JPH04127513U - 光フアイバジヤイロ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な装置構成により微小角速度を高精度で
検出する。 【構成】 光源から射出されかつ分岐された光を互いに
逆方向に伝播させる光ファイバコイルと該光ファイバコ
イル内を伝播する光の位相を変調する位相変調手段とを
備えた光ファイバジャイロ装置において、前記光ファイ
バジャイロ装置のジャイロ出力信号から前記位相変調手
段による変調周波数の２倍の周波数の成分を抽出する。
この２倍の周波数の成分にもとづき前記位相変調手段の
変調度または前記光源の光出力を制御する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、光ファイバジャイロ装置に関し、特に位相変調方式の光ファイバジ ャイロ装置において、簡単な構造により変調度および光源の光出力を安定化し高 精度の信号出力が得られるようにする技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】

位相変調方式の光ファイバジャイロ装置は、光源から射出された光を分岐して 光ファイバコイル中を互いに逆方向に伝播させ、これらの光に位相変調を加える ことにより高感度かつ高精度のジャイロ出力を得るものである。このような位相 変調方式の光ファイバジャイロ装置の光出力を光電変換した時の出力信号Ｓは周 知のように、 Ｓ＝Ｐ［１＋｛Ｊ_０（ｚ）＋２（Ｊ_２（ｚ）ｃｏｓ２ωｔ ＋Ｊ_４（ｚ）ｃｏｓ４ωｔ…＋…＋Ｊ_２ｎ（ｚ）ｃｏｓ２ｎωｔ）｝ｃｏｓｋΩ −２（Ｊ_１（ｚ）ｓｉｎωｔ＋Ｊ_３（ｚ）ｓｉｎ３ωｔ …＋Ｊ_２ｎ−１（ｚ）ｃｏｓ（２ｎ−１）ωｔ）ｓｉｎｋΩ］ …（１） のようになる。この場合、Ｐは光源の光出力および電気系の感度に関する定数 であり、Ｊ_ｎ（ｚ）はｎ次ベッセル関数であり、ωは位相変調器の変調角周波数 であり、ｋはジャイロ装置の感度に関する定数であり、Ωは角速度、ｔは時間で ある。

【０００３】 このような出力信号が得られる光ファイバジャイロ装置において、角速度Ωを 検出するためには、上記（１）式中の変調角周波数ωの成分を同期検波した直流 成分を利用する。すなわちこの場合の検出信号Ｓ１は、 Ｓ１＝Ｐ′Ｊ_１（ｚ）ｓｉｎｋΩ …（２） となる。

【０００４】 従って、角速度Ωに比例した信号出力を得るためには、光出力などに関する項 Ｐ′および変調度ｚに関する項Ｊ_１（ｚ）を安定化する必要がある。

【０００５】 そして、変調度ｚを安定化するためには、変調度以外で値が変動する項を取り 除くことにより、変調度の変化を検出しフィードバックする必要がある。従来、 変調度以外の項、すなわち光出力に関する項や角速度に関する項を取り除くため に、前記出力信号Ｓの内の２倍波成分と４倍波成分を利用していた。すなわち、 位相変調周波数の２倍波成分Ｐ′Ｊ_２（ｚ）ｃｏｓｋΩは４倍波の周波数成分Ｐ ′Ｊ_４（ｚ）ｃｏｓｋΩで除算することにより、Ｐ′Ｊ_２（ｚ）ｃｏｓｋΩ／Ｐ ′Ｊ_４（ｚ）ｃｏｓｋΩ＝Ｊ_２（ｚ）／Ｊ_４（ｚ）となり変調度ｚに関する項の みを取り出すことが可能となる。従って、この信号を一定に保つように位相変調 器に入力される変調信号の大きさを制御し、それにより位相変調度ｚを制御し、 その結果Ｊ_１（ｚ）が制御されることになる。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】

ところが、前述のような従来の光ファイバジャイロ装置においては、ジャイロ 出力から２倍波信号成分のみでなく４倍波信号成分をも取り出す必要があるため 、同期検波回路が２系統必要となり、回路構成が複雑になりハードウェアのコス トが上昇するという不都合があった。

【０００７】 本考案の目的は、前述の従来例の装置における問題点に鑑み、簡単な装置構成 により位相変調度などを安定化しジャイロ出力の精度を向上させることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するため本考案の第１の態様に係わる光ファイバジャイロ装置 は、光源から射出されかつ分岐された光を互いに逆方向に伝播させる光ファイバ コイルと、該光ファイバコイル内を伝播する光の位相を変調する位相変調手段と 、前記光ファイバコイル内を互いに逆方向に伝播する光の干渉光から得たジャイ ロ出力信号から前記位相変調手段による変調周波数の２倍の周波数の成分を抽出 する同期検波手段と、該同期検波手段により抽出された前記２倍の周波数の成分 を積分する手段と、該積分手段の出力にもとづき前記位相変調手段の変調度を調 節する変調度制御手段とを具備することを特徴とする。

