
い。ところで、ＰＤ２７への入射光の強度Ｐはセンシン
グループ２５の回転角速度をΩとし、ｋを定数とすると
数２で表される。

【数２】 Ｐ_＋ｃｏｓ（ｋΩ） しかし、数２より回転角速度Ωが小さい領域では感度が
悪く、かつ、回転方向の識別ができないため位相変調器
２６によりセンシングループ２５内を伝搬する両回り光
間に相対的に時間遅れのある位相変調をかけ、ＰＤ２７
からの出力信号の基本波成分を抽出することにより数３
で表されるように感度の最適化を図ると共に、回転方向
の識別を可能にしている。

【数３】 Ｐ_＋ｓｉｎ（ｋΩ） 基本波成分を安定に抽出するためには、ＬＤ２２の出力
安定は必須条件である。そこで本発明のようにＬＤ２２
の光出力をＰＤ２７によってモニタしている。しかしな
がら、ＰＤ２７の出力の直流成分を直接取り出すと、ジ
ャイロ信号である交流成分に影響を及ぼすため、特性が
劣化する（ノイズの増加等）ことがある。そこで本発明
者らは図１３に示すような光回転角度センサを提案し
た。図１３において、図１１に示した実施例との相違点
は、ＰＤ２７で受けた光の交流成分、すなわちジャイロ
信号の振幅をモニタしてＬＤ２２の出力を調整する点で
ある。ＬＤ２２と、ＬＤ２２の後方出射側に設けられた
ＰＤ２７と、ＬＤ２２の前方出射側に設けられた集光レ
ンズ６４とで光源モジュール６５が構成されている。Ｌ
Ｄ２２から出射した光は集光レンズ６４を介して光ファ
イバ３２に入射され、偏光子２４を通って光カプラ２４
で右回り光と左回り光とに分岐される。左右両回り光
は、センシングループ２５、位相変調器２６を逆回りに
伝搬して再び光カプラ２４で結合する。このとき位相変
調器２６に交流的な変調信号Ｓｍを加えることによって
出力を変調させる。光カプラ２４で結合した光は、偏光
子３２、集光レンズ６４及びＬＤ２２を通過してＰＤ２
７で電気信号に変換される。そこでの交流成分、すなわ
ちジャイロ信号Ｓｊの振幅の増減に従い、ＬＤ２２への
供給電流調整回路６６で供給電流を調整することにより
角速度情報の安定化が行われる。すなわち、従来は温度
変化によりＰＤ２７の出力信号の振幅が変化し、分解能
が変化したが、ＰＤ２７の出力信号の振幅Ａｓｊを直接
制御するため、温度変化に対しても特性が安定するよう
になった。また、ＬＤ２２の出力低下や位相変調器２６
の破損等の原因でジャイロ信号の振幅が減少した場合の
故障検知機能としてマイクロコンピュータ６７でジャイ
ロ信号Ｓｊの振幅Ａｓｊを監視し、振幅Ａｓｊの減少時
に故障信号を出力することにより光回転角速度センサを
他の機器と組み合わせて使用した際に光回転角速度セン
サの異常を早期に発見することにより、被害を最小限に
抑えることができる。尚、本実施例は単一カプラ方式で
あるが、これに限定されるものではなく２カプラ方式に
も適用できる。図１４において、図１１に示した実施例
との相違点は、変調方式をセロダイン方式とし、光源に
ＳＬＤを用いた点である。ここでセロダイン方式の光回
転角速度センサについて説明する。図１７はセロダイン
方式の従来の光回転角速度センサの概略図を示す図であ
る。スーパールミネッセントダイオード（以下ＳＬＤと
いう）３ａから出射した光は、光カプラ５に入射した後
偏光子６ａで偏光され、光カプラ７に入射する。光カプ
ラ７から出射した光はセンシングループ８内を左右両方
向に回転した後再度光カプラ７内で結合し、偏光子６
ａ、光カプラ５を経て受光器１１で受光される。受光器
１１からの出力信号は、パルス発生器１７のパルス波に
同期した２つの復調器１４ａ、１４ｂに入力され、復調
器１４ａ、１４ｂで復調された信号はそれぞれサーボル
ープ１８ａ、１８ｂに入力される。サーボループ１８ｂ
の出力は階段波形発生器１３ａに入力される。階段波形
発生器１３ａの出力とパルス発生器１７のパルス波とが
共に電圧制御増幅器１９に入力される。電圧制御増幅器
１９の出力は、サーボループ１８ａの出力に基づいて位
相変調器９ａに入力される。この位相変調器９ａには図
１８（ａ）に示すような方形波が加えられる。ここで図
１８は図１７に示した光回転角速度センサの動作を説明
するための説明図である。同図（ａ）は位相変調器に入
力される位相変調波の波形を示す図であり、横軸が時間
軸を示し、縦軸が電圧を示している。この方形波が図１
６に示した位相変調方式の光回転角速度センサにおける
正弦波と同様の役割、すなわち位相バイアスを与える役
割を果たす。デジタルセロダイン方式では、サニャック
効果により生じた左右両回り光の間の位相差をキャンセ
