JPH02213713A - 光ファイバジャイロ - 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］ この発明は、センサコイル及び位相変調器を両方向に通
過したレーザ光の位相差変化に基づいて、センサコイル
に直結された入力軸の角速度を検出する光ファイバジャ
イロに関し、特にフォトダイオードにおけるピックアッ
プノイズを低減して、検出感度を安定化し且つオフセッ
トを抑制した光ファイバジャイロに関するものである。

［従来の技術］ 従来より、光ファイバからなるセンサコイルに広帯域ス
ペクトルのレーザ光を両方向に通過させ、センサコイル
の角速度に比例して干渉により発生する光出力位相差を
検出する光ファイバジャイロは良く知られている。この
種の光ファイバジャイロにおいては、センサコイルの一
端に位相変調器を設けて、位相差の正弦関数からなる奇
数次高調波を抽出することにより、小さい位相差を高精
度に検出できるようにしている。

第２図は従来の光ファイバジャイロの概略を示す構成図
である。

図において、（１）はレーザ光りを放射する半導体レー
ザ等の光源、（２）はレーザ光りの光路となる光ファイ
バ、（３）及び（４）は光ファイバ（２）に挿入された
結合器、（５）は結合器（３）と（４）との間に配設さ
れた偏向子である。

（６）は結合器（４）に両端が結合された光ファイバで
形成されたセンサコイルであり、結合器（４）から分岐
されたレーザ光りが両回転方向に導入されるようになっ
ており、任意の角速度Ωで回転（矢印参照）する被制御
対象の入力軸（図示せず）に直結されている。

（７）はセンサコイル（６）の一端と結合器（４）との
間に配設された圧電素子等からなる位相変調器である。

（８）はセンナコイル（６）を通過して結合器〈３）で
分岐されたレーザ光Ｌ′を検出するフォトダイオードで
あり、上記各構成要素（１）〜（７）と共に光学系（９
）を構成している。

（１０）は光学系（９）に結合された電子回路であり、
フォトダイオード（８）からの光量信号Ａに基づいて、
光源（１）及び位相変調器（７）を制御すると共に、角
速度Ωに応じた位相差信号Ｂを出力するようになってい
る。

第３図は、光源（１）、位相変調器（７）及びフォトダ
イオード（８）と関連させて、電子回路（１０）の概略
構成を示すブロック図である。

（１１）は光量信号Ａを交流増幅するＡＣ増幅器、（１
２）は交流増幅された光量信号から任意次数の高調波を
抽出する検波器、（１３）は検波成分のうちの第１次高
調波ＡＮと光量信号Ａとに基づいて制御信号０１〜Ｃ１
を生成する制御信号発生部、（１４）は検波成分のうち
の第１次高調波＾、を直流増幅するＤＣ増幅器、（１５
）は直流増幅された第１次高調波と第１の制御信号Ｃ５
とに基づいて位相差信号Ｂを出力する補正部である。

（１６）は第３の制御信号Ｃ１に基づいて光源（１）の
レーザ出力を制御する光源制御部、（１７）は第２の制
御信号Ｃ２に基づいて位相変調器（７）の変調度を制御
する変調制御部である。

次に、第４図の第１種ベッセル関数特性図を参照しなが
ら、第２図及び第３図に示した従来の光ファイバジャイ
ロの動作について説明する。

光源（１）から光ファイバ（２）を介して放射されたレ
ーザ光りは、結合器（３）で分岐されて偏向子（５）を
通過した後、結合器（４）で分岐されてセンサコイル（
６）の両端から導入される。そして、センサコイル（６
）及び位相変調器（７）内を逆方向に回転して通過した
後、再び、結合器（４）、偏向子（５）及び結合器（３
）を介して分岐されたレーザ光Ｌ′は、フォトダイオー
ド（８）に導入され、光量信号Ａとなって電子回路（１
０）に入力される。

このとき、ｉンサコイル（６）に直結された入力軸が角
速度Ωで回転すると、サグナック（Ｓａｇｎａｃ＞効果
により、センサコイル（６）内を両方向に回転するレー
ザ光りに対して位相差Δθが検出される。