【０００９】 なお、この構成において、前記光源からの光出力の大きさに対応する信号を検 出し、該信号に基づき前記光源の光出力を安定化する光出力安定化手段を設ける と好都合である。

【００１０】 また、本考案の第２の態様に係わる光ファイバジャイロ装置は、光源と、この 光源から射出されかつ分岐された光を互いに逆方向に伝播させる光ファイバコイ ルと、該光ファイバコイル内を伝播する光の位相を変調する位相変調手段と、前 記光ファイバコイル内を互いに逆方向に伝播する光の干渉光から得たジャイロ出 力信号から前記位相変調手段による変調周波数の２倍の周波数の成分を抽出する 同期検波手段と、該同期検波手段により抽出された前記２倍の周波数の成分を積 分する手段と、該積分手段の出力にもとづき前記光源の光出力の大きさを制御す る出力制御手段とを具備することを特徴とする。

【００１１】 また、前記第２の態様に係わる光ファイバジャイロ装置において、前記位相変 調手段に位相変調度の大きさに対応するモニタ出力信号を発生する手段を設け、 このモニタ出力信号を用いて前記位相変調度を安定化すると好都合である。

【００１２】

【作用】

上記第１の態様に係わる光ファイバジャイロ装置においては、前記同期検波手 段によって変調周波数の２倍の周波数の成分を抽出し、これを積分した信号にも とづき位相変調手段の変調度を調節する。変調周波数の２倍の周波数の成分は前 記（１）式からＰ｛Ｊ_２（ｚ）ｃｏｓ２ωｔ）｝ｃｏｓｋΩとなるが、光ファイ バジャイロ装置の入力角速度Ωが小さい範囲ではｃｏｓｋΩはほぼ１に等しいも のとみなせる。従って、光出力などに関連する項Ｐを例えば光源に設けられた光 検出器の出力を用いて光源のドライブ電流を制御し光出力が一定になるように制 御する光出力安定化手段などにより一定に保つことにより、２倍波信号成分のみ で変調度ｚに対応した信号を得ることができる。従って、本考案においては、検 出角速度Ωが小さい範囲の用途を想定し、すなわちｃｏｓｋΩがほぼ１に等しい とみなせる範囲のみで使用することにより２倍波信号成分のみで変調度の安定化 を行なうものである。検出角速度Ωが小さい場合の用途としては、例えば地球の 自転を検出する場合などがある。

【００１３】 また、前記第２の態様に係わる光ファイバジャイロ装置において、上記と同様 にして検出角速度Ωが小さい場合のみに適用することを想定し、２倍波信号成分 によって前記光源の光出力の大きさを安定化する。この場合、前記２倍波信号成 分の内、位相変調度ｚに関連する項Ｊ_２（ｚ）は位相変調手段に設けたモニタ出 力信号を発生する手段からの信号により位相変調度ｚを安定化することにより一 定にする。従って、２倍波信号成分は光出力などに関連する項Ｐのみに対応した 大きさを有するものとなり、この２倍波信号成分を用いて光源の光出力を安定化 することができる。これにより、ジャイロ出力から検出角速度に対応する出力を 精度よく検出することが可能になる。

【００１４】

【実施例】

以下、図面により本考案の実施例を説明する。図１は、本考案の１実施例に係 わる光ファイバジャイロ装置の概略の構成を示す。同図の装置は、光源１と、光 電変換を行なうための受光器２と、カプラ３，５と、偏光子４と、光ファイバコ イル６と、位相変調器７と、同期検波回路８，９と、発振器１０と、１／２分周 器１１と、誤差増幅器１２と、積分器１３，１４と、乗算器１６と、出力安定化 回路１５などによって構成される。

【００１５】 光源１は例えばスーパルミネッセントダイオードなどによって構成され、その 光出力を光ファイバを介してカプラ３に供給するとともに、光出力に対応する信 号を検出する光出力検出器をも備えている。出力安定化回路１５はこの光検出器 の出力にもとづき光源１に印加される駆動信号を調節し光源１の光出力を安定化 するものである。カプラ３，５は、２本の光ファイバのコア部を融着したもので あり２系統の入射光を合成しかつ再び分岐して出力するものである。偏光子４は 、特定の偏波面の光のみを通過させるものである。光ファイバコイル６は、カプ ラ５の出力間に光学的に結合された光ファイバを多数回巻回したものであり、カ プラ５により分岐された右回りと左回りの光が伝播する。位相変調器７は、例え ば圧電素子などに光ファイバを巻回して構成したものであり、光ファイバコイル ６を通る光に位相変調を加えるものである。同期検波器８および９は受光器２か ら出力されるジャイロ出力信号からそれぞれ前記位相変調器の変調周波数の２倍 の成分および変調周波数と同じ周波数の基本波成分をそれぞれ抽出するものであ る。なお、上記光学系の各構成要素間の接続は光エネルギーの損失や消光比の劣 化ができるだけ少なくなるよう融着接続されている。

