JPH04151512A - 光ファイバジャイロ，並びに，当該光ファイバジャイロを有するナビゲーションシステムおよび移動体 - 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、角速度測定装置、特に光ファイバジャイロを
用いた角速度測定装置に関する。

〔従来の技術〕

現在、使用されているジャイロは機械的なもＣが主であ
るが、リングレーザ共振器を用いるレーザジャイロも一
部実用化されている。これらの方式に比べて、光ファイ
バジャイロの有する特徴は、（１）可動部分がない、（
２）高感度にできる、（３）起動時間が短くできる、（
４）構造が簡単、（５）受動形干渉計なのでリングレー
ザとは異なりロックイン現象（周波数の引込み）がない
。

（６）システムが軽量・コンパクトにできる、などであ
る。

光ファイバジャイロの測定原理にはサグナック効果を用
いる。光ファイバループでリング干渉計を構成し、ファ
イバループの両端から光を導入し、出射光を互いに干渉
させる。光ファイバループを含む面が角速度Ωで回転す
ると、互いに逆回りに進行する光が出射端に至るまでに
要する時間に差を生じる。この時間差は面出射光の位相
差Δφとなって表れる。Δφは、一般相対性理論の結果
として（１）ループの形状そのものにはよらずに、内面
積にのみ依存する、（２）光ファイバの屈折率によらな
い、（３）回転中心の位置によらない、ことがわかって
いる。サグナックシフトΔφの検出方法には、（１）位
相変調法、（２）ヘテロダイン法、（３）零位法の３方
式が代表的である。

光源にはスーパールミネセントダイオードや多モードレ
ーザを使うことによってコヒーレンスノイズを軽減して
いる。現在の達成技術レベルは、角速度にして約０．１
度／ｈｒの精度である。

従来の光ファイバジャイロは、特開昭６１−７０４１０
号公報に記載されているようなものがある。

この従来の光ファイバジャイロについて、第４図〜第６
図を参照して示す。

第４図に示す、光ファイバジャイロの角速度検出部であ
る光ファイバループ３１は、数ｍから数百ｍの１本の光
ファイバ、例えば偏波面保存光ファイバをコイル状に巻
いたものであり、光ファイバジャイロの光学系の主要部
品である。

この光ファイバループ３１と、光位相変調器、光カプラ
、レーザダイオードなどの図示しない要素とを、組合せ
ることにより、最も一般的な位相変調式光ファイバジャ
イロの光学系が形成される。

第５図は、この光ファイバループ３１に密着させて、電
気シールド部材３４で、ドーナツツ形状に、光ファイバ
ループ３１を囲ったものを示す。

さらに、これを、第６図に示すように、２つの、非常に
熱伝導性の良い材料からなる外囲器３５．３６で囲い、
この外囲器３５．３６間を、熱ブリッジ３７で結合した
ものである。

熱ブリッジは、これがないと、完全に光ファイバループ
３１が断熱されて、光ファイバループ３１からの若干の
発熱により、光ファイバループ３１が高温になることを
防ぐためである。

次に、動作について説明する６ 光ファイバループ３１は、角速度を検知する部分であり
、この光ファイバループ３１の両端３２゜３３に２つの
光波を同時に入れ、それらの光波が光ファイバループ３
１を互いに逆まわりし、両端３２．３３から出た２つの
光波を干渉させ、その干渉強度から２つ光波の位相差を
求め、その位相差から回転角速度を知ることができる。

２つの光波の位相差と角速度の関係は比例関係にあり、
一般に、サグナック効果と呼ばれている。

ここで、この光ファイバループ３１の温度が変化し、そ
の温度変化が、光が光ファイバループを一周する短時間
の間で考えたときに、光ファイバループ３１の長さの中
心に対して非対称の場合、光ファイバの長さの変化が非
対称となり、その結果、２つの光波がそれぞれ通過する
時点での、その場所の光路長が異なり、２つの光波に角
速度が加わった場合と同様の位相差が生じ、それが光フ
ァイバジャイロの零点変動として現われる。

