JPH04340416A - 光ファイバジャイロ - Google Patents
光ファイバジャイロInfo
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- JPH04340416A JPH04340416A JP3139553A JP13955391A JPH04340416A JP H04340416 A JPH04340416 A JP H04340416A JP 3139553 A JP3139553 A JP 3139553A JP 13955391 A JP13955391 A JP 13955391A JP H04340416 A JPH04340416 A JP H04340416A
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- sensing coil
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- optical fiber
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- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 25
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 16
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 16
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 claims description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 11
- 239000000835 fiber Substances 0.000 abstract description 5
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 2
- 101000582320 Homo sapiens Neurogenic differentiation factor 6 Proteins 0.000 description 1
- 102100030589 Neurogenic differentiation factor 6 Human genes 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
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Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、センシングコイルに加
わる回転によって生じる左右両回り光の位相差を検出し
て、その回転角速度を検出する位相変調方式の光ファイ
バジャイロに関し、特にその検出感度の向上をはかった
光ファイバジャイロに関するものである。
わる回転によって生じる左右両回り光の位相差を検出し
て、その回転角速度を検出する位相変調方式の光ファイ
バジャイロに関し、特にその検出感度の向上をはかった
光ファイバジャイロに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種の光ファイバジャイロは、
図３のように構成されたものがある。すなわち、光源３
１から出射された光を光カプラ３４で分岐して、その光
を、光ファイバをボビンに巻回したセンシングコイル３
５の右回り，左回りに入射させて、再び同じ光路を戻っ
てきた光を光カプラ３２で分岐して干渉させることによ
り、センシングコイル３５に加わった回転角速度により
生じる左右両回り光間の位相差を干渉光の強度変化とし
てディテクタ３７で検出するものである。
図３のように構成されたものがある。すなわち、光源３
１から出射された光を光カプラ３４で分岐して、その光
を、光ファイバをボビンに巻回したセンシングコイル３
５の右回り，左回りに入射させて、再び同じ光路を戻っ
てきた光を光カプラ３２で分岐して干渉させることによ
り、センシングコイル３５に加わった回転角速度により
生じる左右両回り光間の位相差を干渉光の強度変化とし
てディテクタ３７で検出するものである。
【０００３】このとき、干渉光の強度変化は右左両回り
光間の位相差の余弦関数つまりｃｏｓ関数に比例するた
め、感度が悪く、回転方向の判別もできない。そのため
、センシングコイル３５の一端に位相変調器３６を設け
、そのコイル３５中の光の位相をレファレンス発生器３
９より発生する信号のｓｉｎ波つまり変調周波数成分ω
０で変調することにより、これによって生じるベッセル
級数の第１次あるいは第２次の成分を同期検波器４０に
て検出する方式がとられている。ここで、レファレンス