ルするため、方形波は階段電圧として加えられる。ここ
で階段電圧１段分の時間ｔは、光ファイバコイル内を光
が伝搬する時間τと等しくなるように設定されている。
受光器１１上での左右両回り方向の光の位相差は図１８
（ｂ）のようになる。図１８（ｂ）はセンシングループ
の左右両回り光間の位相差を示す図であり、横軸が時間
軸を示し、縦軸が位相差を示している。尚図中のＫは定
数である。サーボループ１８ａはＫ・Ｖｓによりサニャ
ック位相差を補償するように電圧Ｖｓに帰還をかける。
予め設定したΔＶ＝Ｖｍａｘ−Ｖｍｉｎと比較して階段
電圧にリセットがかけられる。ΔＶに相当した位相変化
が２πならばこのリセット周波数は回転角速度に比例す
ることがわかる。ところで、階段電圧のリセット時には
図１８（ｂ）に示したように他の部分とは異なる位相差
が現れる。リセット幅φｐが２πの場合には、干渉結果
である受光器出力には変化は見られない。リセット幅φ
ｐが２πからずれると図１８（ｃ）のように誤差信号が
得られる。図１８（ｃ）は受光器の出力を示す図であ
り、横軸が時間軸を示し、縦軸が電圧を示している。従
ってサーボループ１８ｂにより、この誤差信号が零にな
るようにリセットのタイミングを決めればリセット幅φ
ｐが＝２πの条件が厳密に保たれる。この方式によれ
ば、回転角速度が変調周波数で得られることから広いダ
イナミックレンジ及び高いスケールファクタ安定度が得
られる。ところが図１７に示した光回転角速度センサは
光カプラを２台使用するため以下のような問題点があ
る。 （１）高価になる。 （２）組み立てに時間がかかる。 （３）光学系が大きくなる。 （４）信頼性が低下する。 さらに光カプラを１台減らして図１７に示す光カプラ７
の出力端で光信号を受けると、左右両回り光の間の相反
性がなくなるため、不要な光学的位相バイアスが発生
し、フィードバック回路が働いて零点ドリフトが大きく
なってしまう。そこで本発明者らは図１４に示す光回転
角速度センサを提案した。本実施例の信号処理装置は、
図１７に示した回路から１段目の光カプラ５及びＰＤ１
１を除いた構成となっている。光信号はＳＬＤ６８の後
方出射側に設けたＰＤ２７で受光する。ＰＤ２７より出
力される電気信号は、図１７に示した信号処理技術によ
り処理され、位相変調器２６にフィードバックを加える
と共に回転角速度Ωを演算し、デジタル信号又はアナロ
グ信号に変換して出力される。本実施例によれば、ＰＤ
２７で受光される光ジャイロ信号は、偏波面カプラ２４
ａ内で左右両回り光とも透過及び結合を１度ずつ行うの
で相反性が成立する。従って少ない光部品で性能を損な
わない光回転角速度センサを実現することができる。図
１５において、図１に示した実施例との相違点は、変調
方式をセロダイン方式とし、光源にＳＬＤを用いると共
に、偏光子及び位相変調器を光ＩＣで構成した点であ
る。ＳＬＤ６８及びＰＤ２７からなる光源モジュール６
９は光ファイバ２３を介して光ＩＣ７０に接続されてい
る。光ＩＣ７０には導波路４４ａ、光合分岐器４０ａ、
偏光子３２ａ及び位相変調器２６ａが形成されており、
導波路４４ａはセンシングコイル２５に接続されてい
る。光ＩＣ７０はＬｉＮｂＯ _３ を用いて形成してもよ
い。また図では位相変調器２６ａ用の電極を導波路４４
ａの一端にしか用いていないが、両端に設けてプッシュ
プルで駆動するように構成してもよい。さらに光源モジ
ュール６９と光ＩＣ７０の導波路４４ａ間を光ファイバ
２３で接続しているが、光源モジュール６９からの光を
レンズ（図示せず）を介して入射してもよく、直接光Ｉ
Ｃ７０に入射してもよい。以上において、本実施例によ
れば、ＬＤ２２からの光を光カプラ２４で分岐し、その
分岐光を位相変調器２６で位相をずらせた後それぞれセ
ンシングループ２５に導き、センシングループ２５を伝
搬した左右両回り光を光カプラ２４で再び結合した後の
信号光を、ＬＤ２２の出射側の反対側に設けたＰＤ２７
で検出して角速度情報を得るようにしたので、簡単な構
成で信頼性が高く、しかも光源の寿命が長い光回転角速
度センサを実現することができる。尚、本実施例では偏
光子を光ファイバ型としたが、これに限定されず光源モ
ジュール内にバルク型の偏光子を挿入してもよい。セン
サ信号の直流成分をＬＤの光量の制御に用いたが、セン
サ信号の積分値を用いてもよい。又、基板にはＬｉＮｂ
Ｏ _３ 又はＧａＡｓを用いたが、これに限定されずＳｉ、
ＩｎＰなどの半導体、ＳｉＯ _２ 等の誘電体、ＬｉＴａＯ
_３ 等の強誘電体を用いてもよい。