零点変動を０．０１度／ｈｏｕｒ以下に、押えるために
は、温度変動を０．０１３℃／ｈｏｕｒ　（”３．６　
Ｘ　１０−１２℃／μ５ｅｃ）以下に押える必要がある
。

この温度変動の許容値は、光ファイバループ３１の長さ
を、例えば、３００ｍとすると、光が光ファイバループ
３１の端点３２．３３間を通過するのに、１μｓ　を要
し、その時間内における、光ファイバループ３１の全長
にわたる温度変化の不均一に起因する、端点３２から入
射した光の光路長と、端点３３から入射した光の光路長
の差が許容値内に入る条件からもとめたものである。

従来の技術は、熱伝導性の良い熱ブリッジ３７が有るた
めに、熱の出入りが生じて、光ファイバループ３１の温
度変動を、均一に、０．０１３℃／ｈｏｕｒ以下に押え
るには、逆の効果（温度変化しやすい）となっている。

さらに、従来の振動式位相変調器を使った光ファイバジ
ャイロは、特開昭５６−９４６８０号公報に記載されて
いるようなものがある。

この従来の振動式位相変調器を使った光ファイバジャイ
ロについて、第７図を参照して示す。

第７図は、光ファイバ４１を、振動式位相変調器である
電気・力学効果を利用した圧電素子５０に巻き付けた状
態を示す。これは、図示しない硬い板で挟むように取付
けられている。

この従来技術に係る光ファイバジャイロは、圧電素子５
ｏの電極５１．５２に電圧を印加して、光ファイバ４１
を伸縮させて、光路長を変える事により１位相変調を行
う。

圧電素子５０は、風鈴を下げる様に、糸で空中に吊すの
が最良であるが、従来、圧電素子５ｏは、硬い板で挟む
ように取付けられていたため、圧電素子５０の振動部が
自由に振動できず、高次の変調波の発生という変調歪に
よる零点変動や、振幅不足による変調度不足が生じる不
具合があった。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、周囲温度の変化に対する配慮が不足し
ており、周囲温度が急変すると光ファイバループの温度
も急変し、この温度変化が不均一のため、光ファイバジ
ャイロに零点変動が発生する不具合があった。

また、従来、振動式光位相変調器は、硬い板で挟むよう
に取付けられていたため、振動式光位相変調器の振動部
が自由に振動できず、変調歪による零点変動や、変調度
不足が生じる不具合があった。

本発明の目的は、零点変動が小さい高精度の光ファイバ
ジャイロを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、光ファイバループを熱緩衝
箱で囲み、熱の出入りをしゃ断したものである。

また、振動式光位相変調器と振動式光位相変調器振動部
の取付部との間に、柔軟な緩衝器を介したものである。

〔作　用〕

熱緩衝箱は、断熱材と熱伝導材の多層構造の密閉箱であ
り、この中に光ファイバループを収納することにより、
周囲温度が局部的に急変した場合であっても、光ファイ
バループに加わる熱量変化は断熱材の熱伝導率が低いこ
とと熱伝導材の熱容量とによって、極めて微量になって
温度変化が緩慢になり、また、熱伝導材の熱伝導率が高
いため、温度分布が均一になる。

その結果、光ファイバループを互いに逆方向に通過する
２つの光波のそれぞれの光路長が全く等しくなり、光フ
ァイバジャイロの零点変動の発生を防止することができ
る。

また、振動式光位相変調器を柔軟な緩衝器を介して取付
けた場合は、振動式光位相変調器が自由に振動できるた
め、十分な変調度が得られ、また、変調歪も発生しない
ようにすることができる。

その結果、光ファイバジャイロの零点変動の発生を防止
することができる。

（以下余白） 〔実施例〕 以下、第１図〜第３図に基づき、本発明の詳細な説明す
る。

本発明の第１の実施例を、第１図の縦断面図により、説
明する。

最初に、第１実施例の構成を述べる。

第１図において、光ファイバループ１は、巻枠２に数ｍ
から数百ｍの１本の光ファイバ、例えば、偏波面保存光
ファイバをコイル状に巻き付けたものであり、光ファイ
バジャイロの図示しない光学系の主要部品である。

