JPH026712A - 光ファイバージャイロ装置 - 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〕 本発明は運動体、例えば航空機、船舶、自動車等の角速
度及びそれ等の方位角を測定する光ファイバージャイロ
．装置に関する。

〔従来の技術〕

光のサグナック効果を利用した従来の光ファイバージャ
イロ装置の一例を第４図に示す。同図の例では、駆動電
源（１−２）で駆動されるレーザなどの発光素子（１−
１）から出た光（１１）が、ビームスブリック（１７）
で、右回り光（１３）と、左回り光（１２）とに分割さ
れ、これらの光（１３）、　（１２）　　が２個の集光
レンズ（４）、　　（５）を通って一本の光ファイバー
（３ａ）を複数回巻回して形成した光ファイバーループ
（３）の両端（３−１）、　（３−２）から光ファイバ
ーループ（３）に夫々人射し、夫々光ファイバーループ
（３）を通った後、地方の端（３−２）　、　（３−１
）より集光レンズ（５）。

（４）を通って出射光（１５）、　（１４）　　として
出射し、ビームスプリッタ（１７）で合成され、互いに
干渉し、その干渉光（１６）が受光素子（１１）に入り
、その出力が電流−電圧変換器（２−２）を介して電圧
Ｉとして出力されるように構成される。

この構成に於て、光ファイバーループ（３）が角速度を
受けない静止した状態では、出射光（１４）、　（１５
）に位相差が生じないが、光ファイバーループ（３）に
角速度Ωが印加されると、光ファイバーループ（３）を
互いに逆方向に進む光（１２）、　（１３）　　にザブ
ナック効果が生じ、出射光（１４）、　（１５）　　間
に角速度Ωに比例した位相差が生じる。この位相差Δθ
はで表わされる。ここで、Ｒは光ファイバーループ（３
）の半径、Ｌは光ファイバーループ（３）の長さ、λは
発光素子（１−１＞から出る光の波長、Ｃは光速を示す
。従って、電流−電圧変換器（Ｌ−２）からの出力■は １　”　１　＋ｃｏｓ△θ　　　　　・・・・・・（２
）となる。つまり、電流−電圧変換器（１２）の出力Ｉ
を測定することにより、印加角速度Ωを検出できること
になる。しかし、このますでは、入力角速度Ωが小さな
場合、位相差△θが微小で、ｃｏｓ△θの変化を検出す
るのが難しいという欠点がある。

このような点から、例えば第５図に示すような構成の光
ファイバージャイロ装置が提案されている（この方式は
位相変調方式光ファイバージャイロ装置と呼ばれている
）　　この例では、第４図の例に加えて、光ファイバー
（３ａ）の１端（３−２＞と光ファイバーループ（３）
との開に、位相変調器（６）を設け、信号発生器（７）
からの信号で、この位相変調器（６）を駆動し、光ファ
イバー（３ａ）内を互いに逆方向に伝播する光（１２）
、　（１３）　　に位相変調を加えるものである。位相
変調器（６）に印加する信号、つまり、信号発生器（７
）からの信号の角周波数を０ｍとすると、電流−電圧変
換器（２−２）の出力Ｉは、１＝Ｋ　　（１＋ｃｏｓ△
θ（Ｊｏ　（Ｘ）　＋２　Ｊ　２（Ｘ）ＣＯ９２ｔｏｍ
　ｔ　＋　・・＋ｓｉｎ八〇（へ　Ｊ＋（Ｘ）ｓｉｎｃ
ｃ＋ｍ　を十−・−・）　）　　＝　・・（３）となる
。ここで、Ｘは位相変調度、Ｊ、、Ｊ、　　・・・はベ
ッセル関数、Ｋは比例定数、ｔは時間である。

出力Ｉの角周波数成分の内、角周波数ωｍの成分を、同
期検波器（８）で、信号発生器（７）よりの角周波数ω
ｍの信号を基準として同期検波することにより、ｓｉｎ
Δθに比例する出力を得ることができる。