発生器３９より同期検波器４０に加える信号の基本波成
分をω０、その２倍波成分を２ω０とし、この同期検波
器４０で検出される信号成分をそれぞれＳ１，Ｓ２とす
ると、これらＳ１，Ｓ２はそれぞれ次式のようになる。
光間の位相差の余弦関数つまりｃｏｓ関数に比例するた
め、感度が悪く、回転方向の判別もできない。そのため
、センシングコイル３５の一端に位相変調器３６を設け
、そのコイル３５中の光の位相をレファレンス発生器３
９より発生する信号のｓｉｎ波つまり変調周波数成分ω
０で変調することにより、これによって生じるベッセル
級数の第１次あるいは第２次の成分を同期検波器４０に
て検出する方式がとられている。ここで、レファレンス
発生器３９より同期検波器４０に加える信号の基本波成
分をω０、その２倍波成分を２ω０とし、この同期検波
器４０で検出される信号成分をそれぞれＳ１，Ｓ２とす
ると、これらＳ１，Ｓ２はそれぞれ次式のようになる。
【０００４】
Ｓ１＝ｋ１ｓｉｎΔφ
……（１）Ｓ２＝ｋ２ｃｏｓΔφ
……（２）
……（１）Ｓ２＝ｋ２ｃｏｓΔφ
……（２）
【０００５】ただしｋ１，ｋ２は
定数、Δφは両回り光間の位相差である。従って、演算
装置４１において信号成分Ｓ１のみを用いても位相差Δ
φはｓｉｎΔφに比例するため、高感度で回転方向の検
出も可能となる。また、定数ｋ１，ｋ２に含まれる干渉
光のパワーの項を消去するために各信号成分Ｓ１，Ｓ２
の除算をとり、Ｓ１／Ｓ２の形でつまりｔａｎ形式で検
出する方法も行われている。しかし、このような方式で
は、その特性の傾斜のゆるやかなところで、測定精度が
悪くなる不具合があった。なお、図３において３３はポ
ラライザ、３８は水晶発振器、４２は演算装置４１の出
力Ｓ０を表示する表示装置である。
定数、Δφは両回り光間の位相差である。従って、演算
装置４１において信号成分Ｓ１のみを用いても位相差Δ
φはｓｉｎΔφに比例するため、高感度で回転方向の検
出も可能となる。また、定数ｋ１，ｋ２に含まれる干渉
光のパワーの項を消去するために各信号成分Ｓ１，Ｓ２
の除算をとり、Ｓ１／Ｓ２の形でつまりｔａｎ形式で検
出する方法も行われている。しかし、このような方式で
は、その特性の傾斜のゆるやかなところで、測定精度が
悪くなる不具合があった。なお、図３において３３はポ
ラライザ、３８は水晶発振器、４２は演算装置４１の出
力Ｓ０を表示する表示装置である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】このように従来の技術
は、ｃｏｓ関数に比例するジャイロ信号の感度をｓｉｎ
関数に比例するようにしたものであり、地球自転程度の
微小回転に対する感度で４桁〜５桁位向上するが、まだ
この感度ではセンシングコイルのファイバ長を非常に長
くしたり、ループ径を大きくしたりしなければならない
という問題があった。本発明は以上の点に鑑み、上記の
ような問題点を解消するためになされたものであり、そ
の目的は、センシングコイルに用いるファイバ長やその
ループ径を大きくすることなく、検出感度を向上させる
ことができる光ファイバジャイロを提供することにある
。
は、ｃｏｓ関数に比例するジャイロ信号の感度をｓｉｎ
関数に比例するようにしたものであり、地球自転程度の
微小回転に対する感度で４桁〜５桁位向上するが、まだ
この感度ではセンシングコイルのファイバ長を非常に長
くしたり、ループ径を大きくしたりしなければならない
という問題があった。本発明は以上の点に鑑み、上記の
ような問題点を解消するためになされたものであり、そ
の目的は、センシングコイルに用いるファイバ長やその
ループ径を大きくすることなく、検出感度を向上させる
ことができる光ファイバジャイロを提供することにある
。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明の光ファイバジャイロは、センシングコイル
の一端に設けられてそのコイルを通る光の位相を変調す
る位相変調器と、前記センシングコイルを通過する右回
り光と左回り光との光路間に位相シフタを用いて、その
左，右両回り光間に所定の位相差を付与する位相シフト
手段と、センシングコイルに加わる回転によって生じる
左右両回り光の位相差を干渉光の強度変化として検出す
る光検出器と、この光検出器の検出出力を前記位相変調
器に加える信号の基本周波数成分とその２倍波成分とに
よりそれぞれ同期検波する同期検波手段と、この同期検
波手段から得られる同期検波出力の基本周波数成分とそ
の２倍波成分とを除算して、その出力をｓｉｎ（正弦）
関数からｔａｎ（正接）関数に比例する信号形式に変換
する演算手段を備えたものである。
めに本発明の光ファイバジャイロは、センシングコイル
の一端に設けられてそのコイルを通る光の位相を変調す
る位相変調器と、前記センシングコイルを通過する右回
り光と左回り光との光路間に位相シフタを用いて、その
左，右両回り光間に所定の位相差を付与する位相シフト
