JPH02173518A - 光ファイバ回転角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は光ファイバ回転角速度センサ、特に低価格の光
ファイバ回転角速度センサに関するものである。

［従来の技術］ 次世代の回転角速度センサとして大きな期待が寄せられ
ている、いわゆる光ファイバ回転角速度センサ（ＯＦＧ
）には、第５図（ａ）　〜（ｆ）に示す如く種々の方式
がある。

第５図中、ＬＳは光源、Ｐは偏光子、ＤＣは方向性結合
器、Ｍは位相変調器、ＡＯＭは周波数シフター、しは光
ファイバループ、ＤＥＴは受光器である。

（１）位相変調方式（第５図（ａ）） 原理二位相変調を受けるタイミングが両回り光で伝搬時
間だけずれることを利用し て、等測的にπ／２の位相差を与える。

長所二分解能、零点安定性が良い。光学系が簡単である
。

短所：アナログ量を計測するため、ダイナミックレンジ
、スゲールファクタの安定 化に難点がある。

（２）七ロダイン方式（第５図（ｂ））原理：鋸歯状波
の繰返し周波数を制御し、すブナツク位相差を電気的に
補圧する。

長所二分解能、零点安定性、ダイナミックレンジ、スケ
ールファクタの安定性が期 待できる。ディジタル処理に適してい る。

短所：高速光位相変調器及びその厳しい位相変調条件の
制御が必要である。

（３）リング共振方式（第５図（Ｃ））原理：サグナッ
ク効果を両回り光の共振周波数の差として検出する。

長所：光ファイバが短くて良い０分解能、零点安定性、
ダイナミックレンジ、スケ ールファクタの安定性が期待できる。

ディジタル処理に適している。

短所：　　１００ｋｌｌｚ程度の狭スペクトル化レーザ
が必要である。

（４）周波数変調方式（第５図（ｄ））原理二両回り光
の間に光周波数シフタＡＯＭを挿入し、周波数差でサグ
ナ／り位相 差を打ち消すように調整する。

長所：ダイナミックレンジ、スケールファクタの安定性
が良い。ディジタル処理に 適している。

短所：光周波数シフタＡＯＭの非対称性により、バイア
スが生じ、零点安定性が悪 い。

（５）ヘテロダイン方式（第５図（ｅ））原理：受光器
出力のビート周波数成分の位相がサグナック位相差に等
しいことを利 用する。

長所：ダイナミックレンジが広い。ディジタル処理に適
している。

短所二両回り光が分Ｍされること、光周波数シフタＡＯ
Ｍの音速の温度特性により、零点安定性が良くない。

（６１ＳＰファイバ直交偏波方式（第５図（ｆ））原理
二面光ビームスプリッタＰＢＳをビームスプリッタＢＳ
の前後に計２つ使用し て、光ａＬＳからの光を直交偏波で抽 出する。単一面波光ファイバループＬ の左右両回り光を、検光子を通して受 光器Ｄ　Ｅ　’Ｉ’により検出し、装置の回転角速度を
測定する。この場合、１／４ 波長板（λ／４板）で９０゛位相バイアスをかけ検出感
度の最適化を図る。

長所：変調器を用いないので、信号処理系が簡単である
。

［発明が解決しようとする課題〕 しかし、変調器を用いる方式である上記（１）〜（５）
は、サイズ、価格の点で問題があり、またセンサ部に光
学系と電気系が混在することになり、遠隔計測や電磁誘
導を受は易い場所におけるセンシングに支障をきたす。

また、光ファイバ回転角速度センサの信号処理回路とし
て、ロックインアンプ（同期検波回路）が必要となるた
め、一般にサイズが大きく、コストも高くなる。

上記（６）のＳＰファイバ直交閾波方式は、位相変調器
を用いる代わりに左右両回り光を直交偏波で抽出し、信
号検出部にロックインアンプを必要としないものである
ため、位相変調方式に比較すると処理回路の簡略化が可
能であるが、その構成上、次のような欠点がある。

（１）ＩＩＩ光ビームスプリッタＰＢＳは、その構造か
らして通常数市角の大きさを有する。このため、光ファ
イバ計測システムに用いる場合には、光ファイバの出射
光をコリメートして偏光ビームスプリッタに入射し、そ
の出射光を再び光ファイバにレンズ結合する必要がある
。よって、光ファイバ結合部にコストがかかり、且つそ
のサイズか“大きくなる６ （２）光ファイバルーズ両端の結合部に空間伝搬部があ
るなめ、温度変化で光路長か変化し、零点オフセットの
問題がある。従って、光計測システムの全光ファイバ化
が出来ない。

本発明の目的は、前記した従来技術の欠点を解消し、零
点ドリフト、コスト、サイズを大幅に改善でき且つ全光
ファイバ化した新規な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］ 本発明の光ファイバ回転角速度センサは、曲げを与える
ことによって実効的に単一偏波動作が可能な光ファイバ
を用いたセンシングループの両端部を、その固有偏光軸
か互いに直交するように配置し且つエバネッセント波結
合によって接合してリング干渉計とし、この干渉計の入
射端に固有面向軸に対し４５°方位の直線偏光を入射す
る手段と、干渉計の出射端に備えられ干渉計に加えられ
た回転角速度に比例した電気出力を取り出すリターデー
ション測定系とを設けて構成したものである。