この位相差Δθは、角速度Ωに比例し、Δθ＝４πｍｌ
Ω／Ｃλ　　　　　・・・■但し、ａ：センサコイル（
６）の半径 １：センサコイル（６）の光フアイバ長Ｃ：真空中の光
速 λ：レーザ光りの波長 で表わされる。いま、変調信号Ｍが出力されない状態で
あって、位相変調器（７）が動作していない（変調度が
零）とすると、フォトダイオード（８）で検出される光
出力ｄＰＷは、角速度Ωに比例した位相差Δθに応じて
変化し、 ｄＰＷ＝（Ｐｏ／２）（１＋ｅｏｓΔθ）・・・■で表
わされる。但し、Ｐｏは静止時（角速度Ω＝０＞にフォ
トダイオード（８）で検出されるレーザ光Ｌ′の光出力
である。０式及び■式から、変調度が零の場合の光出力
ｄＰＷは、角速度Ωに比例した位相差Δθの余弦関数と
なる。この光出力ｄＰＷはフォトダイオード（８）によ
り電流信号に変換され、光量信号Ａとして電子回路（１
０）に入力される。

しかし、■式から明らかなように、変調度が零の状態で
は、光量信号Ａが位相差Δθの余弦関数であるため、位
相差Δθの零点近傍において変化量が小さく、且つ右回
り及び左回りの角速度Ωに対して同一極性となり検出精
度が悪くなる。

従って、この対策として、従来より図示したような位相
変調方式が採用されている。この方式によれば、位相変
調器（７）内を両方向に回転する各レーザ光りに対して
位相変調タイミングが異なるので、位相変調の時間差に
応じた干渉信号が得られる。

いま、変調度に応じて変化する変調指数を論とし、変調
信号Ｍの波形を各周波数ω−の正弦波とすると、フォト
ダイオード（８）で検出される変Ｉｌｌ後の光出力ｄＰ
ＷＭは、 ｄＰ　ＷＭ＝　（Ｐ　ｏ／　２）　Ｊ　ｏ（ｍ）＋　（
Ｐｏ／２）Ｊ　＋（ｍ）ｃｏｓωＨｔ−ｓｉｎΔθ（Ｐ
　ｏ／２）Ｊ　２（ｍ）ｃｏｓ２ω１４ｔ−ａｏｓΔθ
＋（Ｐｏ／２）Ｊ　ｓ（ｍ）ｅｏｓ８ωＨｔ−ｓｉｎΔ
θ−（Ｐ　ｏ／２）Ｊ　４　（ｅ＋）ｅｏｓ４ω１４ｔ
−ｃｏｓΔθ−（Ｐｏ／２）Ｊ　ｎ（ｍ）ｃｏｉｎωＨ
ｔ−ｓｉｎΔθ・・■ で与えられ、各次数ｎ（ｎ＝ｏ、１，２、・・・）の高
調波の合成で表わされる。但し、ｔは時間、Ｊｎ（ｍ）
は第１種ベッセル（Ｂｅｓｓｅ　ｌ　）関数であり、こ
こでは、簡略化のために第１種ベッセル関数の手法を用
いて各高周波成分を示している。

第１種ベッセル関数Ｊｎ（ｍ）は、変調指数−に依存す
る値であり、ｋ＝ｏ〜のについての総和式、Ｊｎ（ｅ＋
）＝　Σ（−１）”（ｍ／２）”２に／　ｋ　！　　（
ｎ＋　ｋ）１・・・■ で与えられる。■式に従って第１種ベッセル間数Ｊｎ（
＋＊）をプロットすると、第４図のようになり、次数１
が大きくなるにつれて最大値（ピーク値）が減衰し、且
つ、ピーク値を与える変調指数噛の値が次数ｎによって
異なることが分かる６例えば、ｎ＝１に対してはｍ＃１
．８でピークとなり、ｎ＝３の場合は一ζ４．３でピー
クとなる。

又、変調指数端は、 ｎ＝２ｂｓｉｎ（φ／２）　　　　　　　−・・■で表
わされる。但し、ｂは変調信号Ｍの振幅［ｒａｄ］、φ
は変調信号Ｍによる位相変調器（７）での変調位相差で
あり、変調位相差φは、 φ＝ωＮで ＝２πｆ−τ　　　　　　　　　・・・■但し、ｆＮ：
変調信号Ｍの周波数 τ：変調を受ける時間 で表わされる。又、変調時間τは、 τ＝εｌｐ／ａ　　　　　　　　　…■である。但し、
ＩＰは位相変調器（７）に巻かれた光ファイバ長、εは
光ファイバ（２）内のファイバコアの屈折率であり、石
英ガラスの場合、εζ１．５である。０〜０式より、変
調指数端は、 ｍ＝　２ｂｓｉｎ（πｒＭｅ　１ｐ／　ｃ）　　　　　
　−■′となる。