この光ファイバループ１と光位相変調器、光カプラ、レ
ーザダイオードなどの図示しない要素とを、組合せるこ
とにより、最も一般的な位相変調式光ファイバジャイロ
の光学系が形成される。

なお、本発明に係る熱緩衝箱は、位相変調方式の光ファ
イバジャイロに限られるものではなく、ヘテロダイン方
式および零位方式等にも適用可能である。

この光ファイバループ１および巻枠２を、伝熱箱３で囲
み、そのガ側を断熱箱４で囲み、最ガ層を、伝熱箱５で
囲んだものである。

伝熱箱３，５および断熱箱４が、本発明に係る熱緩衝箱
を構成する。

巻枠２は、熱伝導率が大で線膨張率が小さいもの、例え
ば、ＳｉＣセラミックスのような材質のものであり、単
なる巻枠の役目以外に、熱を拡散する作用と熱容量によ
り温度変化を小さくする作用がある。

伝熱箱３．５は、熱伝導率の極力大きな材質、例えば、
アルミニウムや網の密閉箱であり、空気の出入りを防止
する他に、熱を拡散する作用、並びに、熱容量により温
度変化を小さくする作用がある。断熱箱４は、熱伝導率
の極力小さな、すなわち、熱抵抗の大きな材質から成る
断熱材であり、例えば、発泡性合成樹脂のようなもので
ある。

スペーサ６は巻枠２の中心部の空間に取付けられて、こ
れがないとすると、不規則な空気対流が生じて、不規則
な温度変化が発生することを防止するものである。

次に、動作について説明する。

まず、外部から局部的に熱伝導、あるいは、空気による
対流熱伝達、あるいは、ふく射などによって熱が加わっ
た場合、その熱は伝熱箱５の熱伝導によって、表面に沿
って拡散され、また、熱容量によって温度上昇が緩和さ
九る。

さらに、熱は、断熱箱４を熱伝導によって通過して、伝
熱箱３に加わる。このとき、伝熱箱３に加わる熱量は、
断熱箱４の断熱作用によって微量になるため、伝熱箱３
の各部の温度分布が均一になり、また、温度上昇が非常
に小さくなる。すなわち、伝熱箱３の熱時定数が実効的
に、大きくなり、外部から熱的な衝撃が加わった場合に
も、その衝撃が緩和され、伝熱箱３の温度変化が小さく
なり、伝熱箱３．５と断熱箱４は総合して熱緩衝箱とし
て作用する。

伝熱箱３の熱は、巻枠２及びスペーサ６に伝わって、さ
らに、熱的な衝撃が緩和され、光ファイバループ１の外
周に、均一で、かつ、微量の熱が加わり、光ファイバル
ープ１の各部の温度が均一になると、同時に、温度変化
が極めて緩慢（熱時定数が数十分から数時間）になる。

その結果、光ファイバループ１を互いに逆方向に通過す
る２つの光波のそれぞれの光路長が全く等しくなり、光
ファイバジャイロの零点変動の発生を防止できる。

第１実施例においては、第４図〜第６図に示す従来の光
ファイバジャイロにあった熱ブリッジを削除しているが
、これは、温度変化を少なくするという理由のほかに、
以下の理由による。

光ファイバループ１が発熱した場合には、断熱箱４の熱
抵抗が無限大と仮定すると、光ファイバループ１の温度
は、伝熱箱３、巻枠２、光ファイバループ１およびスペ
ーサ６の総熱容量と光ファイバループ１の発熱量との積
に見合った温度上昇率で、限りなく温度上昇することに
なり、非常に具合が悪いことになる。

そこで、従来の装置では、熱ブリッジを設けて不具合を
解消している。

ところが、実際には、断熱箱４が理想的な断熱箱でなく
、微量であるが熱を通すものであり、また、光ファイバ
ループ１の発熱量は、光ファイバの全長がＩＫｍ、光フ
ァイバへ入れる光波の総パワーが１ｍＷ、損失が１　ｄ
Ｂ／Ｋｍとしても、２００μＷ程度であるため、光ファ
イバループ１の温度変化の幅および温度上昇率は小さく
、また、光ファイバループ１の各部の温度分布も均一に
なる。