このため、微小人力角速度時の感度を増大することがで
きる。

第６図は、位相変調方式光ファイバージャイロ装置の他
の従来例の路線図である。この例では、第４及び第５図
の例のビームスプリッタ（１７）の代わりに、光ファイ
バーのカプラ（４０）、　（４１）　　及び光フアイバ
ー偏光子（４２）を用いて、全光ファイバー型光ファイ
バージャイロ装置を構成している。光ファイバーのカプ
ラ（４０）、　（４１）　　は、研磨型もしくは融着伸
延型のいずれでもよい。また、この例では、光ファイバ
ージャイロ装置の性能の安定性を図るため、光ファイバ
ーのカプラを２個用いると共に、光フアイバー偏光子（
４２）を用いている。光フアイバー偏光子（４２）は、
光フアイバーコイル型、研磨型光フアイバー偏光子いず
れも用いることができる。

全光ファイバー型光ファイバージャイロを構成する場合
、発光素子（１−１）、受光素子（２−１）、光ファイ
バーループ（３）、位相変調器（６）、光ファイバーの
カプラ（４０）、（４１）　　、光フアイバー偏光子（
４２）から出ている光ファイバー（３ａ）の接続が必要
である。一般には、光ファイバーの先端をアーク放電等
で溶融して接続する融着接続が行なわれる。第６図の例
では、７ケ所（４３−１）〜（４Ｌ−７）の融着接続部
が存在する。

以上水した光ファイバージャイロ装置に用いる光ファイ
バーは、偏波面保持ファイバーを用いてもよい。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記位相変調方式光ファイバージャイロ装置を、航空機
等の移動体の角速度及びそれらの方位（角度）を測定す
るために移動体に取り付ける場合、上記光ファイバージ
ャイロ装置の構成部品を小型且つ性能劣化がないように
ケースに収納することが不可欠である。この場合、光フ
ァイバージャイロ装置の中で最大の大きさを持つ部品で
ある光ファイバーループ（３）の形状に合わせ、円筒形
状のケースを用いる。しかし、光ファイバージャイロ装
置の構成部品を小型のケースに収納した場合、発光素子
（１−１）及びその駆動電源（１−２）、電流−電圧変
換器（２−２）、信号発生器（７）、同期検波器（８）
等を含む周辺電気回路部から発生する熱や位相変調器（
６）の振動が、光ファイバーループ（３）に影響を与え
、光ファイバージャイロ装置の性能を劣化させると共に
、温度、振動等の外部からの擾乱により、光ファイバー
ジャイロ装置の性能が損なわれると云う欠点がある。ま
た、周辺電気回路を小型にまとめた場合、雑音により電
気回路部が影響を受けることにより、光ファイバージャ
イロ装置の性能が制限される。

以上述べた様に、光ファイバージャイロ装置を小型化す
るためには、光ファイバージャイロの性能を劣化させず
、且つ効率的な部品の収納法が必要かつ不可欠であると
いう問題がある。

本発明は上記課題を解決した新規な光ファイバージャイ
ロ装置を提供せんとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明による上記課題を解決する手段は、発光素子（１
−１）、光ファイバーループ（３）、カプラ（４０）。

（４１）、位相変調器（６）、受光素子（２−１）等を
有する光ファイバージャイロ装置において、基台（５１
）を設け、該基台に断熱緩衝部材（５０）を介して上記
光ファイバーループを固定し、且つ上記発光素子（１１
）を上記光ファイバーループの中央開口内に於て直接上
記基台に固定し、上記発光素子の発熱の影響をなくすよ
うにすると共に、上記基台から、断熱材製の支柱（５７
）を介して、上記光ファイバーループの上方に該光ファ
イバーループと離間して第２の基台（５４）を設け、該
第２の基台上に、上記カプラ、位相変調器、受光素子等
の光学部品を設置したことを特徴とする光ファイバージ
ャイロ装置である。

〔作用〕

本発明においては、光ファイバーループを緩衝材、例え
ばスポンジ、ゴム等を介して固定して、熱、振動等の影
響を受けないようにすると共に、主たる発熱源である発
光素子（１−１）を光ファイバージャイロ装置の基台或
いは円筒形状のケースに直接取付で、それに発生する熱
を直接外部に放出し、内部の温度分布の均一化を図り、
ジャイロ装置としての性能を向上させる。又、発光素子
（１１）の駆動回路（１−２＞、信号発生器（７）、同
期検波器（８）等の電気回路系部品の収納室と、発光素
子（１１）、受光素子（２−１）、光ファイバーループ
（３）、位相変調器（６）、光ファイバーのカプラ（４
０）、　（４１）　、光フアイバー偏光子（４２）、光
フアイバー融着接続部（４Ｌ−１）〜（４３−７）等の
光学系部品の収納室とを別々に仕切り、電気回路系で発
生した熱が光学系に伝わらないような構造にする。