［作用］ センシングループは曲げを与えることによって実効的に
単一開披動作が可能な光ファイバより成り、そのセンシ
ングループの両端部それ自体がエバネッセント波結合部
として接合される。その接合は、両者の固有偏光軸が互
いに直交する配置でなされる。従って、このリング干渉
計の結合部の入射端側から、４５°方位の直線偏光を入
射すると、センシングループの左右両周り光の２つの偏
波光に分岐され、再び合波されてリターデーション測定
系に入射され、このリターデーション測定系からは、干
渉計に加えられた回転角速度に比例した電気出力が取り
出される。

ＳＰファイバ直交偏波方式の偏光ビームスプリッタ部を
、絶対単一偏波動作となる光ファイバカプラで構成して
、全光ファイバ化すると共に、エバネッセント波結合部
とセンシングループのスプライスをなくしたものであり
、小形且つ低コストの装置が梧築される。全光ファイバ
化されるため大幅にドリフトが低減されると共に、光変
調器が存在せず、光学系に変調電気信号を供給する必要
がないため、電磁誘導の影響を受けない。

［実施例］ 以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明する。

第１図に全光ファイバ化した回転角速度センサの構成を
示ず。

１は光源、２は光ファイバ形面光子、３はスゲライス点
、４は光方向性結合器、５はセンシングループ、６はリ
ターデーション測定系、７は受光器、８は電気出力校正
部である。

センシングループ５．光方向性結合器４．光源１のピッ
グテール等の光ファイバには、直交同波モードに曲げ損
失のあるような複屈折率光ファイバを用いた。その断面
構造及び屈折率分布を第２図（ａ）ｆｂ）（ｃ）に示す
。この光ファイバ９は、コア１０、クラッド１１．楕円
ジャゲット１２．サポート１３を有する楕円ジャゲット
型面波面保存光ファイバである。中心からの半径距ａｘ
、ｙの屈折率は第２図（ｂＨｃ）で示すごとく表され、
この屈折率分布を設君４することによって、Ｙ　Ｈ波が
高曲げ損失、Ｘ偏波が低曲げ損失となる。ここでの光フ
ァイバっけ、楕円ジャケット型面波面保存光ファイバの
ジャゲット部１２をデイプレスト型とすると共に、規格
化周波数Ｖを１．６程度に小さく設定した。この偏波面
保存（ＳＰ）光ファイバ９は、その直交偏波モードに曲
げ損失差があるなめ、所定の曲げを加えることで実効的
に絶対単一偏波動作（ＡＳＰ）となる。

以下、順に製作方法を示す。

先ず、このような光ファイバを直径５０１ｎのボビンに
１５ｏ１巻き、センシングループ５としての光ファイバ
コイルを作る。その両端から３〜４ｍ部分のプラスチッ
ク被覆を除去した。次に、第３図に示すように、光ファ
イバが収納できる消１４ａが切られた石英基板１４内に
、両端の光ファイバの固有偏光軸が直交するように対向
させて、エポキシ樹脂１５によって埋め込み固定する。

その後、２枚の石英基板１４をコア９近傍まで研磨した
後に、両者を接合し、エバネッセント波結合を利用して
５０％の分岐比となるように調整する。

分岐比の調整は次のようにして行う、光源１はスーパル
ミネッセントダイオードＳＬＤであり、偏光子２がピッ
グティルとして取り付けられている。偏光子２はセンシ
ングループ５としての光ファイバコイルの仕上り外径的
６０Ｉｎ＋のボビン上に巻き付けられており、スプライ
ス部３において、互いの固有偏光軸が４５°ずれるよう
にして接続される。この時、光方向性結合器４の他の出
力端の出力光パワーが最小になる場合が、分岐比が５０
χになった場合であるので、２枚の石英基板１４をその
ようになるように調整した後に、ＣＯ２レーザで接合面
を固定して光方向性結合器４を製作した。

かくして、上記２つのＳＰ光ファイバ９をその固有面光
軸を直交させた状態でエバネッセント波結合させた光方
向性結合器４を結合部とし、これとスズライスなしに一
体的にセンシングループを接続したリング干渉計と、こ
れに接続した開光子２とが、全体として１単位として得
られた。

上記光方向性結合器の動作機能は次の通りである。

ＳＰ光ファイバは長軸（スロー軸）モードのみが伝搬で
きるので、光方向性結合器４０１つの入射側端子から４
５°方位の直線偏光を入射すると、２つの出射側端子に
光が分岐される。１つの入射（！Ｉ端子にスロー軸モー
ドを入射すると一方の出射側端子に出射し、ファースト
軸モードを入射すると他方の出射側端子に出射される。

同様に、一方の出射ｆｌ！ＩＪ　’Ａ子からはスロー軸
モードのみが入射されて、２つの入射側端子にそれぞれ
スロー軸モード、ファースト軸モードが分離して出射さ
れる。