手段と、センシングコイルに加わる回転によって生じる
左右両回り光の位相差を干渉光の強度変化として検出す
る光検出器と、この光検出器の検出出力を前記位相変調
器に加える信号の基本周波数成分とその２倍波成分とに
よりそれぞれ同期検波する同期検波手段と、この同期検
波手段から得られる同期検波出力の基本周波数成分とそ
の２倍波成分とを除算して、その出力をｓｉｎ（正弦）
関数からｔａｎ（正接）関数に比例する信号形式に変換
する演算手段を備えたものである。
【０００８】
【作用】本発明においては、位相シフト手段によって左
右両回り光間に位相バイアスを与えることにより、演算
手段の出力としてそのｔａｎ関数の立ち上がりの急峻な
ところを用いる。このため、センシングコイルのファイ
バ長やループ径の寸法を大きくすることなく、その回転
角速度の最小検出感度を高めることができる。
右両回り光間に位相バイアスを与えることにより、演算
手段の出力としてそのｔａｎ関数の立ち上がりの急峻な
ところを用いる。このため、センシングコイルのファイ
バ長やループ径の寸法を大きくすることなく、その回転
角速度の最小検出感度を高めることができる。
【０００９】
【実施例】以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて
詳細に説明する。図１は本発明による光ファイバジャイ
ロの一実施例を示す基本的な構成図である。図１におい
て、スーパールミネッセントダイオードなどの光源１か
ら出射された光は光カプラ２で２つに分けられ、さらに
光カプラ３，４を介して光ファイバをループ状に巻回し
たセンシングコイル７の両端に導かれる。そして、光カ
プラ３，４からセンシングコイル７をそれぞれ右回り，
左回りの両方向に回った光は光カプラ３，４で再び分岐
され、光路９，１０へ導かれる。さらに光路９を出射し
た光は位相シフタ１２，光路１１を介して光カプラ１３
に導かれ、光路１０を出射した光は直接光カプラ１３に
導かれるように構成されている。
詳細に説明する。図１は本発明による光ファイバジャイ
ロの一実施例を示す基本的な構成図である。図１におい
て、スーパールミネッセントダイオードなどの光源１か
ら出射された光は光カプラ２で２つに分けられ、さらに
光カプラ３，４を介して光ファイバをループ状に巻回し
たセンシングコイル７の両端に導かれる。そして、光カ
プラ３，４からセンシングコイル７をそれぞれ右回り，
左回りの両方向に回った光は光カプラ３，４で再び分岐
され、光路９，１０へ導かれる。さらに光路９を出射し
た光は位相シフタ１２，光路１１を介して光カプラ１３
に導かれ、光路１０を出射した光は直接光カプラ１３に
導かれるように構成されている。
【００１０】これにより、それぞれの光は光カプラ１３
から光検出器としてのディテクタ１４に導かれて干渉す
る。このとき、センシングコイル７を右左両方向に回っ
た光のうち共通の光路を通ったものだけを取り出すため
にセンシングコイル７の両端にポラライザ５，６を設け
る。また、両光の光路長をほぼ等しくするために光カプ
ラ２，３，４，１３と光路９，１０，１１および位相シ
フタ１２は光ファイバの代わりに導波路で構成すること
が望ましい。なお、ポラライザ５，６を設ける代わりに
センシングコイル７を単一偏波ファイバで構成すること
もできる。
から光検出器としてのディテクタ１４に導かれて干渉す
る。このとき、センシングコイル７を右左両方向に回っ
た光のうち共通の光路を通ったものだけを取り出すため
にセンシングコイル７の両端にポラライザ５，６を設け
る。また、両光の光路長をほぼ等しくするために光カプ
ラ２，３，４，１３と光路９，１０，１１および位相シ
フタ１２は光ファイバの代わりに導波路で構成すること
が望ましい。なお、ポラライザ５，６を設ける代わりに
センシングコイル７を単一偏波ファイバで構成すること
もできる。
【００１１】また、本実施例の方式は位相変調方式を用
いるため、センシングコイル７の一方の端部に位相変調
器８を設けている。この位相変調器８は例えばＰＺＴに
センシングコイル７を構成する光ファイバの一部を数回
巻回することにより構成され、レファレンス発生器１６
より発生する信号成分のω０の基本周波数の電圧でＰＺ
Ｔを伸縮させることにより、位相変調を行う。これを導
波路型の変調素子にすることも可能であることは言うま
でもない。これらの構成により得られるディテクタ１４
の出力Ｓは次のように表される。
いるため、センシングコイル７の一方の端部に位相変調
器８を設けている。この位相変調器８は例えばＰＺＴに
センシングコイル７を構成する光ファイバの一部を数回
巻回することにより構成され、レファレンス発生器１６
より発生する信号成分のω０の基本周波数の電圧でＰＺ
Ｔを伸縮させることにより、位相変調を行う。これを導
波路型の変調素子にすることも可能であることは言うま
でもない。これらの構成により得られるディテクタ１４