従って、熱ブリッジはなくても良い。

以上のように、本実施例によると、光ファイバループ１
の温度上昇率を小さくでき、かつ、光ファイバジャイロ
の零点変動を最も小さくできる効果がある。

また、巻枠２をＳｉＣセラミックスにすることにより、
光ファイバループ１の長さおよび半径の温度による変動
を小さくできるため、感度を安定化する効果がある。

また、第１の実施例の巻枠２と伝熱箱３の間に新たに断
熱箱を挿入してさらに多層化することにより、光ファイ
バループ１の温度変化の勾配がより小さくなり、光ファ
イバジャイロの零点変動を最も小さくする効果がある。

次に、第２の実施例について第２図に示した縦断面図に
より説明する。

この実施例は、第１の実施例の伝熱箱３．５を省略した
ものである。

第２図に示す光ファイバジャイロの角速度検出部である
光ファイバループ１は１巻枠２に巻かれており、これら
は、断熱箱４によって囲まれている。巻枠２の中心部に
は、スペーサ６が取付けられる。

この光ファイバループ１と光位相変調器、光カプラ、レ
ーザダイオードなどの図示しない要素とを、組合せるこ
とにより、最も一般的な位相変調式光ファイバジャイロ
の光学系が形成される。

次に、動作について説明する。

第２の実施例では、第１の実施例の伝熱箱３．５が省略
されているが、巻枠２には熱を拡散する作用と熱容量が
あるため、断熱箱４の断熱作用を強化することにより、
入ってくる熱量を小さくして、光ファイバループ１の温
度変化を緩慢にすることができ、第１実施例と同様の効
果を得ることができる。

この実施例によると１重量が大きな伝熱箱３．５がない
ため、光ファイバジャイロを軽量化できる効果がある。

また、第１実施例および第２実施例において、スペーサ
６を取り去り、その空間に、あまり発熱しない光学部品
例えば光カプラ、偏光子、光位相変調器の電子回路部な
どを収納してもよく、その場合、光ファイバジャイロを
小形化できる効果がある。

また、第１図の伝熱箱５の表面あるいは第２図の断熱箱
４の表面を、白色または鏡面状、例えば、ニッケルメッ
キなどを施すことにより、ふく射熱の侵入による温度上
昇を防止することができ、発明の効果をより高めること
ができる。

また、第１図、第２図に示した実施例において、伝熱箱
３．５と断熱箱４とを、中央に貫通孔があるような形状
、例えば、ドーナツのような形状にしてもよく、その場
合１貫通孔部に発熱する部品、例えば、レーザダイオー
ドや電気回路などを収納することができ、光ファイバジ
ャイロを小形化できる効果がある。

また１以上の実施例によれば、光ファイバループ１の温
度変化が緩慢になるため、光ファイバループ１の温度変
化と光ファイバジャイロの出力変化との間に関連性が発
見されることが多く、光ファイバループ１の温度を、サ
ーミスタ等を用いて計測し、その温度を変数として、コ
ンピュータで演算処理し、光ファイバジャイロの出力を
補正することができ、本発明がより効果的になる。

なお５以上の実施例において、光ファイイベループ１は
、光ファイバを巻枠２に、光ファイバの長さの中心に対
して、熱的に対称になるように、巻いたものが最適であ
る。

また１巻枠２の材質は、ＳｉＣセラミックスなどの特殊
な材質に限らず、一般に使用しているアルミニウムや合
成樹脂類でもよく、その場合に本発明の効果が消失する
ことはない。

次に、振動式光位相変調器の取付けに関する本発明の第
３の実施例を、第３図に示した分解組立図により説明す
る。

第３図に示す光ファイバジャイロの角速度検出部である
光ファイバループ１２は、電気・力学効果を利用した振
動式光位相変調器である圧電素子１１に巻き付けて、さ
らに、接着したものであるにれらの上下に２枚の緩衝！
１１３を設けて、座金１５を介して、ネジ１６により、
台座１４に取り付けたものである。座金１５と台座１４
は、圧電素子１１の取付部である。