０式で表わされる変調後の光出力ｄＰＷＮは、フォトダ
イオード（８）の分光感度が乗算されて光量信号Ａとな
り、電子回路（１０）内のＡＣ増幅器（１１）で増幅さ
れると共に直流（０次）成分が除去され、更に、検波器
（１２）で各次数の高調波成分が検波されると共に、角
周波数ωＮを含む成分が除去される。

このうち、変調信号Ｍの周波数ｆＨに相当する第１次高
調波Ａ、は、ＤＣ増幅器（１４）に入力され、他の第Ｎ
法肩調波ＡＮは光量信号Ａと共に制御信号発生部（１３
）に入力される。

ここで、フォトダイオード（８）の分光感度及びＡＣ増
幅器（１１）の利得を含む比例定数をαとすると、第１
次高調波Ａ、は、０式より、 Ａ＋＝　ａ　　（Ｐｏ／２）Ｊ　　＋（ｍ）ｓｉｎΔ　
θ　　　　・・・■で表わされる。この第１次高調波Ａ
、は、ＤＣ増幅器（１４）で増幅されると共に、更にＩ
Ｖ変換されて電流信号から電圧信号Ｖｏとなり、静止時
の光出力Ｐｏ及びＤＣ増幅器（１４）の利得を含む比例
定数をβとすると、 Ｖｏ＝βＪ　１（ｓｌａｉｎΔθ　　　　　　・・・■
で表わされる。

この電圧信号Ｖｏは、偶数次高調波、例えば第２次高調
波Ａ２に基づく制御信号ＣＩを用いて補正部（１５）で
補正され、最終的な位相差信号Ｂとして出力される。第
２次高調波Ａ２は位相差Δθの余弦関数であるため、０
式のように位相差Δθの正弦関数からなる電圧信号■０
が、Δθ＝π／２の近傍で感度が落ちても、第１の制御
信号Ｃ１により補償することができる。

一方、変調度を決定する変調指数鴫は、■′式のように
種々のパラメータによって決定するが、■′式中のパラ
メータも変化し、例えば、位相変調器（７）が円筒状の
圧電素子の場合、変調信号Ｍの振幅ｂ［ｒａｄ］は、 ｂ＝２πλ・ｄｌＰ　　　　　　　　　・・・［株］で
表わされる。

但し、［株］式内のｄｌＰは位相変調器（７）によって
伸縮される光ファイバ長であり、 ｄｌＰ＝　ＩＰ・γ・ｄＶ／Ｔ　　　　　　　・・・■
但し、７７円周（径）方向の圧電定数 ｄｖ：変調電圧振幅［Ｖ］ Ｔ：圧電素子の厚さ で表わされる。０式から明らかなように、経時変化や温
度変化等により圧電定数γが変化しても、変調電圧振幅
ｄＶを制御することにより、変調信号Ｍの振幅すを一定
値に保持し、変調指数部の変動を防止することができる
。

例えば、Δθ＝０の近傍で大きい値を持つ偶数次の第２
次高調波Ａ２と第０次高調波Ａ、との比を一定にして変
調指数薗を制御する場合、第４図から明らかなように、
第１次高調波Ａ、を最大振幅にする変調指数＋＊（＃　
１．８）を保持するためには、ｎ＝２及びｎ＝４のベッ
セル関数の比が、 Ｊ２（醜）／Ｊ４（鍮）−１３ を満たようにすればよい、従って、制御信号発生部（１
３）は、この比の値に基づく制御信号Ｃ２を変調制御部
（１７）に入力し、位相変調器（７）の変調度が一定と
なるように、変調信号Ｍの変調指数ｍを制御する。

又、制御信号発生部（１３）は、光量信号Ａに基づいて
レーザ光Ｌ′の絶対光量に相当する第０次高調波（０式
参照）を抽出し、この第０次高調波に基づく第３の制御
信号Ｃ５を光源制御部（１６）に入力し、光源（１）の
出力変動を補正してレーザ出力が一定となるように制御
する。

