JP2868593B2 - 光ファイバ回転速度センサ - Google Patents
光ファイバ回転速度センサInfo
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- JP2868593B2 JP2868593B2 JP21618190A JP21618190A JP2868593B2 JP 2868593 B2 JP2868593 B2 JP 2868593B2 JP 21618190 A JP21618190 A JP 21618190A JP 21618190 A JP21618190 A JP 21618190A JP 2868593 B2 JP2868593 B2 JP 2868593B2
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- fiber
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Description
【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、移動体の自己の位置を検出する慣性航法
システムに使用される光ファイバ回転速度センサに関す
るものである。
システムに使用される光ファイバ回転速度センサに関す
るものである。
「従来の技術」 航空機や船舶等の移動体は、自己の位置を絶えず知る
ことが重要であり、そのために慣性航法システムを搭載
している。
ことが重要であり、そのために慣性航法システムを搭載
している。
この慣性航法システム内に使用されている回転速度セ
ンサとしては、回転するコマ（ジャイロ）を備え、機械
的に回転するコマの回転軸が同一方向を向き続けようと
する効果を利用した機械式のものと、光ファイバループ
内において左右に進む光の位相差がその光ファイバルー
プの回転によって変化するサグナック効果を利用した光
ファイバ式とが知られている。
ンサとしては、回転するコマ（ジャイロ）を備え、機械
的に回転するコマの回転軸が同一方向を向き続けようと
する効果を利用した機械式のものと、光ファイバループ
内において左右に進む光の位相差がその光ファイバルー
プの回転によって変化するサグナック効果を利用した光
ファイバ式とが知られている。
後者の光ファイバ回転速度センサは、光ファイバを使
用しているためにセンサ装置が軽量・安価であり、機械
的回転部分がなく信頼性に優れている。また光源として
半導体レーザを使用可能であり、長寿命でかつウォーミ
ングアップ時間も短い等の多くの長所を有している。光
ファイバ回転速度センサには、干渉型と共振型とが知ら
れているが、本発明は前者の干渉型の光ファイバ回転速
度センサに関する。
用しているためにセンサ装置が軽量・安価であり、機械
的回転部分がなく信頼性に優れている。また光源として
半導体レーザを使用可能であり、長寿命でかつウォーミ
ングアップ時間も短い等の多くの長所を有している。光
ファイバ回転速度センサには、干渉型と共振型とが知ら
れているが、本発明は前者の干渉型の光ファイバ回転速
度センサに関する。
第４図は、従来の干渉型光ファイバ回転速度センサを
示すものであって、図中符号１はファイバコイル、2,3
は光ファイバカプラ、４は光ファイバ偏光子、５は光
源、６は光検出器、７はロックインアンプ、８は位相変
調器である。
示すものであって、図中符号１はファイバコイル、2,3
は光ファイバカプラ、４は光ファイバ偏光子、５は光
源、６は光検出器、７はロックインアンプ、８は位相変
調器である。
光源５からの光は、カプラ３で分岐され、一方の光は
ファイバコイル内を右回りに伝送する光となり、もう一
方の光はファイバコイル１を左回りに伝送する光とな
る。これらの逆方向に伝送する光はファイバコイル１を
出射してカプラ３に到達し、この際に干渉が生じる。第
５図は、この光ファイバ回転速度センサの動作を説明す
るためのものであって、ファイバコイル１内には右回り
の光９と左回りの光10が入射され、かつファイバコイル
１が回転角速度Ωで右回転に移動している。この時の２
つの光9,10の間の時間差ΔTsは、下式（ｉ）に示す如く
回転角速度Ωに比例する。
ファイバコイル内を右回りに伝送する光となり、もう一
方の光はファイバコイル１を左回りに伝送する光とな
る。これらの逆方向に伝送する光はファイバコイル１を
出射してカプラ３に到達し、この際に干渉が生じる。第
５図は、この光ファイバ回転速度センサの動作を説明す
るためのものであって、ファイバコイル１内には右回り
の光９と左回りの光10が入射され、かつファイバコイル
１が回転角速度Ωで右回転に移動している。この時の２
つの光9,10の間の時間差ΔTsは、下式（ｉ）に示す如く
回転角速度Ωに比例する。
ΔTs＝4A・Ｎ・Ω/C2 ……（ｉ） （ただし、Ａはコイルの面積、Ｎはファイバの巻き数、