このように、光方向性結合器４は偏波分離機能がある。

このため、上記ような光学系では、光方向性結合器４で
分離されてセンシングルー１５を両方向に伝搬した光は
、光方向性結合器４で再び両回り光が直交面波モードと
して合波され、リターデーション測定系６に結合される
。

次に、リターデーションＪｉｌＪ定系６の詳細な構成図
を第４図にて説明する。

第４図でリターデーションδと記したボｙクス部２０が
センシングルー１５の部分を表す。第１図のリターデー
ション測定系６の部分は、第４図中に破線で囲んで示し
である。

１／４波長板２１と偏光ビームスプリンタ２２を、図示
のような４５度の角度関係で配置すると、回転角速度セ
ンサの左右両回り光が直交面波状態で検出されるので、
サグナックの位相差がリターデーションとして検出され
る。偏光ビームスプリヅタ２２から取り出される直交同
波モードの２つの出力Ｐａ、Ｐｂは、それぞれの受光器
７ａ７ｂで電気信号に変換され、電気出力校正部８で（
Ｐａ−Ｐｂ）／　（Ｐａ十Ｐｂ）を計算することによっ
て、ｓｉｎδに比例しな信号角速度出力に変換される。

電気出力校正部８ではｌ　ｄｅｇ／Ｓ当り所定の電圧が
出力されるように、自動的にゲインを調整する回路が内
蔵されている。

回転角速度センサの構成形態は、上記実施例に限られる
ものではない。

例えば、第４図のリターデーション測定系６の部分とし
て、第５図の検出子２２を常に出力が“Ｏ”になるよう
に回転させ、零位法によって検出する方式も考えられる
。

また、リターデーションの測定法は、偏光ビームスプリ
ッタの代わりに検光子を用いた例えばセナルモンの方法
によることもできる。セナルモンの方法では、サグナッ
クの位相差δが、１／４波長板の出射直線的光の１／２
δの回転として検出されるので２検光子２２で検出可能
である。

また、サグナック位相差をθ＝ａ・Ω（ａ；スゲールフ
ァクタ、Ω；入力回転角速度）とすると、光ファイバ回
転角速度センサの出力はｓｉｎθに比例する。従って、
θが十分小さければｓｉｎθ＝θとなり、三角関数を演
算する必要がない。この近似が成立しないときは、ＣＰ
Ｕを内蔵させ、予めｓｉｎθとθの対照表を作成してお
き、ｓｉｎθの測定値からθを引いてくるような方法と
することもできる。

尚、上記の偏波面保存光ファイバとしては、ストレス付
加形や非円コア形の偏波面保存光ファイバも含むもので
ある。また、光方向性結合器４としては、融着延伸形ら
含むものである。

［発明の効果］ 以上のように本発明は構成されているので、下記の如き
効果を奏する。

（１）全光ファイバ化された光ファイバ回転角速度セン
サが得られる。

（２）光変調器が存在しないなめ、従来方式の光ファイ
バ回転角速度センサに比べ小サイズ化低コスト化が可能
であり、また光学系に変調電気信号を供給する必要がな
いため、電ｌａ誘導の影響を受けない。

（３）電気信号処理系も、大幅に簡略化できる点からも
小サイズ、低コスト化が可能である。

（４）従って、安価を要求される産業用回転角速度セン
サの実現が可能となり、各産業分野における運動体の制
御システムの機能向上につながる。

（５）本方式では、光源へのセンシングループからの戻
り光は時計方向の伝搬光のみとなるため、従来の回転角
速度センサのような後方散乱光によるノイズが大幅に軽
減される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光ファイバ回転角速度センサの一実施
例を示すブロック図、第２図は本発明の光ファイバ回転
角速度センサに用いた単一偏波光ファイバの断面と屈折
率分布を示す図、第３図は本発明の光ファイバ回転角速
度センサに用いる光方向性結合器の断面図、第４図は本
発明の光ファイバ回転角速度センサのリターデーション
測定系の一実施例を示すブロック図、第５図の（ａ）〜
（ｆ）は従来の光ファイバ回転角速度センサの構成を示
す概略図である９図中、１は光源、２は光ファイバ面光
子、３はスプライス点、４は方向性結合器、５はセンシ
ングループ、６はリターデーション測定系、７は受光器
、８は電気出力校正部、９は楕円ジャゲット型面波面保
存光ファイバ、１０はコア、１１はクラッド、１２は楕
円ジャゲット、１３はサポート、１４は石英基板、１５
はエポキシ樹脂を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　曲げを与えることによって実効的に単一偏波動作が
   可能な光ファイバを用いたセンシングループの両端部を
   、その固有偏光軸が互いに直交するように配置し且つエ
   バネッセント波結合によつて接合してリング干渉計とし
   、この干渉計の入射端に固有偏向軸に対し ４５゜方位の直線偏光を入射する手段と、干渉計の出射
   端に備えられ干渉計に加えられた回転角速度に比例した
   電気出力を取り出すリターデーション測定系とを設けた
   ことを特徴とする光ファイバ回転角速度センサ。