JPH02240511A - 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、光ファイバジャイロに関するものであり、
さらに詳しくいうと、回転軸と共動する光ファイバに一
定の波長の光を時計回りと反時計回り方向に同時に伝搬
させ、サニヤック　（Ｓａｇｎａｃ）効果による光の位
相差を検出して回転軸回りの回転角速度番こ比例した信
号を得るための光ファイバジャイロに関するものである
。

［従来の技術］ 第５図は、特開昭５６−９４６８０号公報に示された周
知の光ファイバジャイロの位相変調器を示し、図におい
て、圧電材料よりなる円筒部材（５０１）と、この円筒
部材（５旧）の外周面に密着させて巻付けられた光ファ
イバ（５０２）と、円筒部材（５０１）のうち、外周面
にそれぞれ形成された電極（５０１）　。

（５０４）からなっている位相変調器（５００）は、位
相変調器駆動回路（５０５）で交流電圧を電極（５０３
）。

（５０４）に印加することにより動作する。

位相変調器（５００）は、種々の方式の光ファイバジャ
イロで用いられるが、ここでは、第６図に示す位相変調
方式光ファイバジャイロでの動作を説明する。第６図に
おいて、光源（ｅｏｉ）から出射された第１の光ビーム
は、第１の光分配結合器（６０２ａ）に入射し、２分さ
れて第２、第３の光ビームとなる。第２の光ビームは実
線矢印方式に進み、偏光子（６０３）に入射する。（ｉ
光子（６０３）に入射した第２の光ビームは、一定の偏
波のみが透過し、第２の光分配結き器（６０２ｂ）に入
射する。第２の光分配結合器（８０２ｂ）に入射した第
２の光ビームは、２分されて第４、第５の光ビームとな
る。第４の光ビームは破線矢印方向に進み、位相変調器
（５００）に入射し、Φ・５ｉｎ（ωａｔ）の位相変調
を受ける。

ただし、Φは最大位相偏移、０輪は位相変調角周波数で
ある０位相変調を受けた第４の光ビームは、回転軸に垂
直に巻かれた偏波面保存単一モード光ファイバで形成さ
れている光伝搬路（６０５）を反時計回り方向に伝搬し
た後、第２の光分配結合器（６０２ｂ）に再入射する。

第５の光ビームは、第２の光分配結合器（８０２ｂ）か
ら−点鎖線矢印方向に伝搬し、光伝搬路（６０５）を時
計回り方向に伝搬した後、位相変調器（ＳＯＯ）に入射
してΦ・５ｉｎ（ω−Ｌ）の位相変調を受ける。

位相変調後、第５の光ビームは、第２の光分配結合器（
８０２ｂ）に再入射する。第２の光分配結合器（６０２
ｂ）に入射した第４、第５の光ビームは、再結きされて
第６の光ビームとなる。第６の光ビームは偏光子（６０
３）に入射し、一定偏波のみが透過し、第１の光分配結
合器（６０２ａ）に入射する。第１の光分配結合器（６
０２ａ）に入射した第６の光ビームは２分されて、第７
、第８の光ビームとなる。この第８の光ビームが光電変
換回路（６０６）に入射し、光電変換出力信号（６０７
）が出力される。このとき、光電変換出力信号（６０７
）は１次式で表される。

Ｖ＋　ｏｃ　Ｐｏ（１＋　Ｊｏ（ｈ）ｃｏｓ（Ｋω）−
２Ｊ＋　（ｈ）ｓｉｎ（にω）・Ｃｏ５（ωａｔ＋θ鋤
）＋・・・）、単位［Ｖ］　　　・・・（１）ただし、
ｖｌ；光電変換出力信号 Ｐｏ；第８の光ビームの非干渉光光量 Ｊｉ；　ｉ次ベッセル関数（ｉ−０および自然数） ｈ；２Φ・５ｉｎ（ｘｎＬωｍ／Ｃ）：位相変調指数に
；４πＲＬ／λＣ Ｒ；光伝搬路半径 Ｌ；光ファイバ長 λ；真空中における光の波長 Ｃ；真空中における光速 ω；入力回転角速度 ｎ；光ファイバの等価屈折率 θ鋤；位相変調の初期位相 である。

光電変換出力信号（６０７）は、位相変調器駆動回路（
５０５）から出力される位相変調器駆動回路（６０９）
とともに、同期検波回路（６０８）に入力され、位相変
調角周波数ω踏と同一角周波数成分が同期検波される。

よって、同期検波回路（６０８）の出力信号（６１０）
は、２ＰｏＪ＋　（ｈ）ｓｉｎ（Ｋω）に比例しており
、この出力信号（６１０）がジャイロ出力となる。

ここで、従来の位相変調器（ＳＯＯ）は、圧電材料より
なる円筒部材（５０１）のラジアル方向の共振周波数ｔ
ｒ＆で位相変調していた。第７図は位相変調器駆動周波
数に対する円筒部材（５０１）のインピーダンス特性を
示している。