Ｃは光速、Ωは回転角速度、） 結果として２光波間の位相差ΔΦｓは、 ΔΦｓ＝（２π・Ｌ・D/λ・Ｃ）・Ω ……（ii） （Ｌはファイバコイル長、Ｄはコイル直径、λは光の波
長） のように変化する。したがって干渉による強度変化から
ファイバコイルの回転角速度を計測することができる。
Ｃは光速、Ωは回転角速度、） 結果として２光波間の位相差ΔΦｓは、 ΔΦｓ＝（２π・Ｌ・D/λ・Ｃ）・Ω ……（ii） （Ｌはファイバコイル長、Ｄはコイル直径、λは光の波
長） のように変化する。したがって干渉による強度変化から
ファイバコイルの回転角速度を計測することができる。
「発明が解決しようとする課題」 しかしながら、上述した従来の干渉型光ファイバ回転
速度センサには、次のような問題があった。
速度センサには、次のような問題があった。
従来の回転速度センサにあっては、光源として半導体
レーザダイオードを使用しているが、半導体レーザダイ
オードの光は干渉性が高く、また光ファイバの伝搬光は
コア内を通過する際に後方散乱光を発生させるために、
光ファイバループ内において、後方散乱光と右回り光、
左回り光とが複雑に干渉し合い、この干渉によりノイズ
が発生してしまう問題があった。
レーザダイオードを使用しているが、半導体レーザダイ
オードの光は干渉性が高く、また光ファイバの伝搬光は
コア内を通過する際に後方散乱光を発生させるために、
光ファイバループ内において、後方散乱光と右回り光、
左回り光とが複雑に干渉し合い、この干渉によりノイズ
が発生してしまう問題があった。
上記ノイズ発生を抑制するために、干渉性の低いスー
パー・ルミネセント・ダイオード（SLD）を光源として
使用する手段も考えられるが、このSLDは特殊な光源で
高価であり、また寿命も短い問題があった。
パー・ルミネセント・ダイオード（SLD）を光源として
使用する手段も考えられるが、このSLDは特殊な光源で
高価であり、また寿命も短い問題があった。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、安価で長
寿命の光源を用い、かつノイズを低減して高精度の測定
が可能な高性能の光ファイバ回転速度センサの提供を目
的としている。
寿命の光源を用い、かつノイズを低減して高精度の測定
が可能な高性能の光ファイバ回転速度センサの提供を目
的としている。
「課題を解決するための手段」 本発明は、光ファイバ回転速度センサの光源として、
希土類添加光ファイバと、この希土類元素添加光ファイ
バに励起光を供給する励起用光源と、上記希土類元素添
加光ファイバの一端に設けられ、励起用光源からの励起
光を希土類元素添加光ファイバに入射し、かつこの光フ
ァイバから出射する光を光ファイバコイルに送るダイク
ロイックミラーを備えた光ファイバ型光源を用い、上記
課題を解消した。
希土類添加光ファイバと、この希土類元素添加光ファイ
バに励起光を供給する励起用光源と、上記希土類元素添
加光ファイバの一端に設けられ、励起用光源からの励起
光を希土類元素添加光ファイバに入射し、かつこの光フ
ァイバから出射する光を光ファイバコイルに送るダイク
ロイックミラーを備えた光ファイバ型光源を用い、上記
課題を解消した。
「作用」 このような光ファイバ型光源を用いたので、この光フ
ァイバ型光源をセンサ本体の入射側ファイバ端末に容易
に接続して光源とすることができる。この光ファイバ型
光源のスペクトル幅は比較的広く、干渉性が低いため
に、後方散乱光と信号光との干渉が発生し難い。またこ
の光源は希土類元素添加光ファイバを用いたものなの
で、光源寿命が長い。
ァイバ型光源をセンサ本体の入射側ファイバ端末に容易
に接続して光源とすることができる。この光ファイバ型
光源のスペクトル幅は比較的広く、干渉性が低いため
に、後方散乱光と信号光との干渉が発生し難い。またこ
の光源は希土類元素添加光ファイバを用いたものなの
で、光源寿命が長い。
「実施例」 第１図は、本発明の光ファイバ回転速度センサの一実
施例を示す図であって、符号11は光ファイバ回転速度セ
ンサ（以下、センサという）である。
施例を示す図であって、符号11は光ファイバ回転速度セ
ンサ（以下、センサという）である。
このセンサ11と第４図のセンサとの相異点は、ファイ
バコイル１に右回り光および左回り光を入射させる光源
として、希土類元素添加光ファイバ12（以下、ドープフ
ァイバという）と、その励起用光源である半導体レーザ
ダイオード13（以下、LDという）と、ダイクロイックミ
ラー15を有する光ファイバ型光源14を用いた点である。
バコイル１に右回り光および左回り光を入射させる光源
として、希土類元素添加光ファイバ12（以下、ドープフ
ァイバという）と、その励起用光源である半導体レーザ
ダイオード13（以下、LDという）と、ダイクロイックミ
ラー15を有する光ファイバ型光源14を用いた点である。
ドープファイバ12としては、Er3+などの希土類元素を
