JPH02173519A - 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Ｊ 本発明は、光ファイバ回転角速度センサ、特に光ロータ
リージヨイントを内蔵する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７図（ａ）　〜（＋３）に示す如く種々の方
式がある。

第７図中、ＬＳは光源、Ｐは漏光子、ＤＣは方向性結合
器、Ｍは位相変調器、ＡＯＭは周波数シフター、Ｌは光
ファイバルーズ、ＤＥＴは受光器である。

（１）位相変調方式（第７図（ａ）） 原理：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：アナロタ量を計測するため、ダイナミックレンジ
、スケールファクタの安定化に雌点がある。

（２）セロダイン方式（第７図（ｂ））原ＩＩ！：鋸歯
状波の繰返し周波数ｆを制御し、サグナック位相差を電
気的に補正する。

長所二分解能、零点安定性、ダイナミックレンジ、スク
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７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、スク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：　　１００ｋＨ２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７図ｃｄ））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
ナック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）へテロダイン方式（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、ディジタル処理に遮
している。

短所：両回り光が分離されること、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。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、上記いずれの方式の光ファイバ回転角遠度セン
サ（ＯＦＧ）も、その光学系に光位相変調器Ｍ又は光周
波数変調器ＡＯＭを含む、即ち、光学系の一部に変調器
駆動用の′変調電気信号が混在することになる。

従って、センシングコイルや受動先部分単体では軽量、
小サイズであっても、ＯＦＧ全体では重量、サイズが増
大し、アンテナ等の杉動体へ搭載するには不利となる。

そこで、回転部たるアンテナ等に光学系のみ搭載させ、
固定部との間には光ロータリージヨイントを設け、この
光ロータリージヨイントを介して、変調電気信号及びＯ
ＦＧの光検出信号の固定部とのやり取りを行う方法が考
えられる。しかし、−般に光・電気複合の光ロータリー
ジヨイントは構造が複雑であるのと、検出すべき微弱な
信号と変調信号の周波数が等しいので、光ロータリージ
ヨイント部でクロストークが生じ、センナとしての特性
を損なうという問題があった。

本発明の目的は、前記した従来技術の欠点を解消し、回
転体に搭載可能な小型、軽量の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、２Ｘ２光方向
性結合器の入射端に光源及び光受信部を接続し且つ出射
端の１つに偏光子を接続した固定側光学系と、光フッ・
イバルーグの両端に偏波分離機能を有する２Ｘ２の光方
向性結合器を接続した可動側光学系とを、偏波面保存形
の光ロータリージヨイントによって接続し、光受信部に
おいて光ファイバループを伝搬する左右両回り光の位相
差を検出する測定系を設けた構成のものである。上記固
定側光学系及び可動側光学系の光ファイバとしては、各
種の偏波面保存光ファイバを用いることができる。また
、上記光源の発光器を周期信号で強度変調し、光受信部
の受光器においてそれに同期した同期検波を行うことが
できる。

［作用］ 固定側光学系と可動側光学系とを光ロータリージヨイン
トによって接続しているため、回転体にｆｉｆｉ可能な
小型、軽量の回転角速度センサが提供される。

光ロータリージヨイントは閏波面保存形であるため、漏
光子から収り出されたスロー軸モードの調波光はそのま
ま可動側光学系に導かれる。そして可動側光学系の光方
向性結合器の偏波分離機能によって、光ファイバループ
を伝搬する左右両回り光に分離され、再び直交偏波等の
形で結合されて光受信部に入射し、その測定系によって
光ファイバループを伝搬する左右両回り光の位相差が検
出される、 上記光学系には、従来のような光位相変調器Ｍ又は光周
波数変調器ＡＯＭ等を含まず、従って光学系の一部に変
調器駆動用の変調電気信号が混在しなくなる。このため
、検出すべき微弱な信号に関して、光ロータリージヨイ
ント部でのクロストークの問題や、センサとしての特性
を損なう問題から解放される。