の出力Ｓは次のように表される。
【００１２】
【数１】
【００１３】ただし、Ａは電気系の係数、Ｐはディテク
タ１４に入射するパワー、ｋはボビンの形状による定数
、Ωはセンシングコイル７の回転角速度、Ｊｎ（ｚ）は
変数ｚのｎ次ベッセル関数、ｚは両光間位相差のピーク
値である。
タ１４に入射するパワー、ｋはボビンの形状による定数
、Ωはセンシングコイル７の回転角速度、Ｊｎ（ｚ）は
変数ｚのｎ次ベッセル関数、ｚは両光間位相差のピーク
値である。
【００１４】そして、この出力信号Ｓが同期検波器１７
に入力されると、同期検波器１７は、水晶発振器１５か
らの発振信号をレファレンス発生器１６で分周，移相し
て作られるω０，２ω０のレファレンス信号によりそれ
ぞれ同期検波する。このとき、レファレンス発生器１６
は位相変調器８を駆動する変調周波数成分のｓｉｎ波も
同時に作る働きを有している。これにより、同期検波器
１７による信号Ｓの基本周波数成分及び２倍波成分の同
期検波出力Ｓ１，Ｓ２は次のように表わせる。
に入力されると、同期検波器１７は、水晶発振器１５か
らの発振信号をレファレンス発生器１６で分周，移相し
て作られるω０，２ω０のレファレンス信号によりそれ
ぞれ同期検波する。このとき、レファレンス発生器１６
は位相変調器８を駆動する変調周波数成分のｓｉｎ波も
同時に作る働きを有している。これにより、同期検波器
１７による信号Ｓの基本周波数成分及び２倍波成分の同
期検波出力Ｓ１，Ｓ２は次のように表わせる。
【００１５】
Ｓ１＝Ａ１ＰＪ１（ｚ）ｓｉｎ（ｋΩ） ‥‥‥
（４）Ｓ２＝Ａ２ＰＪ２（Ｚ）ｃｏｎ（ｋΩ）
‥‥‥（５）
（４）Ｓ２＝Ａ２ＰＪ２（Ｚ）ｃｏｎ（ｋΩ）
‥‥‥（５）
【００１６】ただし、Ａ１，Ａ２は電気系
の係数である。 従って、演算装置１８によりＳ１，Ｓ２の除算を行った
出力ＳＯは
の係数である。 従って、演算装置１８によりＳ１，Ｓ２の除算を行った
出力ＳＯは
【００１７】
【数２】
【００１８】となる。図２はｋΩに対するｔａｎ（ｋΩ
）の特性を示すものであり、図２の曲線からわかるよう
にｋΩの微小な領域ではｔａｎ（ｋΩ）の変化量は小さ
く（ｄ（ｔａｎ（ｋΩ））／ｄ（ｋΩ）≒１）、±π／
２に近づくにつれて大きくなっている。例えばｋΩが８
０°のとき、ｄ（ｔａｎ（ｋΩ））／ｄ（ｋΩ）は約３
３となる。
）の特性を示すものであり、図２の曲線からわかるよう
にｋΩの微小な領域ではｔａｎ（ｋΩ）の変化量は小さ
く（ｄ（ｔａｎ（ｋΩ））／ｄ（ｋΩ）≒１）、±π／
２に近づくにつれて大きくなっている。例えばｋΩが８
０°のとき、ｄ（ｔａｎ（ｋΩ））／ｄ（ｋΩ）は約３
３となる。
【００１９】この高感度な領域を使うために、本発明は
、光位相シフタ１２を用いてセンシングコイル７内の左
右両回り光間に位相差α（ｒａｄ）を与えるようにした
ものであり、この位相差αは光位相シフタ１２に加える
電圧によって可変することができ、０＜｜α｜＜π／２
の範囲で任意に設定できる。従って、位相差αが加わっ
たとき、上記（６）式は次式のようになる。
、光位相シフタ１２を用いてセンシングコイル７内の左
右両回り光間に位相差α（ｒａｄ）を与えるようにした
ものであり、この位相差αは光位相シフタ１２に加える
電圧によって可変することができ、０＜｜α｜＜π／２
の範囲で任意に設定できる。従って、位相差αが加わっ
たとき、上記（６）式は次式のようになる。
【００２０】
【数３】
【００２１】ただし、αはＳＯの出力を表示装置１９で
見ながら最適値に調節して決める。このように上記実施
例によると、位相変調方式の基本周波数信号（Ｓ１）と
２倍波信号（Ｓ２）の除算を行って出力をｓｉｎ関数か
らｔａｎ関数に比例する信号に変え、さらに左右両回り
光間に位相バイアスを与えることにより、ｔａｎ関数の
立ち上がりの急峻なところを利用するようにしたので、
その出力がｓｉｎ関数に比例する従来の方式に比べて位
相バイアスを４５°を与えたとき約２倍、８０°を与え
たとき約３３倍に向上させることができる。
見ながら最適値に調節して決める。このように上記実施
例によると、位相変調方式の基本周波数信号（Ｓ１）と
２倍波信号（Ｓ２）の除算を行って出力をｓｉｎ関数か
らｔａｎ関数に比例する信号に変え、さらに左右両回り
光間に位相バイアスを与えることにより、ｔａｎ関数の
立ち上がりの急峻なところを利用するようにしたので、
その出力がｓｉｎ関数に比例する従来の方式に比べて位
相バイアスを４５°を与えたとき約２倍、８０°を与え
たとき約３３倍に向上させることができる。
【００２２】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、位相変調
方式の光ファイバジャイロにおいて、センシングコイル
を通過する右回り光と左回り光との光路間に位相シフタ
を設けて、その右回り光と左回り光に位相差を与える手
段と、信号の変調周波数成分と２倍波成分の除算を行う
演算手段とを具備することにより、センシングコイルの