添加した石英系のファイバであって、希土類元素を添加
量は、Er3+の場合10〜500ppm程度とすることが望まし
い。また、ファイバのNAを高め、例えばアルミニウムを
1000〜10000ppmドープすることによりゲインを上げ、ス
ペクトル幅を広げることが望ましい。
添加した石英系のファイバであって、希土類元素を添加
量は、Er3+の場合10〜500ppm程度とすることが望まし
い。また、ファイバのNAを高め、例えばアルミニウムを
1000〜10000ppmドープすることによりゲインを上げ、ス
ペクトル幅を広げることが望ましい。
このドープファイバ12の一端には、ダイクロイックミ
ラー15が設けられ、LD13からの励起光がダイクロイック
ミラー15を経てドープファイバ12内に入射されるように
なっている。ドープファイバ12からの光はダイクロイッ
クミラー15を透過し、アイソレータ16を経てセンサ本体
の第１のカプラ２の入射側ポートに入射される。
ラー15が設けられ、LD13からの励起光がダイクロイック
ミラー15を経てドープファイバ12内に入射されるように
なっている。ドープファイバ12からの光はダイクロイッ
クミラー15を透過し、アイソレータ16を経てセンサ本体
の第１のカプラ２の入射側ポートに入射される。
センサ11本体は、ファイバコイル１と第１、第２のカ
プラ2,3とを主な構成要素として構成されている。第
１、第２のカプラ2,3間には光ファイバ偏光子４が設け
られ、第１のカプラ２には光検出器６が接続されてい
る。またファイバコイル１には位相変調器８が接続さ
れ、この位相変調器８と光検出器６はロックインアンプ
７に接続されている。なお、センサ本体を構成する光フ
ァイバとしては偏波保持光ファイバを用いることが望ま
しい。
プラ2,3とを主な構成要素として構成されている。第
１、第２のカプラ2,3間には光ファイバ偏光子４が設け
られ、第１のカプラ２には光検出器６が接続されてい
る。またファイバコイル１には位相変調器８が接続さ
れ、この位相変調器８と光検出器６はロックインアンプ
７に接続されている。なお、センサ本体を構成する光フ
ァイバとしては偏波保持光ファイバを用いることが望ま
しい。
このセンサ11により回転速度の検出を行うには、光フ
ァイバ型光源14のLD13からドープファイバ12に励起用光
を入射し、ドープファイバ12から光を出射させる。光源
14からの光は第１のカプラ２、光ファイバ偏光子４を経
て第２のカプラ３に達して２つに分岐され、それぞれ右
回り光と左回り光としてファイバコイル１に入射され
る。ファイバコイル１内を通ったそれぞれの光は第２の
カプラ３に到達し、この際に干渉が生じる。この時の２
つの光の間の時間差ΔTsは、下式（ｉ）に示す如く回転
角速度Ωに比例する。
ァイバ型光源14のLD13からドープファイバ12に励起用光
を入射し、ドープファイバ12から光を出射させる。光源
14からの光は第１のカプラ２、光ファイバ偏光子４を経
て第２のカプラ３に達して２つに分岐され、それぞれ右
回り光と左回り光としてファイバコイル１に入射され
る。ファイバコイル１内を通ったそれぞれの光は第２の
カプラ３に到達し、この際に干渉が生じる。この時の２
つの光の間の時間差ΔTsは、下式（ｉ）に示す如く回転
角速度Ωに比例する。
ΔTs＝4A・Ｎ・Ω/C2 ……（ｉ） （Ａはコイルの面積、Ｎはファイバの巻き数、Ｃは光
速、Ωは回転角速度、） 結果として２光波間の位相差ΔΦｓは、 ΔΦｓ＝（２π・Ｌ・D/λ・Ｃ）・Ω ……（ii） （Ｌはファイバコイル長、Ｄはコイル直径、λは光の波
長） のように変化する。したがって干渉による強度変化から
ファイバコイルの回転角速度を計測することができる。
速、Ωは回転角速度、） 結果として２光波間の位相差ΔΦｓは、 ΔΦｓ＝（２π・Ｌ・D/λ・Ｃ）・Ω ……（ii） （Ｌはファイバコイル長、Ｄはコイル直径、λは光の波
長） のように変化する。したがって干渉による強度変化から
ファイバコイルの回転角速度を計測することができる。
このセンサ11は、このような構成の光ファイバ型光源
14を用いたので、ドープファイバ12をセンサ本体の入射
側ファイバ端末に容易に接続することができる。この光
ファイバ型光源14のスペクトル幅は比較的広く、干渉性
が低いために、後方散乱光と信号光との干渉が発生し難
く、センサの低ノイズ化を実現でき、高精度の測定が可
能となる。またこの光源14はドープファイバを用いたも
のなので、安価であり、また光源寿命が長く安定してい
るために、センサの信頼性が向上する。
14を用いたので、ドープファイバ12をセンサ本体の入射
側ファイバ端末に容易に接続することができる。この光
ファイバ型光源14のスペクトル幅は比較的広く、干渉性
が低いために、後方散乱光と信号光との干渉が発生し難
く、センサの低ノイズ化を実現でき、高精度の測定が可
能となる。またこの光源14はドープファイバを用いたも