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、次のよう
な優れた効果を発揮する。 （１）センサ信号検出用の受光器及び光カプラをそれぞ
れ１台ずつ省略することができるので、組み立てが容易
になり、低コスト化でき、しかも信頼性を向上させるこ
とができる。 （２）光学系の損失が低下するため、光源の光量を低下
させることができ、消費電力を低下させ、光源の寿命を
延長させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の前提となった光回転角速度センサの概
略図である。

【図２】（ａ）は図１に示した光源モジュールの回路図
であり、（ｂ）はその外観図である。

【図３】光源モジュールのＬＤからの出射光をＬＤに戻
したときのレーザ特性の変化を検出する回路図である。

【図４】図３に示した回路図において、ミラーの位置と
注入電流Ｉ _１ に対するＰＤの出力電流Ｉ _２ の変化との関
係を示す図である。

【図５】本発明の前提となった他の光回転角速度センサ
の概略図である。

【図６】本発明の前提となった他の光回転角速度センサ
の概略図である。

【図７】本発明の前提となった他の光回転角速度センサ
の概略図である。

【図８】本発明の前提となった他の光回転角速度センサ
の概略図である。

【図９】本発明の前提となった他の光回転角速度センサ
の概略図である。

【図１０】本発明の前提となった他の光回転角速度セン
サの概略図である。

【図１１】本発明の本発明の光回転角速度センサの概略
図である。

【図１２】本発明の光回転角速度センサの他の実施例の
概略図である。

【図１３】本発明の光回転角速度センサの他の実施例の
概略図である。

【図１４】本発明の光回転角速度センサの他の実施例の
概略図である。

【図１５】本発明の光回転角速度センサの他の実施例の
概略図である。

【図１６】（ａ）、（ｂ）はそれぞれ従来の位相変調方
式の光回転角速度センサの概略図を示す。

【図１７】光回転角速度センサの他の従来例の概略図を
示す。

【図１８】図１７に示した光回転角速度センサの動作を
説明するための説明図を示す。

【符号の説明】

２０ 光学系 ２１ 信号処理回路 ２２ Ｌ Ｄ（光源） ２３ 光ファイバ ２４ 光カプラ ２５ センシングループ ２６ 位相変調器 ２７ Ｐ Ｄ（受光器） ２８ 光源モジュール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 飯塚 寿夫 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 油原 敏哉 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 清水 亮太郎 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 園部 久雄 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 於保 茂 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 (56)参考文献 特開 昭61−277014（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−52511（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−255308（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−147106（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−233410（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−142317（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01C 19/00 - 19/72