これら制御信号発生部（１３）、光源制御部（１６）及
び変調制御部（１７）からなるフィードバック系により
、光学系（９）は感度補償され且つ安定化された光量信
号Ａを出力することができ、電子回路（１０）は光量信
号Ａに基づいて高精度の位相差信号Ｂを出力することが
できる。従って、位相差信号Ｂから求まる角速度Ωに基
づいて、被制御対象の動作状態を高精度に制御すること
ができる。

しかし、実際には、光ファイバジャイロの性質上、フォ
トダイオード（８）に入射されるレーザ光Ｌ′及び光量
信号Ａは非常に微弱である。このため、各増幅器（１１
）及び（１４）により位相差信号Ｂを所要電圧まで高利
得に増幅しているが、フォトダイオード（８）は干渉ノ
イズを拾い易く、本来の光干渉信号の他に変調信号Ｍも
同期して検出してしまう。

特に、第１次高調波Ａ１は変調周波数ｒｘの基本波成分
に相当するため、光量信号Ａの第０次高調波Ａには十分
大きなレベルでビックアブツブノイズが重畳されており
、第１次高調波Ａ、に基づく位相差信号Ｂは増幅された
高レベルのノイズを含んでいる。従って、角速度Ωが零
であったとしてもノイズによるオフセットが発生し、更
に、感度を一定化しようとして変調度を制御すると、こ
れに伴ってノイズの状態が変動し、結果的にオフセット
が変動してしまうことになる。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の光ファイバジャイロは以上のように、変調後の光
出力ｄＰＷ、の高調波成分のうち、ノイズの影響を受は
易い第０次高調波＾、に基づいて位相差信号Ｂを得てい
たので、不安定なオフセットが発生して安定した位相差
信号Ｂが得られず、入力軸の角速度Ωを高精度に検出で
きないという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、ノイズの影響を受けない第３次以上の高調波
成分に基づいて位相差信号を出力し、位相差信号を安定
化すると共にオフセットを抑制できる光ファイバジャイ
ロを得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段〕 この発明に係る光ファイバジャイロは、高調波成分のう
ちの第３次以上の奇数次高調波と第１の制御信号とに基
づいて入力軸の角速度に応じた位相差信号を出力する補
正部と、第２の制御信号に基づいて、奇数次高調波が最
大となるように位相変調器を制御する変調制御部とを、
電子回路に設けたものである。

［作用］ この発明においては、位相差信号に検波によるピックア
ップノイズが含まれないので、種々の環境下で感度が一
定となるように変調度を制御しても、オフセットがほと
んど発生せず、零点変動が抑制され且つ安定な零点出力
が得られる。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図はこの発明の一実施例を示すブロック図であり、（１
）、（７）〜（９）、（１１）、（１４）、（１６）Ｌ
、Ｌ’、Ａ、Ｃ，及びＣ１は前述と同様のものである。

又、光学系（９）内の図示しない構成は第２図に示した
通りであり、（２０）、（２２）、（２３）、（２５）
、（２７）、Ｂ′、Ｃ２’及びＭ′は、電子回路（１ｏ
）、検波器（１２）、制御信号発生部（１３）、変調制
御部（１７）、位相差信号Ｂ、第２の制御信号ｃ２及び
変調信号Ｍにそれぞれ対応している。

第１図において、検波器（２２）は第３次高調波Ａ。

をＤＣ増幅器（１４）に入力しており、補正部（２５）
は直流増幅された第３次高調波と第１の制御信号Ｃとに
基づいて位相差信号Ｂ′を出力している。又、制御信号
発生部（２３）は、変調指数−を４．３に保持するため
の第２の制御信号Ｃ３′を変調制御部（２））に入力し
ており、変調制御部（２７〉は、−〜４．３を保持する
ように制御された変調信号Ｍ′を位相変調器（７）に入
力している。

次に、第４図を参照しながら、第１図に示したこの発明
の一実施例の動作について説明する。

まず、前述と同様にフォトダイオード（８）から出力さ
れた光量信号Ａは、電子回路（２０）内のＡＣ増幅器（
１１）に入力されて交流増幅される。検波器（２２）は
、交流増幅された光量信号の高調波成分のうち、第３次
高調波Ａ３をＤＣ増幅器（１４）に入力し、第２次以上
の高調波成分へＮを制御信号発生部（２３）に入力する
。補正部（２５）は、ＤＣ増幅器（１４）で直流増幅さ
れた第３次高調波と第１の制御信号Ｃ１とに基づいて位
相差信号Ｂ′を出力する。