のなので、安価であり、また光源寿命が長く安定してい
るために、センサの信頼性が向上する。
（実験例） 第１図に示すものと同様構成の光ファイバ回転速度セ
ンサを作製した。センサ本体に使用される光ファイバと
しては、ファイバ径125μｍの応力付与型偏波保持光フ
ァイバ（PANDAファイバ）を使用した。ファイバコイル
は直径60mmのリールにファイバ径125μｍ、被覆径250μ
ｍのファイバ（PANDAファイバ）を約400m巻き付けたも
ので、消光比−31.8dBであった。カプラは双方とも消光
比−25dB以下、分岐比50±10％以内、過剰損失0.5dB以
下である。位相変調器は円筒型圧電振動子にファイバコ
イルの一端が巻き付け21.1KHzで駆動した。
ンサを作製した。センサ本体に使用される光ファイバと
しては、ファイバ径125μｍの応力付与型偏波保持光フ
ァイバ（PANDAファイバ）を使用した。ファイバコイル
は直径60mmのリールにファイバ径125μｍ、被覆径250μ
ｍのファイバ（PANDAファイバ）を約400m巻き付けたも
ので、消光比−31.8dBであった。カプラは双方とも消光
比−25dB以下、分岐比50±10％以内、過剰損失0.5dB以
下である。位相変調器は円筒型圧電振動子にファイバコ
イルの一端が巻き付け21.1KHzで駆動した。
光ファイバ型光源は、励起用光源として波長1.48μｍ
のLDを用い、ダイクロイックミラーを用いてLD光を反射
させてドープファイバ内に入射させ、ドープファイバか
らの光は透過させるようにした。ドープファイバは、Er
3+ドープ濃度が100ppm、長さ400mである。又、NAを高め
てアルミニウムを5000ppmドープすることによりゲイン
を上げ、スペクトル幅を広げている。
のLDを用い、ダイクロイックミラーを用いてLD光を反射
させてドープファイバ内に入射させ、ドープファイバか
らの光は透過させるようにした。ドープファイバは、Er
3+ドープ濃度が100ppm、長さ400mである。又、NAを高め
てアルミニウムを5000ppmドープすることによりゲイン
を上げ、スペクトル幅を広げている。
光出力15mWの時の光源からの出射光のスペクトルを第
２図に示した。この光源からの光の中心波長は1.555μ
ｍで、スペクトル幅は、約15nmであった。
２図に示した。この光源からの光の中心波長は1.555μ
ｍで、スペクトル幅は、約15nmであった。
作製したセンサを用い、ロックインアンプの時定数を
0.3秒にして回転速度の検出を行った。
0.3秒にして回転速度の検出を行った。
第３図（ａ）は回転角速度に対するセンサの出力変化
を示すグラフである。短期分解能が第３図（ｂ）に示し
たように２゜/hであった。
を示すグラフである。短期分解能が第３図（ｂ）に示し
たように２゜/hであった。
これは光源を通常のLD（λ＝1.552μｍ、Δλ＝1.5n
m）に代えた場合と比べ約1/4小さい値であった。
m）に代えた場合と比べ約1/4小さい値であった。
「発明の効果」 以上説明したように、この発明の光ファイバ回転速度
センサは、希土類元素添加光ファイバと、この希土類元
素添加光ファイバに励起光を供給する励起用光源と、上
記希土類元素添加光ファイバの一端に設けられ、励起用
光源からの励起光を希土類添加光ファイバに入射し、か
つこの光ファイバから出射する光を光ファイバコイルに
送るダイクロイックミラーを備えた光ファイバ型光源を
用いたので、希土類元素添加光ファイバをセンサ本体の
入射側ファイバ端末に容易に接続することができる。
センサは、希土類元素添加光ファイバと、この希土類元
素添加光ファイバに励起光を供給する励起用光源と、上
記希土類元素添加光ファイバの一端に設けられ、励起用
光源からの励起光を希土類添加光ファイバに入射し、か
つこの光ファイバから出射する光を光ファイバコイルに
送るダイクロイックミラーを備えた光ファイバ型光源を
用いたので、希土類元素添加光ファイバをセンサ本体の
入射側ファイバ端末に容易に接続することができる。
この光ファイバ型光源のスペクトル幅は比較的広く、
干渉性が低いために、後方散乱光と信号光との干渉が生
じ難く、センサの低ノイズ化を実現でき、高精度の測定
が可能となる。
干渉性が低いために、後方散乱光と信号光との干渉が生
じ難く、センサの低ノイズ化を実現でき、高精度の測定
が可能となる。
またこの光ファイバ型光源は、希土類元素添加ファイ
バを用いたものなので、安価であり、また光源寿命が長
く安定しているために、センサの信頼性が向上する。
バを用いたものなので、安価であり、また光源寿命が長
く安定しているために、センサの信頼性が向上する。
第１図は、本発明の光ファイバ回転速度センサの一例を
示す概略構成図、第２図および第３図は本発明の実験例
の結果を説明するためのグラフ、第４図は従来の回転速
度センサを示す概略構成図、第５図は回転速度センサの