次に、動作について説明する。

圧電素子１１は、電極に交流電圧を印加するとピエゾ効
果により振動し、円周方向の長さが伸縮する。

光ファイバループ１２は、圧電素子１１にコイル状に巻
付けて、接着剤で固定してあり、圧電素子１１の円周方
向の長さの伸縮に比例して光ファイバ１２の長さが伸縮
するものである。

ところで、圧電素子１１の電極に正弦波交流電圧を印加
すると、光ファイバ１２の長さは正弦波で伸縮するもの
であるが、その状態は圧電素子１１の取付は法によって
微妙に変化するものである。

圧電素子１１の取付は法は風鈴を下げるように、圧電素
子１１を糸で空中につり下げるのが最良の方法であるが
、その場合、圧電素子１１の振動を防げるものは何もな
く、最も歪が小さくなる。

本発明は、この取付は状態を実現しようとするものであ
る。

緩衝器１３は圧電素子１１の取付は具であり、柔軟性の
あるゴム類や合成樹脂を棒状に成形したものである。中
央部のリング状の部分は、組立てに使うものであり、緩
衝機能を持たせる上で、不可欠のものではなく、柔軟性
はなくても良い。

座金１５は単なる押え板であり、ねじ１６は普通のねじ
である。

これらの部品を図示した順序で重ね合せ、最後にねじ１
６によって固定する。ねし１６をしめる際は、必要最小
限のトルクを与えることが重要である。

この結果、圧電素子１１が、柔軟な緩衝器１３を介して
台座１４に取付けられるため、圧電素子１１の振動が自
由になり、十分な変調度が得られ。

また、変調歪も発生しない。

本実施例によると、比較的簡単な構成であるにもかかわ
らず、変調歪を非常に小さくする効果がある。

また、第３図の実施例では、緩衝器１３と圧電素子１１
の接触点を１面当り４点にしているが。

これに限らず、例えば２点（上下が直交するように並べ
る）でもよく、その場合、多少不安定になるが、緩衝器
１３の柔軟性が増し、緩衝効果がます。

また、緩衝器１３は、一般に市販されている輪ゴムを切
って適当数並べてもよく、その場合、緩衝器１３を安価
にする効果がある。

また、緩衝器１３と圧電素子１１との接触点部の断面は
角形に限らず、円形や三角形でもよく、それによって発
明の効果が変ることはない。

さらに、この緩衝器１３を使用した光ファイバループを
第１、第２の実施例に示した熱緩衝箱で囲むことにより
、変調歪による零点変動が少く、かつ温度変化による零
点変動も少なくなり、高精度な光ファイバジャイロが提
供できる。

本発明に係る光ファイバジャイロを用いて、ナビゲーシ
ョンシステムを構成すると、温度変化があっても、ドリ
フトの少い高精度なナビゲーションシステムを提供する
ことができる。

このナビゲーションシステムを車両、船舶、航空機、人
工衛星等の移動体に適用することにより、耐機械環境性
および、耐熱環境性に秀れた、ナビゲーションシステム
を有する移動体が程供できる。

以上述べたように、本発明によると、以下の効果が有る
。

光ファイバループを軽量な断熱材の箱だけで囲むことに
よって、軽量でかつ、零点変動の小さな光ファイバジャ
イロを実現できる。

また、熱緩衝箱を、断熱材と熱伝導材の多層構造にする
ことによって、光ファイバループの温度変化を最も緩慢
にすることができるため、最も零点変動の小さな光ファ
イバジャイロを実現できる。

また、光ファイバループの巻枠を、熱伝導率が大で、線
膨張係数が小さな材質のものにした場合は、零点変動と
感度変動の小さな光ファイバジャイロを実現できる。

また、熱緩衝箱の表面を、白色または鏡面状にしてふく
射熱の侵入をしゃ断し、光ファイバループの温度変化を
小さくすることにより、零点変動と感度変動の小さな光
ファイバジャイロを実現できる。