位相変調器（５００）は、円筒部材（５０１）のラジア
ル方向の共振周波数ｆｒＩ　で位相変調していた。

殻に、円筒部材（５０１）を構成する圧電部材には、ジ
ルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ［Ｚｒ・Ｔｉ］０３）等の圧
電セラミックスやニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂ０３）な
どの強誘電体が使用されている。これらの圧電部材は、
円筒形状の場合、ラジアル方向の共振周波数ｆｒ１が次
式で表される。

ｆｒ＋　ｏｃ　１／［（ＤＩ　＋　０２）／２］　　　
単位［ｆｌｚ］　　−・−（２）また、周知の位相変調
器（５００）による位相変調の最大位相偏移Φは、次式
で表される。

ただし、にｏ；２π／λ：波数 ｖｄ：印加電圧 Ｎ；光フアイバ巻付ターン数 ｄ３３；電圧印加方向の電歪定数 ｄ３．；電圧印加と垂直方向の電歪定数Ｄ　；　（ＤＩ
　＋　Ｄ２）／２ Ｔ　、　（Ｄ、二Ｄ２）／２ Ｑ：Ｑ値 Ｐｉに光ファイバの光弾性定数 （ｉ＝　１　、　ｊ＝１．２） γ；光ファイバのポアッソン比 である。

ここで、光ファイバジャイロでは、位相変調周波数の２
倍の周波数を持つ高調波の位相変調によるバイアス誤差
を除去するため、１／２τの周波数で位相変調する。た
だし、τは光伝搬路の遅延時間であり、 τ＝ｎＬ／Ｃ単位［５ｅｃｌ　　　・・（４）で表され
る。

また、１／２τ　を、以下、光転搬路固有周波数と称す
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では、位相変調器（５００）
のラジアル方向の共振周波数ｆｒｌ　を光転搬路固有周
波数に合わせるため、円筒部材（５０１）の径を小さく
しなければならなかった０例えば、光伝搬路（６０５）
の光ファイバ長が６００１のとき、（ａｔ＋０２）／２
を５１１１程度にしなくてはならない。

このため、光ファイバ（５０２）を円筒部材（５０１）
に巻き付けると、光ファイバ（５０２）の放射損失によ
り光量低下を招き、光電変換出力信号（６０７）のＳＮ
比の劣化となる問題があった。

また円筒部材（５０１）の寸法は、製造上誤差があるた
め、ラジアル方向の共振周波数ｆｒ１　と光転搬路固有
周波数を一致させることが難しかった。

さらに、円筒部材（５０１）のラジアル方向の共振周波
数ｆｒＩ　においては、外力および温度によりＱ値が変
動し、最大位相変移Φ、ひいては、位相変調指数りの変
動を生じ、ジャイロ出力のスケールファクタ変動となる
問題があった。

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、位相変調器（５００）の円筒部材（５０１
）の径を大きくし、光ファイバ（５０２）の放射損失を
低減することにより、光電変換出力信号（６０７）のＳ
Ｎ比を向上するとともに、円筒部材（５０１）の製造上
の誤差に拘わらず光転搬路固有周波数で位相変調を可能
とし、さらに、外力および温度変化による位相変調指数
りの変動を低減しスゲールファクタの安定した光ファイ
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、圧電材料よりな
る円筒部材の外周面に、偏波面保存の単一モード光ファ
イバを密着させて、巻付径が少なくとも２０ｍｍに巻付
けた位相変調器を、円筒部材のラジアル方向およびアキ
シャル方向の共振周波数の間の非共振領域で、かつ、偏
波面保存の単一モード光ファイバでなる光伝搬路の光フ
ァイバ長で決まる光転搬路固有周波数で駆動する。

［作用］ この発明においては、位相変調器の円筒部材のラジアル
方向およびアキシャル方向の共振周波数間の非共振領域
で位相変調することにより、ラジアル方向の共振周波数
を光転搬路固有周波数に合致させる必要がないため、円
筒部材の径を大きくでき、光ファイバの放射損失を低減
でき、光電変換出力信号のＳＮ比が向上する。

また、円筒部材のラジアル方向およびアキシャル方向の
共振周波数間の非共振領域で位相変調することにより、
円筒部材の製造上の誤差により、ラジアル方向およびア
キシャル方向の共振周波数が多少ずれても、光転搬路固
有周波数で位相変調が可能である。

さらに、非共振領域で位相変調することにより、外力お
よび温度変化によるＱ値の変動が低減され、位相変調指
数りが安定化され、スゲールファクタの安定した光ファ
イバジャイロが得られる。

［実施例］ 第１図は、この発明の一実施例の駆動周波数に対する円
筒部材のインピーダンス特性を示し、ｆｒｌは、第５図
のような位相変調器（５００）を形成する円筒部材（５
０１）のラジアル方向の共振周波数、ｆｒ２は円筒部材
（５０１）のアキシャル方向の共振周波数、「■は位相
変調周波数を示す。

位相変調器は、圧電部材からなる円筒部材（５０１）に
光ファイバを、巻は径が少なくとも２０１１Ｎとして巻
付けたもので、円筒部材（５０１）のラジアル方向およ
びアキシャル方向の共振間の非共振領域で、かつ、光転
搬路固有周波数１７２τで駆動される。