測定原理を説明するための概略構成図である。 １……ファイバコイル ９……右回り光 10……左回り光 11……センサ（光ファイバ回転速度センサ） 12……ドープファイバ、 13……LD（励起用光源） 14……光ファイバ型光源 15……ダイクロイックミラー
示す概略構成図、第２図および第３図は本発明の実験例
の結果を説明するためのグラフ、第４図は従来の回転速
度センサを示す概略構成図、第５図は回転速度センサの
測定原理を説明するための概略構成図である。 １……ファイバコイル ９……右回り光 10……左回り光 11……センサ（光ファイバ回転速度センサ） 12……ドープファイバ、 13……LD（励起用光源） 14……光ファイバ型光源 15……ダイクロイックミラー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 和田 朗 千葉県佐倉市六崎1440番地 藤倉電線株 式会社佐倉工場内 (72)発明者 山内 良三 千葉県佐倉市六崎1440番地 藤倉電線株 式会社佐倉工場内 (56)参考文献 特開 昭63−193010（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−28830（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−100707（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−501037（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01C 19/00 - 19/72
Claims (1)
- 【請求項１】光ファイバをコイル状に巻き付けた光ファ
イバコイルを備え、該光ファイバコイルに右回りと左回
りの光を入射し、これらの光を干渉させ、該光ファイバ
コイルの回転角速度に対応する干渉光の輝度変化を光フ
ァイバ回転速度センサにおいて、 上記光ファイバコイルに光を入射する光源として、希土
類元素を添加した希土類元素添加光ファイバと、この希
土類元素添加光ファイバに励起光を供給する励起用光源
と、上記希土類元素添加光ファイバの一端に設けられ、
励起用光源からの励起光を希土類元素添加光ファイバに
入射し、かつこの光ファイバから出射する光を上記光フ
ァイバコイルに送るダイクロイックミラーを備えた光フ
ァイバ型光源を用いたことを特徴とする光ファイバ回転
速度センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21618190A JP2868593B2 (ja) | 1990-08-16 | 1990-08-16 | 光ファイバ回転速度センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21618190A JP2868593B2 (ja) | 1990-08-16 | 1990-08-16 | 光ファイバ回転速度センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0498117A JPH0498117A (ja) | 1992-03-30 |
| JP2868593B2 true JP2868593B2 (ja) | 1999-03-10 |
Family
ID=16684560
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21618190A Expired - Fee Related JP2868593B2 (ja) | 1990-08-16 | 1990-08-16 | 光ファイバ回転速度センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2868593B2 (ja) |
-
1990
- 1990-08-16 JP JP21618190A patent/JP2868593B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0498117A (ja) | 1992-03-30 |
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| JPH0674775A (ja) | 光ファイバジャイロスコープ | |
| JPS63193010A (ja) | 光フアイバ回転センサ |
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| Date | Code | Title | Description |
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| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |