JPH04106412A - 光フアイバジヤイロ - 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】

この発明は自動車、飛行機、船舶など運動体の角速度を
求める光ファイバジャイロに関する。特に圧電振動子を
用いる位相変調方式の光ファイノ（ジャイロの改良であ
る。

【　　従　　来　　の　　技　　術　　］光ファイバジ
ャイロは、シングルモート光ファイバを多数回巻き回し
た光ファイノくコイルの中を、左廻り、右廻りに伝搬す
る光の位相がコイルの角速度に比例して変化することを
利用して角速度を計測するものである。 単色光を生ずる発光素子、光ファイバコイル箋分岐素子
、干渉光の強度を検出する受光素子）発光素子を駆動し
、受光素子信号を処理する電気回路などを含む。位相変
調方式の場合は、これらの他に円筒状または円柱状の圧
電振動子に光ファイバを巻き付けてなる位相変調器がフ
ァイバコイルの一端近くに設けてあり、位相変調器駆動
回路や、同期検波回路がさらに設けられる。 位相変調方式の光ファイバジャイロについては特願平１
−５７６３４〜５７８３７　、特願平１−２９１８２９
〜２９１８３１、特願平１−２９５５００などに説明さ
れている。 光フアイバコイル、発光素子、受光素子、光分岐素子、
圧電振動子などはベース板の上に固定される。 圧電振動子は円筒状または円柱状の形態であり、外周面
に光ファイバを巻き回したものである。 円筒状の場合は内外に電極を持ち、電極間に変調電圧信
号を印加てきるようになっている。すると圧電振動子が
半径方向に膨脹収縮するので、光ファイバが膨脹収縮す
る。従って光ファイバの内部を伝搬する光の位相が変化
する。円柱状の場合は電極の構造が少し違うがこれが半
径方向に膨縮して光の位相を変化させるのは同様である
。 位相変調器はファイバコイルの一端の近くに設けられる
ので、右廻り光と左廻り光で位相変調器を通過する時刻
がτ＝　ｎＬ／ｃだけ異なる。Ｌはファイバコイルのフ
ァイバ長、ｎは屈折Ｉ、ｃは光速である。これらを干渉
させた光の強度は変調周波数の整数倍の周波数成分を持
つ。変調周波数ｆに等しい成分を基本波といい、２ｆ、
　３ｆ・・・を２倍３倍高調波という。 そこで、変調信号に位相、周波数が合致したキャリヤ信
号を作り、これにより受光素子出力を同期検波すると、
基本波成分やその他の萬調波の成分が求められる。例え
ば基本波成分は Ｐ　Ｊｔ（ξ）ｓｉｎΔ６（１） ２倍萬調波成分は −ｐ　Ｊ２（ξ）ｃｏｓΔθ　　　　　　　　　　　　
　　　　■というように求められる。Ｐは光の強度、八
〇はファイバコイルが回転していることによる位相差で
これが求めるべき量である。Ｊｌ（ξ）　、Ｊ２（ξ）
は１次、２次のベッセル関数であり、これのパラメータ
ξは ξ＝　２ｂｓ１ｎ（Ｑｒ／２）　　　　　　　　　　　
（３）によって与えられる。Ωは変調角周波数、τは先
に述べた左廻り光と右廻り光の位相変調器を通過する時
刻の差、ｂは位相変調の振幅である。 圧電振動子はＰＺＴなど圧電効果のある材料で作る。こ
れは良く知られている。位相変調方式の光ファイバジャ
イロの原理も知られている。しかし位相変調方式の光フ
ァイバジャイロは実験室レベルで知られているだけで、
製品として作られていない。このため圧電振動子をベー
ス板にどのように固定するかということに関して従来技
術というものはない。 【発明が解決しようとする課題】 円筒形の圧電振動子を自由な状態に置くことができれば
、印加電圧に比例して自由に変形できるので好都合であ
る。ところが圧電振動子も固定しなければならない。端
面をベース板にエポキシ系接着剤で固定すると、次のよ
うな欠点があった。 接着するため圧電振動子の変形が抑制され、印加する電
圧振幅を大きくしなければ所望の変調度すが得られない
。特に低温では圧電振動子が殆ど振動できないようにな
り、変調度すが著しく小さい。 つまりエポキシ系接着剤で圧電振動子を接着すると、端
面が強く拘束されてしまい変調度すが小さくなるし、温
度特性も悪いということである。 位相変調度すは、パラメータξを通して、基本波成分や
全ての高調波成分に含まれるので、これが変動してはな
らない。光ファイバジャイロは一３０°Ｃ〜８０°Ｃの
広い温度範囲で正しく機能することが要求されるから、
この範囲で変調度すが変化しないような、圧電振動子の
取り付けが望まれる。 圧電振動子が径方向に膨縮しやすくしかも温度変化によ
って膨縮の振幅が変化しないような圧電振動子の取り付
は構造を提供することが本発明の目的である。

【課題を解決するための手段】

本発明の光ファイバジャイロに於いては、位相変調器の
圧電振動子をベース板に固定するために網台型シリコー
ンゴムのシートを縮合型シリコーンゴム接着剤でベース
板に接着し、前記シートの上に圧電振動子の端面を縮合
型シリコーンゴム接着剤で接着した事を特徴としている
。 つまり圧電振動子端面とベース板の間に縮合型シリコー
ンゴムシートを挟み、圧電振動子端面とシート、シート
とベース板とを縮合型シリコーンゴム接着剤によって接
着したものである。 さらに圧電振動子の周面に巻き付けた光ファイバの上に
もシリコーンゴム接着剤を塗布しても良い。

【　　作　　用　　】

縮合型シリコーンゴムシート、縮合型シリコーンゴム接
着剤によって圧電振動子の端面をベース板に固定してい
るが、縮合型シリコーンゴムは低温に至るまで柔軟性に
富む。このため圧電振動子の電圧印加による膨縮運動の
振幅が大きく、低温でも十分な振幅を得ることができる
。 従って同じ電圧を印加しても、圧電振動子を大きく振動
させることができる。また温度特性が少なく一３０°Ｃ
の低温でも使用することができる。圧電振動子の彫版収
縮の振幅が位相変調の振幅すを決めているが、これはξ
に関係しておりξはベッセル関数に含まれる。従って一
３０’　Ｃ〜８０’Ｃの温度域で位相変調度を一定にす
るということは重要なことである。本発明によればこれ
が可能になる。 もちろん、圧電振動子自体の温度特性もあるし、網台型
シリコーンゴムの温度による弾性率の変化がある。これ
により同じ電圧振幅の信号を電極間に印加しても圧電振
動子の膨縮の振幅は温度によって異なる。 しかし実際には位相変調の振幅すを一定にするようなフ
ィードバック制御を行うので、所望の温度範囲内で、ｂ
１ξを一定に保つことができるのである。エポキシ樹脂
接着剤で固定した場合は、低温での弾性率の増加がはな
はだしくて、励振回路の振幅をいくら大きくしても、低
温では圧電振動子を所望の振幅だけ振動させることがで
きない先述の振幅すを一定にするフィードバック制御は
例えば次のように行う。例えば２倍高調波の大きさは■
に示したように、 ＰＪ２（ξ）ｃｏｓ八〇へ　　　　　　　　　（４とい
う形を持つ。ｃｏｓΔθはほぼ１であり、光量Ｐは一定
になるような制御をしている。２倍高調波がＯになるよ
うに制御すればξが２次ベッセル関数の零点に固定され
、ｂが一定になるような制御が行われる。 一般に金属よりプラスチックは柔軟であり、プラスチッ
クよりもゴムはさらに柔軟である。圧電振動子をベース
板に取り付ける際、柔軟性のあるシートを挟むのが有効
であると考えられる。するとゴムシートであれば良いよ
うに思われる。 しかし、天然ゴムや一般の合成ゴムでは温度による形状
、物性の変化が著しい。高温では軟化し、低温では硬化
脆化してしまう。ところがひとりシリコーンゴムは温度
による物性変動が少ナイ。 シリコーンゴムの中でも特に網台型シリコーンゴムは低
温での特性が優れており、本発明では網台型シリコーン
ゴムを採用している。 これは縮合型液状シリコーンゴムとも言うし、室温で硬
化するためＲＴＶ（Ｒｏｏｏ＋　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒ
ｅ　Ｖｕｌｃａｎｌｚ−１ｎｇ）シリコーンゴムとも呼
ぶ。あるいは室温加硫型液状シリコーンゴムともいう。 その他のシリコーンゴムは加熱して化学反応を行こさせ
ることにより加硫するようになっているところが網台型
シリコーンゴムは、ケイ素原子に結合した種々の官能基
の間の常温付近に於ける化学反応を利用して架橋を行わ
せるものである。 １成分のものと２成分のものがある。１成分のものはシ
リコーンゴム材料の他に架橋剤や触媒をも含むもので容
器から押し出されると空気中の水分を吸って架橋反応が
進みゴム状弾性体となる。 ２成分のものは本体と硬化剤とが別の容器に収められて
いるものである。両者を混合すると空気中の水分を吸っ
て架橋反応が進む。

【　　実　　施　　例　　】

第１図は光ファイバジャイロの概略斜視図である。第２
図は圧電振動子部分のみの斜視図。第３図は圧電振動子
を取り付けた部分の断面図である。 ベース板１の上に、光フアイバコイル２、力、ツプラ３
、発光素子であるレーザダイオード４、受光素子である
ＰＩＮホトダイオード５などが固定しである。ベース板
１の一隅にはシート６の上に圧電振動子７が固定されて
いる。 光フアイバコイル２には多数回光ファイバ８が巻き回し
である。光フアイバコイル２やカップラ３、圧電振動子
７の間は光ファイバ８によって結合される。電気回路部
分はベース板１に取り付けることもできるがここでは別
異の基板に取り付けることにしである。 この例では、圧電振動子７は円筒形のＰＺＴ圧電振動子
であり、内円周面と外円周面に電極が形成してあり、励
振回路９から、５ｌｎＱｔで表される位相変調電圧が電
極間に印加される。圧電振動子７の外周面には光ファイ
バ８が巻き回しである。光ファイバの両端は光フアイバ
コイルに続いている。 圧電振動子７はその端面がシート６に接着されている。 シート６は縮合型シリコーンゴムよりなるシートである
。シート６と圧電振動子７を接着するものも縮合型シリ
コーンゴム接着剤１０である。シート６はベース板１に
やはり縮合型シリコーンゴム接着剤１１によって接着さ
れる。 縮合型シリコーンゴムシート、接着剤は極めて柔軟で弾
力性に冨みしかも低温に至るまで弾力性を維持できる。 このため圧電振動子の半径方向への膨縮運動が、シリコ
ーンゴムシート、接着剤によって殆ど妨げられることが
ない。従って励振回路９の電力出力は小さくて済むし、
低温に於いても同様に小さくて良い。 この例では圧電振動子の外周全体にも縮合型シリコーン
ゴム接着剤１２が塗布しである。これは光ファイバ８を
固定し、これを防護するためである。ここにシリコーン
ゴムを使う利益は２つあるもしも硬化した後の硬度が高
い接着剤（例えばエポキシ系）を用いると、接着剤の外
被が抵抗となって圧電振動子の半径方向の振動を妨げる
。また繰り返し膨縮することにより接着剤層がひび割れ
し剥落する。柔軟なシリコーンゴムを使うのでそのよう
な欠点から免れる。

【　　発　　明　　の　　効　　果　　】圧電振動子の
端面を、柔軟な縮合型シリコーンゴムシート、接着剤を
用いてベース板に取り付けるから、圧電振動子の運動が
殆ど妨げられない。 特に低温で柔軟性を失わないので、広い温度範囲で用い
ることができる。圧電振動子を駆動する励振回路の出力
が小さくて済む。 第４図に一般シリコーンゴム、縮合型シリコーンゴム、
有機ゴムの弾性率の温度変化を示す。横軸は温度で縦軸
が弾性率である。特に０℃　以下の低温部が問題である
。有機ゴムは０°Ｃ以下で硬くなり一２５℃以下では弾
性率が１００ｋｇ／ｃＪになってしまう。一般シリコー
ンゴムは有機ゴムより柔らかく温度特性も良いが一３０
℃以下で硬くなってしまう。 縮合型シリコーンゴムは常温でも最も柔軟であるが、−
４０°Ｃ程度まで殆ど弾性率が一様である。 従って一り０℃〜８Ｇ”Ｃの環境温度範囲で１弾性率は
ほぼ一様であると考えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る光ファイバジャイロの概
略全体斜視図。 第２図は圧電振動子の部分のみの斜視図。 第３図は圧電振動子の取り付は部の縦断面図。 第４図は有機ゴム、一般シリコーンゴム、縮合型シリコ
ーンゴムの弾性率の温度変化を示すグラフ。 １　・　・　・　・　・ ２・・壷目 ３　・　・　・　・　・ ４　・　・　・　・　・ ５　・　・　・　・　・ 会ベ　−　ス　板 ｅ光ファイバコイル −カ　　ッ　　プ　　ラ ・レーザダイオード φホトダイオード ７＠嗜・Φ・・・圧 電 振 動 子 ８・・・・・・・光 フ イ ９・・・・・・・励 振 回 路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）単色光を生ずる発光素子と、シングルモード光フ
   ァイバを多数回巻き回してなるファイバコイルと、発光
   素子から出射した光を分岐して前記ファイバコイルの両
   端に入射させファイバコイルを右廻り左廻りに伝搬した
   光を再び合一させる分岐素子と、左廻り光と右廻り光を
   干渉させその強度を求める受光素子と、ファイバコイル
   の一端近傍に設けられ光ファイバを円筒状あるいは円柱
   状の圧電振動子に巻き付けて圧電振動子の振動により光
   ファイバを伸縮させるようにした位相変調器と、前記フ
   ァイバコイル、発光素子、受光素子、分岐素子、位相変
   調器などを固定するベース板とを含み、受光素子出力か
   ら位相変調周波数成分を求めてファイバコイルの角速度
   を検出する光ファイバジャイロに於いて、位相変調器の
   圧電振動子をベース板に固定するために、縮合型シリコ
   ーンゴムのシートを縮合型シリコーンゴム接着剤でベー
   ス板に接着し、前記シートの上に圧電振動子の端面を縮
   合型シリコーンゴム接着剤で接着した事を特徴とする光
   ファイバジャイロ。
2. （２）圧電振動子の周面に巻き付けた光ファイバの上に
   もシリコーンゴム接着剤を塗布したことを特徴とする請
   求項（１）記載の光ファイバジャイロ。