【００１６】 以上のような構成を有する光ファイバジャイロ装置においては、光源１から出 力安定化回路１５によって安定化された光が出射され光カプラ３、偏光子４、を 通り他の光カプラ５によって分岐されて光ファイバコイル６内を右回りと左回り の両方向に伝播する。この時位相変調器７によって所定周波数で位相変調が行な われる。

【００１７】 光ファイバコイル６内を両方向に伝播した光は再びカプラ５で合成され、偏光 子４およびカプラ３を通り受光器２に入射する。この時前記光ファイバコイル内 を両方向に伝播した光が互いに干渉して前記式（１）に示すようなジャイロ出力 信号が受光器２から出力される。この場合の、干渉光の位相差はΔφ＝（４πＲ ｌ／λｃ）Ωとなる。ここで、Ｒは光ファイバコイルのループ半径、ｌは光ファ イバの長さ、Ωは光ファイバコイルの角速度、λは波長、ｃは光速である。

【００１８】 一方、発振器１０から出力された信号は同期検波回路８に２倍波成分検出用の 基準信号として印加される一方、分周回路１１により２分の１に分周され基本周 波数信号として出力され、同期検波回路９の基準信号として使用されるとともに 、乗算器１６を介して位相変調器７に加えられる。乗算器１６の他方の入力には 誤差増幅器１２の出力が印加され、位相変調度の制御が行なわれる。

【００１９】 以上のようにして、受光器２から出力されたジャイロ出力信号は同期検波回路 ８および９に印加されそれぞれ変調周波数の２倍波成分と基本波成分とが同期検 波され、各積分回路１３および１４で積分しかつ増幅することによりそれぞれ次 のような信号出力Ａ２およびＡ１が得られる。 Ａ２＝ＰＪ_２（ｚ）ｃｏｓｋΩ …（３） Ａ１＝ＰＪ_１（ｚ）ｓｉｎｋΩ …（４） 式（３）において、信号のエネルギまたはパワーに関する項Ｐは前記出力安定 化回路１５により光源１のバックモニタを利用して一定に保たれる。そして、Ω が微小な場合には、ｃｏｓｋΩはほぼ１とみなすことができ、信号Ａ２の変動は 位相変調度ｚに関連するＪ_２（ｚ）のみによることになり、前述の誤差増幅器１ ２および乗算器１６によりＡ２が一定になるように位相変調度ｚを制御すればＪ _２ （ｚ）の制御が可能になるとともに、式（４）のＪ_１（ｚ）も同時に制御でき る。従って、このような制御を行なうことにより、式（４）から基本波成分の出 力Ａ１はＰおよびＪ_１（ｚ）の変動の影響を受けず、安定な角速度信号を得るこ とが可能になる。

【００２０】 また、２倍波成分を利用して光エネルギなどに関連する項Ｐを補正することも 可能である。図２は、この場合の実施例を示す。図２の装置における光学系の構 成は図１のものとほぼ同じである。すなわち、光源２１、受光器２２、光カプラ ２３，２５、偏光子２４、光ファイバコイル２６はそれぞれ図１の光源１、受光 器２、光カプラ３，５、偏光子４、光ファイバコイル６と同じものでよい。

【００２１】 但し、位相変調器２７は、例えば円筒形の圧電素子に光ファイバコイルを巻回 したものであるが、図１の位相変調器７と異なり、圧電素子に分極出力用電極が 取りつけられており、この電極から圧電素子の振動に対応する信号を振動モニタ 出力として取り出すことができるようになっている。この振動モニタ出力は位相 変調器２７の位相変調度ｚに対応する信号となる。さらに、図２の装置において は、光源２１には図１の出力安定化回路１５に代えて誤差増幅器３２の制御信号 により光源２１の光出力を調節するためのドライブ電流制御回路３５が結合され ている。

【００２２】 図２の装置における電気回路系は、それぞれ基本波成分および２倍波成分を抽 出する同期検波回路２８および２９、積分回路３３，３４、誤差増幅器３２、発 振器３０、１／２分周器３１、乗算器３６、他の誤差増幅器３７、積分回路３８ などによって構成される。