［実施例］ 第１図に本発明の一実施例を示す。

この回転角遠度センサの光学系は、固定側光学系ａと可
動側光学系すとに分かれており、両者は偏波面保存形の
光ロータリージヨイント４で光結合されている。

２ａは第１の方向性結合器で、固定側光学系ａにおける
光源１、リターデーション測定系６．受光器７と光ファ
イバ形偏光子５とのカツズリングを行う、２ｂは第２の
方向性結合器で、光ロータリージヨイント４を通して得
られた光源１側からの光を、可動１ＩＩＩｌｂにおいて
センシング用の光ファイバループ３への左右両回り光に
分岐し、再び直交偏波の状態で直接に抽出するためのも
のである。

これらの光ファイバには第２図に断面図で示す楕円ジャ
ケット型ｓｐ（ｇ波面保存）光ファイバ９が用いられて
おり、８ａ、８ｂ、３ｂ、３ｂの箇所でスズライスして
いる。

詳述するに、光源１からの出射光は第１の方向性結合器
２ａを介して光ファイバ形面光子５の入射端に結合され
、この濱光子５の出射端は光ロータリージヨイント４の
入射端にコネクタ接続されている。

第１の方向性結合ｆｉ２ａは、楕円ジャケット型ＳＰ光
ファイバ９を２本を用い、その光ファイバ９の固有間光
軸ここてはスロー軸（楕円の長袖）を互いに対向させて
、それぞれ２枚の石英基板の清白に埋め込み、ＳＰ光フ
ァイバをコア部まで研磨した後、両者を合わせて成る。

漏光子５の光ファイバには、直交偏波モードの曲げ損失
に差があり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）とすることができる光ファイバ（以
下ｒＡｓＰファイバＪと呼ぶ）を用いる。

この例では、ＡＳＰ光ファイバとして、第２図に断面図
で示す楕円ジャゲット型ＳＰ光ファイバ９を用いている
。１０はコア、１１はクラッド。

１２は楕円ジャケット、１３はサポートである。

この屈折率分布を設計することによって、Ｙ偏波が高曲
げ損失、Ｘ　ＩＩ波が低曲げ損失となる。ここでは楕円
ジャケット部５をデイプレスト型としている。カットオ
フ波長を適性に設定して、コイル化することにより、直
交同波モードの曲げ損失差を利用したコイル巻きタイプ
の丙光子５とすることができる。

漏光子５の出射端側から取り出された直線開光は、ロー
タリージヨイント４を介して、そのまま第２の光方向性
結合器２ｂに入射される。

ロータリージヨイント４は、偏波面保存光ファイバ用ロ
ータリージヨイントであり、次のように梢成されている
。

第４図において、２０は静止系に設置される固定体であ
り、固定ｆ４；２０には回転系にある回転体２１の一部
が挿入され軸受により回転自在に支持されている０回転
体２１の回転軸上には固定側光ファイバコリメータ２２
と回転側光ファイバコリメータ２３が設置されている。

また、固定体２０には１／２波長板２４を支持する１／
２波長板ボルダ２５が回転体２１の回転軸上に回転自在
に支持されている。

固定側光ファイバコリメータ２２は、凸球面座付ホルダ
２６と、ホルダ２６の左端に偏波面保存光ファイバ２８
に対向させて設けられたコリメートレンズ３０と、偏波
面保存光ファイバ２８の右端に設けられたフェルール３
２とを有するビグティルタイグのコリメータである。フ
ェルール３２は、固定体２０に着脱自在に取り付けられ
るレセプタクル保持体３４に設置されたレセプタクル３
６に止めねじ３８により取り付けられる。

また、回転側光ファイバコリメータ２３も固定側光ファ
イバコリメータ２２と同様に、凸球面座付ホルダ２７、
偏波面保存光ファイバ２９、コリメートレンズ３１、フ
ェルール３３を有する。フェルール３３は回転体２１に
着脱自在に取り付けられるレセプタクル保持体３５に設
置されたレセプタクル３７に止めねじ３９により取り付
けられる。