また、ケースには、円筒形状のものを用い、光学系部品
を立体的に収納すると共に、光フアイバー融着接続部（
４３−１）〜（４Ｌ−７）の収納固定部を設けると共に
、融着接続部に連なる光ファイバーの長さを上記円筒形
状のケースの内周の整数倍にすることで、全長ファイバ
ーを円筒形状のケースの内側に効率よく収納する。

又、光ファイバージャイロ装置の運動体への取付に対し
ては、ジャイロ装置の円筒形状のケースの中央付近に取
り付は用フランジを設けることで、ジャイロ装置をその
重心付近で支持することができ、ジャイロ装置をあらゆ
る方向にバランスよく取り付は可能にすると共に、ジャ
イロ装置本体の強度を増加させる構造とした。

〔実施例〕

第１図Ａ及びＢは、夫々本発明の一例の縦断面図及び主
としてその光学系の上面図である。尚、本発明の第１の
例では、第６図に示した位相変調方式光ファイバージャ
イロ装置の各構成部品を、実際にケース内に収納したも
のである。

本発明のこの例では、第１図Δに示す様に、熱伝導の良
い部材より成る基台又は取付フランジ（５１）の両側に
、熱伝導の良い部材から成る一端の閉じた円筒形のケー
ス（５２）、　（５３）　　を夫々固定し、一方のケー
ス（５２）内に光学系部品を、他方のケース（５３）内
に電気回路系部品を夫々別々に収納する。

このことにより、発熱源である電気回路系部品から光学
系が離されて、光学系が電気回路系からの熱の影響を受
けるのを防いでいる。発光素子（１１）についても、取
付フランジ（５１）の中心部に直接に取付ける。これは
、半導体レーザーや発光ダイオード、スーパールミネッ
セントダイオードといった半導体発光素子は、動作中多
くの熱を発生すると共に、動作温度が高い程、発光効率
が低下したり、寿命が短くなる等の特性の劣化がおこる
ので、効率の良い放熱が必要であるが、熱を光学系内部
に放熱すると、光ファイバーループ（３）等の光学系部
品に影響を与え、ジャイロ装置としての性能が低下する
ため、熱伝導の良い部材から成る取付フランジ（５１）
を介してジャイロ装置の外部に放熱を行なう。

光ファイバーループ〔３）はケース（５２）内に於てス
ポンジ、ゴム等の断熱緩衝材（５０）を介し、発光素子
（１−１）を包囲する如く、取付フランジ（５１）及び
固定板（５４）間に固定される。尚、（３Ａ）は光ファ
イバーループ（３）を支持するリング状の枠である。尚
、固定板（５４）は断熱材製の支柱（５７）を介して取
付フランジ（５１）に固定される。

光ファイバーに熱や振動、側圧等の応力等の外乱が加わ
ると、光ファイバーの屈折率が変化する。

このとき、外乱による作用が、光ファイバーループ（３
）内の光ファイバーに不均一であった場合、光ファイバ
ーループ（３）内を互いに反対方向に伝播する光の間で
、異なった位相差が発生することから、式（１）で示す
ような光ファイバーループ（３）が回転することで左右
両回りの光の間で発生するサグナック位相差を判別でき
なくなるため、回転角速度の測定に誤差を生じることに
なる。このため、光ファイバーループ（３〕を断熱緩衝
材（５０）を介して固定して外乱を受けないような構造
にすることで、光ファイバージャイロ装置の性能を上げ
ることができる。このとき、光フアイバー偏光子（４２
）は、光ファイバーループ（３）の外周に共巻きしてい
る。

受光素子（ｉｌ）、位相変調器（６）、光ファイバーの
カプラ（４０）、（４１）　　、融着接続部（４Ｌ−１
）〜（４３７）（以下、（４３）で代表する）は、固定
板（５４）上に取付る。光ファイバーのカプラ（４０）
、　（４１）　　は、第１図Ｂに示す如く、それに連な
る光ファイバーの出ていく方の部分（５５）を位相変調
器（６）側として、光ファイバーが急激に折れ曲がらな
いようにしである。光フアイバー融着接続部（４３）は
、光ファイバーのカプラ（４０）、　（４１）　　の側
面に断熱緩衝材（５０）を介して固定する。このため、
融着接続部（４３）の取り付けのために、充分長いスペ
ースが確保されると共に、振動等による外部応力が融着
接続部（４３）に加わらないようにでき、しかも融着接
続部（４３）から出ている光ファイバーの部分（５６）
を、カプラから出でいる光ファイバーの部分（５５）と
同じ方向とすることで、光ファイバーの急激な折れ曲が
りを防げる。