回転角速度の最小検出感度を向上させることができるの
で、その検出感度において従来の１桁以上の向上が可能
である。さらに、センシングコイル長の短尺化やコイル
径の小形化ができるので、製品の低価格化，小形化が図
れる効果がある。
方式の光ファイバジャイロにおいて、センシングコイル
を通過する右回り光と左回り光との光路間に位相シフタ
を設けて、その右回り光と左回り光に位相差を与える手
段と、信号の変調周波数成分と２倍波成分の除算を行う
演算手段とを具備することにより、センシングコイルの
回転角速度の最小検出感度を向上させることができるの
で、その検出感度において従来の１桁以上の向上が可能
である。さらに、センシングコイル長の短尺化やコイル
径の小形化ができるので、製品の低価格化，小形化が図
れる効果がある。
【図１】本発明による光ファイバジャイロの一実施例を
示す基本構成図である。
示す基本構成図である。
【図２】上記実施例の説明に供するｋΩーｔａｎ（ｋΩ
）のグラフである。
）のグラフである。
【図３】従来装置の一例を示す構成図である。
１ 光源
２，３，４，１３ 光カプラ
５，６ ポラライザ
７ センシングコイル
８ 位相変調器
１２ 位相シフタ
１４ ディテクタ
１５ 水晶発振器
１６ レファレンス発生器
１７ 同期検波器
１８ 演算装置
１９ 表示装置
Claims (1)
- 【請求項１】 センシングコイルに加わる回転によっ
て生じる左，右両回り光の位相差を検出して、その回転
角速度を検出する位相変調方式の光ファイバジャイロに
おいて、前記センシングコイルの一端に設けられてその
コイルを通る光の位相を変調する位相変調器と、前記セ
ンシングコイルを通過する右回り光と左回り光との光路
間に位相シフタを用いて、その左，右両回り光間に所定
の位相差を付与する位相シフト手段と、前記センシング
コイルに加わる回転によって生じる左右両回り光の位相
差を干渉光の強度変化として検出する光検出器と、前記
光検出器の検出出力を前記位相変調器に加える信号の基
本周波数成分とその２倍波成分とによりそれぞれ同期検
波する同期検波手段と、前記同期検波手段から得られる
同期検波出力の基本周波数成分とその２倍波成分とを除
算して、その出力を正弦関数から正接関数に比例する信
号形式に変換する演算手段を備え、前記位相シフト手段
によって左，右両回り光間に位相バイアスを与えること
により、前記演算手段の出力としてその正接関数の立ち
上がりの急峻なところを用いるようにしたことを特徴と
する光ファイバジャイロ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3139553A JPH04340416A (ja) | 1991-05-16 | 1991-05-16 | 光ファイバジャイロ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3139553A JPH04340416A (ja) | 1991-05-16 | 1991-05-16 | 光ファイバジャイロ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04340416A true JPH04340416A (ja) | 1992-11-26 |
Family
ID=15247948
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3139553A Pending JPH04340416A (ja) | 1991-05-16 | 1991-05-16 | 光ファイバジャイロ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04340416A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5440389A (en) * | 1991-09-02 | 1995-08-08 | Robert Bosch Gmbh | Optical sensor for rotational movements having an optical running period element |
-
1991
- 1991-05-16 JP JP3139553A patent/JPH04340416A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5440389A (en) * | 1991-09-02 | 1995-08-08 | Robert Bosch Gmbh | Optical sensor for rotational movements having an optical running period element |
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