【００２３】 図２の装置においては、図１の装置と同様に光源２１から射出されかつ光カプ ラ２３、偏光子２４、他の光カプラ２５を通り光ファイバコイル２６内を伝播す る両方向の光に対し位相変調器２７により位相変調が加えられる。そして、光フ ァイバコイル２６のループの回転により生じた両方向の伝播光の干渉に応じたジ ャイロ信号が受光器２２から出力される。このジャイロ信号から同期検波回路２ ８により基本波成分が取り出され積分回路３３で積分された後角速度検出信号Ａ １として出力される。また、このジャイロ信号から同期検波回路２９により２倍 波成分が抽出され、積分回路３４および誤差増幅器３２を介してドライブ電流制 御回路３５にフィードバックされ、光源２１からの光出力が安定化される。

【００２４】 一方、位相変調器２７からの信号モニタ出力は積分回路３８によって積分され た後、誤差増幅器３７を介して乗算器３６の一方の入力に印加される。乗算器３ ６の他方の入力には発振器３０からの出力を分周回路３１によって２分の１に分 周した基本周波数成分の信号が印加される。乗算器３６の出力は位相変調器２７ に変調信号として印加される。これにより、位相変調器２７の位相変調度が一定 になるように制御され、前述の２倍波信号Ａ２の内のＪ_２（ｚ）が一定にされる 。

【００２５】 以上のようにして、位相変調器２７の振動モニタ出力を利用して位相変調度を 、従ってＪ_２（ｚ）を一定にするとともに、前述のように同期検波回路２９によ り抽出した２倍波信号成分により光源２１の光出力を安定化することにより、角 速度検出信号Ａ１が光エネルギなどに関連する項Ｐおよび位相変調に関連する項 Ｊ_１（ｚ）の影響を受けることがなくなり、高精度の出力が得られる。

【００２６】

【考案の効果】

以上のように、本考案によれば、簡単な装置に構成により、微小角速度を高精 度で検出可能な光ファイバジャイロ装置を実現することができる。すなわち、本 考案によれば、従来の光ファイバジャイロ装置と異なり、４倍波信号成分Ａ４を 抽出する必要がないから、電気系の構成が単純化され信頼性の向上および装置の 低価格化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の第１の実施例に係わる光ファイバジャ
イロ装置を示す概略的ブロック図である。

【図２】本考案の第２の実施例に係わる光ファイバジャ
イロ装置の構成を示す概略的ブロック図である。

【符号の説明】

１，２１ 光源、 ２，２２ 受光器、 ３，５，２３，２５ 光カプラ ４，２４ 偏光子 ６，２６ 光ファイバコイル ７，２７ 位相変調器 ８，９，２８，２９ 同期検波回路 １０，３０ 発振器 １１，３１ １／２分周器 １２，３２，３７ 誤差増幅器 １３，１４，３３，３４，３８ 積分回路 １５ 出力安定化回路 １６，３６ 乗算器 ３５ ドライブ電流制御回路

Claims (4)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、この光源から射出されかつ分岐
   された光を互いに逆方向に伝播させる光ファイバコイル
   と、該光ファイバコイル内を伝播する光の位相を変調す
   る位相変調手段とを具備する光ファイバジャイロ装置で
   あって、前記光ファイバコイル内を互いに逆方向に伝播
   する光の干渉光から得たジャイロ出力信号から前記位相
   変調手段による変調周波数の２倍の周波数の成分を抽出
   する同期検波手段と、該同期検波手段により抽出された
   前記２倍の周波数の成分を積分する手段と、該積分手段
   の出力にもとづき前記位相変調手段の変調度を調節する
   変調度制御手段とを具備することを特徴とする光ファイ
   バジャイロ装置。
2. 【請求項２】 さらに、前記光源からの光出力の大きさ
   に対応する信号を検出し、該信号にもとづき該光源の光
   出力を安定化する光出力安定化手段を備えた請求項１に
   記載の光ファイバジャイロ装置。
3. 【請求項３】 光源と、この光源から射出されかつ分岐
   された光を互いに逆方向に伝播させる光ファイバコイル
   と、該光ファイバコイル内を伝播する光の位相を変調す
   る位相変調手段とを具備する光ファイバジャイロ装置で
   あって、前記光ファイバコイル内を互いに逆方向に伝播
   する光の干渉光から得たジャイロ出力信号から前記位相
   変調手段による変調周波数の２倍の周波数の成分を抽出
   する同期検波手段と、該同期検波手段により抽出された
   前記２倍の周波数成分を積分する手段と、該積分手段の
   出力にもとづき前記光源の光出力の大きさを制御する出
   力制御手段とを具備することを特徴とする光ファイバジ
   ャイロ装置。
4. 【請求項４】 前記位相変調手段は位相変調度の大きさ
   に対応するモニタ出力信号を発生する手段を有し、この
   モニタ出力信号を用いて前記位相変調度を安定化する請
   求項３に記載の光ファイバジャイロ装置。