このとき、第２次高調波Ａ２には、フォトダイオード（
８）での干渉ノイズが含まれないので、位相差信号Ｂ′
のノイズ成分によるオフセットを抑制することができ、
入力軸の角速度Ωが零であればオフセットは零となる。

従って、種々の環境下で変調指数−を制御しても、感度
及び零点を安定させることができる。

又、第２の制御信号０２′は、変調制御部（２７）を介
して変調信号Ｍ′となり、第３次高調波Ａ、が最大とな
る変調指数ｍ（〜４．３）に保持されるように位相変調
器（７）を制御する。前述と同様に第２次高調波Ａ２と
第４次高調波Ａ４との比を一定に制御する場合、第４図
から明らかなように、ベッセル関数の比（Ｊ　２（ＩＩ
）／　Ｊ　４（−））は約１となる。このとき、第２次
高調波Ａ２を用いた場合と比べて、ピーク値即ち効率が
２５％程度減少するが、特に支障は生じない。

変調指数−は、前述の０〜０式から明らかなように、変
調電圧振幅ｄＶ、変調周波数ｆ１４及び変調時間τ等を
調整することにより任意の値に制御することができる。

尚、上記実施例では、変調指数−を４．３に保持すると
共に、第３次高調波Ａ、に基づいて位相差信号Ｂ′を出
力する場合を示したが、第３次以上の他の奇数次高調波
を用いてもよい。

この場合、変調指数鍮も、高調波成分に応じて変化する
ことは言うまでもない、但し、第４図から明らかなよう
に、効率を良くするには、次数ｎは小さい方がよい。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、第３次以上の奇数次高
調波と第１の制御信号とに基づいて入力軸の角速度に応
じた位相差信号を出力する補正部と、奇数次高調波が最
大となるように位相変調器を制御する変調制御部とを電
子回路に設け、位相差信号にノイズが含まれないように
したので、種々の環境下で変調度を制御してもオフセッ
トがほとんど発生せず、零点変動が抑制され且つ安定な
零点出力が得られ、高精度の光ファイバジャイロが得ら
れる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示すブロック図、第２図
は一般的な光ファイバジャイロの概略を示す構成図、第
３図は従来の光ファイバジャイロを示すブロック図、第
４図は第１種ベッセル関数の変調指数に対する特性図で
ある。 （１）・・・光源　　　　　　（２）・・・光ファイバ
（３）、（４）・・・結合器　　（６）・・・センサコ
イル（７）・・・位相変調器 （８）・・・フォトダイオード （１０）・・・電子回路　　　　（２２）・・・検波器
（２３）・・・制御信号発生部　（２５）・・・補正部
（２））・・・変調制御部　　　Ω・・・角速度り、Ｌ
’・・・レーザ光　　　Ａ・・・光量信号Ａ、・・・第
３次高調波　　Ｂ′・・・位相差信号Ｃ２・・・第１の
制御信号　ｃ２・・・２の制御信号面、図中、同一符号
は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　レーザ光を放射する光源と、 光ファイバからなり入力軸に直結されたセンサコイルと
   、 このセンサコイルの両端から前記レーザ光を導入するた
   めの結合器と、 前記センサコイルの一端に配設された位相変調器と、 前記結合器から分岐された変調後のレーザ光を検出して
   光量信号を出力するフォトダイオードと、前記光量信号
   に基づいて前記位相変調器を制御すると共に前記入力軸
   の角速度に応じた位相差信号を出力する電子回路と、 を備えた光ファイバジャイロにおいて、 前記電子回路は、 前記光量信号に含まれる複数の高調波成分を抽出する検
   波器と、 前記高調波成分のうちの第２次以上の高調波に基づいて
   第１及び第２の制御信号を生成する制御信号発生部と、 前記高調波成分のうちの第３次以上の奇数次高調波と前
   記第１の制御信号とに基づいて、前記入力軸の角速度に
   応じた位相差信号を出力する補正部と、 前記第２の制御信号に基づいて前記奇数次高調波が最大
   となるように前記位相変調器を制御する変調制御部と、 を含むことを特徴とする光ファイバジャイロ。