固定側３回転ｍ１光ファイバコリメータ２２゜２３は、
同軸的に調芯されている。

一方、１／２波長板ホルダ２５の外側の固定体２０内に
は回転体２１の回転を１／２角速度（同方向回転）に減
速して１／２波長板ホルダ２５に伝達する変速歯車機′
ＪｆＲ４３が設けられている。変速歯車機Ｍ４３は、回
転体２１の外周に形成された歯車４４と、固定体２０内
に回転自在に支持された軸４５上に収り付けられ歯車４
４と噛合する歯車４６と、軸４５上に設けられ１／２波
長板ホルダ２５の外周に形成された歯車４７に噛合する
歯車４８とから主に構成されている。

上記の構成で、回転側の同波面保存光ファイバ２９から
光を出射すると、出射光はコリメートレンズ３１で拡大
された平行ビームとなり、１／２波長板２４を透過して
固定側のコリメートレンズ３０に入射し、コリメートレ
ンズ３０で集光されて１１波面保存光ファイバ２８に結
合される。初期設定では、偏波面保存光ファイバ２８．
２９の固有面光軸（例えば、ファースト軸）を１／２波
長板２４のファースト軸に一致させておく。

このようにすると、回転体２１の回転に件って偏波面保
存光ファイバ２９から出射する直線偏光の方位も回転す
るが、１／２波長板ホルダ２５とともに１／２波長板２
４が回転体２１の１／２の回転速度で回転するため、１
／２波長板２４を透過する直線偏光の方位は偏波面保存
光ファイバ２８の固有面光軸と一致した一′定の静止状
態に保たれ、偏波面保存光ファイバ２８に結合される。

逆に、固定側の偏波面保存光ファイバ２８から直線偏光
を出射した場合、１／２波長板２４を透過した直線偏光
の方位は１／２波長板２４の回転に伴って同方向へ２倍
の角速度で回転し、偏波面保存光ファイバ２９の固有面
光軸に一致して結合される。

従って、回転側の偏波面保存光ファイバの回転にかかわ
らず藺波面保存性が維持される。固定ロキ１から回転側
の偏波面保存光ファイバに直線偏光を送光する場合にも
同様に偏波面保存性が保たれる。

次に、第２の光方向性結合器２ｂは、上記楕円ジャゲッ
ト型ＳＰ光ファイバ９を２本を用い、その光ファイバ９
の固有面光軸が互いに直交するような状態でエバネッセ
ント波結合が生じるようにした研磨型光方向性結合器か
ら成る。この研ｒｊｊ型光方向性結合器２ｂは、第３図
に示すように、光ファイバが収納できる溝１４ａが切ら
れた石英基板１４内に、両端の光ファイバの固有編光軸
が直交するように対向させて、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１０近
１力まで研磨した後に、両者を接合し、エバネγ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
ことで得られる。このｒｉＪｆｌＮ型光方向性結合器２
ｂは、両ＳＰ光ファイバの楕円の長袖方向が互いに直交
している点で、上記第１の光方向性結合器２ａと異なっ
ている。

従って、この光方向性結合器２ｂの入射端側から４５゛
方位の直線偏光を入射すると、２つの出射端側に光が分
岐される。入射端側にスロー軸モードつまりスロー軸（
楕円の長軸）方向に偏波したモードを入射すると一方の
出射端側に出射し、ファースト軸モードを入射すると他
方の出射端側に出射される。同様に、一方の出射端側か
らはスロー軸モードのみが入射されて、入射端側にそれ
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、第３図の光方向性結合器は偏波
分離機能がある。

そこで、光ロータリージヨイント４の出射Ｉｌｌは、第
２の方向性結合器２ｂの入射側光ファイバに対し、漏光
子５の透過モードの固有面光軸方位が４５°ずれるよう
に、接続点８ｂでスプライスされている。第２の方向性
結合器２ｂの２つの出射端とセンシングループ３の両端
との接続点３ｂ。

３ｂは、両者の固有面光軸を整合させた状態でスプライ
スさせである。

このような光学系では、ＳＰ光ファイバループ３を両方
向に伝搬した光は、光方向性結合器２ｂで再び両回り光
が直交面波モードとして合波され、直交偏波の状態でリ
ターデーション測定系６に結合される。