発光素子（１−１）、受光素子（１１）、位相変調器（
６）、光ファイバーのカプラ（４０）、（４１）　　、
光ファイバーループ（３）及び光フアイバー偏光子（４
２）から出ている光ファイバーの余長部の長さは、各光
学素子から光学系のケース（５２）の内面に沿って融着
接続部（４３）までに達する長さに、光学系のケース（
５２）の内周の長さの整数倍を加えた長さとすることで
、光ファイバーの余長部を光学のケース（５２）の内側
に沿って効率よく処理できる。

また、第１図の例では、電流−電圧変換器（２２）は、
ケース（５２）内の受光素子（２−１）の上部空間に配
置しである。これは、受光素子（２−１）に使用してい
るフォトダイオードは、インピーダンスが高いため、雑
音を拾いやすいことから、フォトダイオードからの光電
流出力を電圧出力に変換する電流−電圧変換器（２−２
）を受光素子（ｉｌ）の近くに配置して、雑音を拾いに
＜＜シている。尚、電流−電圧変換器（２−２）は、他
の電気回路部と共に、電気回路系の収納ケース（５３）
に収納してもよい。

第２図は本発明の他の実施例の主要部を示す上面図であ
る。第２図の例では、第１図Ｂに示す固定板（５４）上
の各部品の配置を変えた構造である。

即ち、第２図の例では、位相変調器（６）を、その中心
が固定板（５４）の中心（０）に一致するように取り付
ける。これにより、光ファイバーのカプラ（４１）及び
（４０）を、固定板（５４）の中心（０）に関し互いに
対称に取り付は得る。又、受光素子（１１）も、同様に
中心（０）に関し互いに対称な位置に配置し得る。尚、
第２図の例に於て、図示せずも他の光ファイバージャイ
ロ装置の構成部品の配置は、第１図の例と同じである。

これにより、ジャイロ装置の質量的バランスがよくなる
と共に、位相変調器（６）からの振動が、均一に光ファ
イバーループ（３）に作用することにより、光ファイバ
ージャイロ装置の誤差の低減が可能となる。

第３図Ａ及びＢは夫々本発明の更に他の実施の縦断面図
及び主としてその受光系の上面図である。

この第３図の例では、位相変調器（６）を、固定板（５
４）及び取付フランジ（５１）間でそれ等の中央且つ光
ファイバーループ（３）の内側にくるように配置し、発
光素子（１−１）は、固定板（５４）の中心上（０）で
、光学系のケース（５２）の上部内面上に取り付ける。

尚、他の光ファイバージャイロ装置の構成部品の配置は
、第２図の例と同じである。

このように配置することにより、位相変調器（６）が装
置の中心上に置かれるため、振動が均一になり、振動の
影響を除去できると共に、受光素子（２１）と分離でき
るため、位相変調器（６）の駆動信号が、ノイズとして
受光素子（２−１）に伝わらない。

また、発光素子（１−１）を、光学系のケース（５２）
に直接取り付けることで、光学系のケース（５２）を放
熱板として作用させることができる。そのため、光学系
の収納部の温度分布を光ファイバーループ（３）に関し
て対称化でき、熱による誤差の低減が図れる。

以上の第２図及び第３図の例に於て、光ファイバーの余
長部の処理は、第１図の例で説明した方法を用いている
。

〔発明の効果〕

光ファイバージャイロ装置の構成部品中、発熱源となる
電気回路系の部品の収納ケースと光学系部品の収納ケー
スとを、中央の取り付は用フランジの両側に分けて別室
にしたことにより、電気回路系部品からの熱から光学系
部品を隔離することができるため、ジャイロ装置の誤差
を低減することができる。