Claims (14)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源からの光を光カプラで分岐し、その
   分岐光を位相変調器で位相をずらせた後それぞれセンシ
   ングループに導き、該センシングループを伝搬した左右
   両回り光を前記光カプラで再び結合した後の信号光を、
   前記光源の出射側の反対側に設けた受光器で検出して角
   速度情報を得るようにした光回転角速度センサにおい
   て、前記受光器に入射する光を増幅する増幅器を、前記
   光源と前記受光器との間に設けたことを特徴とする光回
   転角速度センサ。
2. 【請求項２】 前記光源からの光を、偏光子を介して前
   記光カプラに入射したことを特徴とする請求項１に記載
   の光回転角速度センサ。
3. 【請求項３】 前記偏光子を、光ファイバ型偏光子とし
   たことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光回
   転角速度センサ。
4. 【請求項４】 前記受光器で検出した信号を、電流・電
   圧変換した後、直流出力信号成分の電圧が一定になるよ
   うに前記光源に供給する電流を制御する信号処理回路を
   備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれ
   かに記載の光回転角速度センサ。
5. 【請求項５】 前記光カプラを、誘電体、強誘電体又は
   半導体からなる基板上に形成したことを特徴とする請求
   項１から請求項４のいずれかに記載の光回転角速度セン
   サ。
6. 【請求項６】 前記偏光子及び／又は前記位相変調器
   を、前記光カプラに接続すると共にこれらを同一の基板
   上に形成したことを特徴とする請求項２または請求項３
   に記載の光回転角速度センサ。
7. 【請求項７】 前記基板が、ＬｉＮｂＯ _３ 、ＧａＡｓ、
   ＩｎＰ、ＳｉＯ _２ 及びＬｉＴａＯ _３ のいずれかであり、
   該基板上に前記光カプラとしてのＹ分岐光導波路を形成
   したことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の光
   回転角速度センサ。
8. 【請求項８】 前記光源、前記受光器及び前記増幅器
   を、同一の半導体基板上に形成したことを特徴とする請
   求項１に記載の光回転角速度センサ。
9. 【請求項９】 前記信号処理回路を、前記光源、前記受
   光器及び前記増幅器が形成された同一の基板上に形成し
   たことを特徴とする請求項４に記載の光回転角速度セン
   サ。
10. 【請求項１０】 前記光カプラ、前記偏光子、前記位相
    変調器、前記光源及び前記受光器を、同一の半導体基板
    上に形成したことを特徴とする請求項４に記載の光回転
    角速度センサ。
11. 【請求項１１】 前記同一の半導体基板が、ＧａＡｓ、
    ＩｎＰ等の化合物半導体又はＳｉであることを特徴とす
    る請求項８から請求項１０までのいずれか１項に記載の
    光回転角速度センサ。
12. 【請求項１２】 光源からの光を光カプラで分岐し、そ
    の分岐光を位相変調器で位相をずらせた後それぞれセン
    シングループに導き、該センシングループを伝搬した左
    右両回り光を前記光カプラで再び結合した後の信号光
    を、前記光源の出射側の反対側に設けた受光器で検出し
    て角速度情報を得ると共に、前記受光器の出力信号の交
    流成分の振幅に基づいて前記光源の出力を調整して出力
    信号を安定化させることを特徴とする光回転角速度セン
    サ。
13. 【請求項１３】 前記受光器の出力信号の交流成分の振
    幅を監視し、故障判定を行うことを特徴とする請求項１
    ２に記載の光回転角速度センサ。
14. 【請求項１４】 光源からの光を光カプラで分岐し、そ
    の分岐光を位相変調器で位相をずらせた後それぞれセン
    シングループに導き、該センシングループを伝搬する左
    右両回り光間の位相差と等しい位相バイアスを位相変調
    器に加え、前記センシングループを伝搬して位相差を打
    ち消された光を前記光カプラで再び結合した後の信号光
    を、前記光源の出射側の反対側に設けた受光器で検出し
    て角速度情報を得るようにした光回転角速度センサにお
    いて、前記受光器に入射する光を増幅する増幅器を、前
    記光源と前記受光器との間に設けたことを特徴とする光
    回転角速度センサ。