リターデーション測定系６の構成は、第５図に示すよう
なセナルモンの方式を用いた。しかし第６図に示すよう
な１０光ビームスプリツタ（ＰＢＳ）を用いて直交面波
モードを分離する直交面波モード電力演算方式を用いる
こともできる。

第５図のセナルモンの方式では、サグナックの位相差δ
が、１／４波長板の出射直線偏光の１／２δの回転とし
て検出されるので、検光子１６で検出可能である。

第６図の直交漏波モード電力演算方式では、偏光ビーム
スプリッタ１７の２つの出力Ｐａ、ｐｂより、（Ｐａ−
Ｐｂ）／　（Ｐａ＋Ｐｂ）を計算することによって、ｓ
ｉｎとに比例した信号が検出可能である。

・上記の回転角速度センサは、回転部へ搭載する可動光
学系が小型、軽量になったため、自動車や船舶等に搭載
するのに適する。また、従来の光ファイバジャイロに比
べて変調器等がない分だけ、サイズが小さく低コストな
ものとなり、信号処理方式も簡単な四則演算で済むため
、比較的低精度用回転角速度センサとして適する。

以上、好ましい実施例について述べたが、本発明はこれ
に限定されるものではなく、例えば上記のような光学系
において、光源１の発光器を周期Ｔ秒で０Ｎ１０ＦＦす
るか、正弦波状にその強度を変調し、光受信部の受光器
７において、その受信信号を同期検波することで、セン
シング用光ファイバルー１３に加えられた回転角速度を
検出することもできる。

また、漏光子５を第１の方向性結合器２ａの入射端側に
接続した構成とすることもできる。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明の光ファイバ回転角速度セン
サによれば、回転部へ搭載する光学系が小型、軽量にな
ったため、車上、船上のアンテナ等の方位制御用回転角
速度センナの実現が容易になった。

また、光ファイバ回転角遠度センサのセンサ部をドラム
から管路内に誘導する場合、ゲーブルの捩れが問題とな
らなくなると同時に、センサ部の小型化が図られるため
、小サイズ管路内への挿入が可能になり、管路のルート
のマツピングが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の回転角遠度センサの一実施例を示すブ
ロック図、第２図はそれに用いた楕円ジャケット形ＳＰ
ファイバの断面図、第３図は第１図の回転角速度センサ
に用いた研磨形方向性結合器の断面図、第４図は光ロー
タリージヨイントの具体例を示す断面図、第５図及び第
６図はそれぞれ光受信部のりタープ−ジョン測定用光学
系の実施例を示すブロック図、第７図は従来の回転角速
度センナの説明図である。 図中、１は光源、２ａ、　２ｂは光方向性結合器、３は
センシング用光ファイバループ、３ｂは接続点、４は光
ロータリージヨイント、５は漏光子、６はリターデーシ
ョン測定用光学系、７は受光器、８ａ、８ｂは接続点、
９は偏波面保存光ファイバ、１０はコア、１１はクラッ
ド、１２は楕円ジャケット、１３はサポート、１４は石
英基板、１４ａは溝、１６は検光子、１７は偏光ビーム
スプリッタを示す。 ３光ファイバループ 光ロータリージヨイント 第１図 第２図 第３図 第６図 ２０固定体 ２１回転体 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　２×２光方向性結合器の入射端に光源及び光受信部
   を接続し且つ出射端の１つに偏光子を接続した固定側光
   学系と、光ファイバループの両端に偏波分離機能を有す
   る２×２の光方向性結合器を接続した可動側光学系とを
   、偏波面保存形の光ロータリージョイントによつて接続
   し、光受信部において光ファイバループを伝搬する左右
   両回り光の位相差を検出する測定系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。 ２　上記固定側光学系及び可動側光学系の光ファイバと
   して偏波面保存光ファイバを用いたことを特徴とする請
   求項１記載の光ファイバ回転角速度センサ。 ３　上記光源の発光器を周期信号で強度変調し、光受信
   部の受光器においてそれに同期した同期検波を行うこと
   を特徴とする請求項１又は２記載の光ファイバ回転角連
   度センサ。