また、緩衝器を棒状ゴムにすることにより、低コストで
零点変動が小さな光ファイバジャイロを実現できる。

［発明の効果］ 本発明は２以上に説明したように構成されているため、
以下に記載するような効果がある。

まず、熱緩衝箱で囲んだことによって光ファイバループ
の温度変化が緩慢になり、零点変動が小さな光ファイバ
ジャイロを実現できる。

また、振動式光位相変調器を、柔軟な緩衝器を介して取
付けた場合は、振動の自由を防げることがなくなって、
変調歪が小さくなり、最終的に零点変動が小さな光ファ
イバジャイロを実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の実施例に係る光ファイバループと巻枠と
熱緩衝箱の縦断面図、第２図は第２の実施例に係る光フ
ァイバループと巻枠と熱緩衝箱の縦断面図、第３図は第
３の実施例の分解組立図、第４図は従来技術を説明する
ための光ファイバループの斜視図、第５図は従来技術に
係る光ファイバループをシールド材で囲んだものの断面
図、第６図は従来技術に係る二重の外囲器と熱ブリッジ
を備えた光ファイバループの断面図、第７図は従来技術
に係る圧電素子に光ファイバを巻き付けたものの斜視図
である。 １・・・光ファイバループ、２・・巻枠、３，５・・・
伝熱箱、４・・断熱箱、１１　・圧電素子、１２　光フ
ァイバ、１３・緩衝器。 出願人　　株式会社　　日立製作所 代理人　　弁理士　　　富田和子 第 図 光ファイバループ 伝熱箱 ２・ 、Ｉ＃枠 断熱箱 スペーサ 第 図 光ファイバ九−ブ ４・・・断熱箱 ・・巻枠 ０．スペーサ 第 μ電緊子 光フフイバ ａ＃ｌ器 台座 一座金 ネノ 第４ 第５ 第６ ３１−ｍ−光フアイパル ３４−一一シールド部材 ３５−−一外囲器 ３６−−−外囲器 ３７−−−熱ブリノジ ブ 第 図 ４１−ｍ＝　光ファイバ ５０−ｍ−圧電素子 ５１−ｍ−電極 ５２−ｍ−電極

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、コイル状の光ファイバループ内を、互いに逆方向に
   通過する２つの光波を干渉させ、サグナック効果によっ
   て生じる位相差から、角速度を検出する光ファイバジャ
   イロにおいて、 前記光ファイバループと、該光ファイバループの巻枠と
   を囲む熱緩衝箱を有することを特徴とする光ファイバジ
   ャイロ。 ２、前記熱緩衝箱は、断熱材を有することを特徴とする
   請求項１記載の光ファイバジャイロ。 ３、前記熱緩衝箱は、断熱材と熱伝導材の多層構造体を
   有することを特徴とする請求項１記載の光ファイバジャ
   イロ。 ４、前記光ファイバループの巻枠は、熱伝導性が大きく
   、かつ、熱膨張性が小さいことを特徴とする請求項１、
   ２または３記載の光ファイバジャイロ。 ５、前記熱緩衝箱の表面は、白色もしくは鏡面状である
   ことを特徴とする請求項１、２、３または４記載の光フ
   ァイバジャイロ。 ６、コイル状の光ファイバループ内を互いに逆方向に通
   過する２つの光波を、光ファイバを巻き付けた振動式光
   位相変調器によって、変調して干渉させ、サグナック効
   果によって生じる位相差から、角速度を検出する光ファ
   イバジャイロにおいて、 前記振動式光位相変調器と、前記振動式光位相変調器の
   取付部との間に緩衝器を有することを特徴とする光ファ
   イバジャイロ。 ７、前記緩衝器は、緩衝器の該振動式光位相変調器と、
   該取付部とにはさまれた部分が、棒状ゴムであることを
   特徴とする請求項６記載の光ファイバジャイロ。 ８、前記の光ファイバループと、振動式光位相変調器と
   、緩衝器とを囲む熱緩衝箱を有することを特徴とする請
   求項６または７記載の光ファイバジャイロ。 ９、請求項１、２、３、４、５、６、７または８記載の
   光ファイバジャイロを有し、高精度な位置決定ができる
   ことを特徴とするナビゲーションシステム。 １０、請求項９記載のナビゲーションシステムを搭載し
   た事を特徴とする移動体。