また、光学系部品中、唯一の発熱源となる発光素子につ
いては、取り付フランジ又は光学系ケースといった、ジ
ャイロ装置の外側に充分広い表面積を持ったものに取り
付けることにより、発光素子が発生する熱をジャイロ装
置の外部へ放熱することが可能となると共に、ジャイロ
装置の内部の温度分布を均一化させることができ、その
性能向上がはかれる。位相変調器に関しては、その中心
を固定板の中心に取り付けたことにより、位相変調器の
振動がジャイロ装置、特に光ファイバーループへ与える
影響を極力抑えである。これと共に、光ファイバールー
プを、緩衝材を介して固定することで、ジャイロ装置の
外部からの熱、振動から、光ファイバーループを隔離す
ることができ、ジャイロ装置の誤差を減少し得る。

光ファイバーの融着接続部とこの補強部の収納について
は、光学系部品の固定台上で、融着接続部に連なる光フ
ァイバーの曲りが極力大きくなる位置に緩衝材等を用い
て取り付けることで、融着接続部での光ファイバーの特
性を劣化させずに収納することができる。光ファイバー
の余長部は、光学系ケースの内側に沿って巻き込める長
さとすることにより、収納が効率よく且つ光ファイバー
の特性劣化が起きないように、しかも小さく収納できる
。

光学系収納部と電気回路系収納部とを、中央の取り付フ
ランジを介して２層構造としたことにより、ジャイロ装
置を運動体にバランスよく取り付けることができると共
に、ジャイロ装置本体の強度を増すことができる。一般
に、光学系部品と電気回路系部品の小型化は別々に行な
われることが多く、どちらか一方の小型化を行った場合
、そちらの収納部を小型化することができるため、小型
化の対応が楽となる利点も生ずる。

以上より、本発明の構造に於ては、高性能且つ小型の光
ファイバージャイロ装置を構成することが可能になると
共に、小型化への対応が容易になる。また、これらの構
造は、位相変調方式光ファイバージャイロ以外にも、例
えば周波数変調方式等の他の方式の光ファイバージャイ
ロにも応用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａ及びＢは夫々本発明の一例の縦断面図及び主と
してその光学系の上面図、第２図は本発明の他の実施例
の主要部の上面図、第３図Ａ及びＢは夫々本発明の更に
他の実施例の縦断面図及び主としてその光学系の上面図
、第４．５及び６図は夫々従来の光ファイバージャイロ
装置の例を示す路線図である。 図に於て、（１１）は発光素子、（１１）は受光素子、
（３）は光ファイバーループ、（６）は位相変調器、（
４０）、　（４１）　　はカプラ、（４：３−１）〜（
４：３−７）は各々光フアイバー融着接続部、（４２）
は光・ファイバー偏光子、（５０）は断熱緩衝材、（５
１）は取り付フランジ、（５２）、　（５３）　　はケ
ース、（５４）は固定板、（５７）は支柱を夫々示す。 代　　理　　人 伊　　藤 貞 同 松　　隈　　秀　　盛 Ａ 本発明の更ＩＺ（也のイ列カ縦断飴圓及状′ｆの主史郁
の上面図第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、発光素子、カプラ、光ファイバーループ、位相変調
   器、受光素子を有する光ファイバージャイロ装置におい
   て、基台を設け、該基台に断熱緩衝部材を介して上記光
   ファイバーループを固定し、且つ上記発光素子を上記光
   ファイバーループの中央開孔に於て直接上記基台に固設
   し、上記発光素子の発熱の上記光ファイバーループに対
   する影響をなくすようにしたことを特徴とする光ファイ
   バージャイロ装置。 ２、上記基台から、断熱材製の支柱を介して上記光ファ
   イバーループの上方に該光ファイバーループと離間して
   第２の基台を設け、該第２の基台上に、上記カプラ、位
   相変調器、受光素子等の光学部品を配置したことを特徴
   とする上記特許請求の範囲第１項記載の光ファイバージ
   ャイロ装置。 ３、上記位送変調器を上記第２の基台の中心に配置した
   ことを特徴とする上記特許請求の範囲第２項記載の光フ
   ァイバージャイロ装置。 ４、発光素子、カプラ、光ファイバーループ、位相変調
   器、受光素子を有する光ファイバージャイロ装置におい
   て、基台を設け、該基台に断熱緩衝部材を介して上記光
   ファイバーループを固定し、上記位相変調器を上記基台
   に上記光ファイバーループの中央に於て固定し、上記発
   光素子を上記基台に固定した円筒形状のケースの閉端に
   その内面中央に於て固定したことを特徴とする光ファイ
   バージャイロ装置。