ただし、τは光伝搬路の遅延時間である。これにより、
円筒部材（５０１）が径方向に伸縮し、円筒部材（５０
１）に巻き付けられた偏波面保存の単一モード光ファイ
バ（５０２）も伸縮する。従って、駆動周波数に応じた
周波数で光路長が変化し、光速不変であることから、光
の位相が変調される。

このとき、ラジアル方向共振周波数ｆｒｌは、光ファイ
バ（５０２）を円筒部材（５０１）に巻き付けたとき、
光量の放射損失を生じにくい巻付径（２０ｚｚ以上）で
決定している。

また、アキシャル方向共振周波数ｆｒ２は、光転搬路固
有周波数、言い換えると位相変調周波数ｆ―に対し、（
ｆｍ　　ｆｒ＋）以上高くなるように決定している。

これらの共振周波数ｆｒｌ、　ｆｒ２と位相変調周波数
ｆｅ＋の差は通常数１０ＫＩＩｚあり、円筒部材（５０
１）の製造上の誤差によるｆｒｙ、　ｆｒ２のずれは数
ＫＨｚ内に収めるこ・とが可能である。従って、円筒部
材（５０１）の製造誤差に拘わらず、光転搬路固有周波
数で位相変調可能である。

第２図は位相変調器のアキシャル荷重に対するＱ値の一
例、第３図は位相変調器のラジアル荷重に対するＱ値の
一例、また、第４図は位相変調器の温度に対するＱ値の
一例を示す、これらは、外径２５ｍｍ、内径２３ｚｉ＋
、高さ５ｚｍのジルコン酸チタン酸鉛圧電材料からなる
円筒部材（５０１）に間するデータである。また、位相
変調周波数ｆｔ１１は光伝搬路の光ファイバ長６００１
に対する固有周波数１７１Ｋｌｉｚである。

まず、第２図のように、アキシャル荷重に対しては、ラ
ジアル方向共振周波数においてＱ値が荷重零のときと５
００ｇｒのときで５８．６％の変化を生じている。しか
し非共振領域の光転搬路固有周波数では、アキシャル荷
重零のときと５００ｇｒのときでＱ値が１．６％の変化
に止まっている。

次に、第３図に示すラジアル荷重に対しては、ラジアル
方向共振周波数において、Ｑ値が荷重零のときと５００
１ｒのときで１４．０％の変化を生じている。しかし光
転搬路固有周波数では、ラジアル荷重零のときと５００
ｇｒのときでＱ値が１，０％の変化に止まっている。

次に第４図に示すように、温度に対しては、ラジアル方
向共振周波数において、Ｑ値が０．９６％／℃の温度係
数をもつのに対し、光転搬路固有周波数では０．２５％
／℃である。

従って、ラジアル方向共振周波数で位相変調する場合に
比べ、非共振領域で位相変調する場合、外力および温度
変化によるＱ値の変動が低減される。これにより、位相
変調指数りが安定化され、スケールファクタの安定した
光ファイバジャイロが得られる。

［発明の効果］ 以上のよう樟、この発明によれば、光ファイバの巻付径
を少なくとも２０ｉｉ＋とじた位相変調器を圧電材料か
らなる円筒部材のラジアル方向およびアキシャル方向の
共振周波数間の非共振領域で駆動するようにしたので、
円筒部材の径を大きくでき、光ファイバの放射損失が低
減され、光電変換出力信号のＳＮ比を向上できると共に
、円筒部材の製造誤差に拘わらず光転搬路固有周波数で
位相変調が可能となり、また、外力および温度変化に対
し、スケールファクタ変動を低減できるなどの効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図はこの発明の一実施例の動作線図で、第
１図は駆動周波数に対する位相変調器円筒部材のインピ
ーダンス特性、第２図は位相変調器のアキシャル荷重に
対するＱ値のデータ、第３図は位相変調器のラジアル荷
重に対するＱ値のデータ、第４図は位相変調器の温度に
対するＱ値のデータを示す。 第５図〜第７図は従来の光ファイバジャイロを示し、第
５図は位相変調器の斜視図、第６図は光ファイバジャイ
ロの回路図、第７図は位相変調器駆動周波数に対する位
相変調器円筒部材のインピーダンス特性線図である。 （５０Ｇ）・・・位相変調器、（５０１）・・・円筒部
材、（５０２）・・・光ファイバ、（５０５）・・・位
相変調器駆動回路。 なお、 各図中、 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】 回転軸に垂直に巻かれた偏波面保存単一モードの光ファ
   イバで形成されている光伝搬路に一定の波長の光を時計
   回りと反時計回り方向に同時に伝搬させ、サニャック効
   果による前記光の位相差を検出して前記回転軸の角速度
   に比例した信号を得る光ファイバジャイロにおいて、 圧電材料でなる円筒部材の外周面に密着して偏波面保存
   単一モードの光ファイバを巻付径が少なくとも２０ｍｍ
   に巻付けてなり、前記円筒部材のラジアル方向およびア
   キシャル方向の共振周波数の間の非共振領域で、かつ、
   光伝搬路固有周波数で駆動される位相変調器を備えてな
   ることを特徴とする光ファイバジャイロ。