JPH0510770A - 光回転検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 被検物体の回転状態を光を用いて検出する光
回転検出装置に関し、偏光状態の変動による回転出力の
零点ドリフトを低減することを目的とする。 【構成】 光ファイバの融着箇所に強度を持たせる手段
としてＵＶ硬化樹脂を採用する。そしてその融着箇所を
可撓性部材からなるカバー部材で覆い、ケースに固定す
る。この構成により、そこを通過する光の伝搬状態の変
動が低減され、これによって、光ファイバジャイロの回
転出力の零点ドリフトが低減される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、移動体等に使用される
光回転検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】角速度センサとして使用されるジャイロ
からは、角速度だけでなく、それを積分することによ
り、方位のデータも得ることができる。そのようなジャ
イロの内で、光ファイバジャイロは可動部が全くなく且
つ小型化が可能であり、更に最小検出可能角速度（感
度）、ドリフト、可測範囲（ダイナミックレンジ）、ス
ケールファクタの安定性において、従来のジャイロに比
較して優れているために、近年注目され、開発されてい
る。

【０００３】次に、位相変調方式光ファイバジャイロを
例にとり、図３を用いて、その原理を説明する。

【０００４】半導体レーザのような発光素子である光源
１からの光は、光路１０１、カプラ２、光路１０２を経
て、偏光子４に入力され、偏光子４を通過した光は、光
路１０４を介してカプラ５に入力され、そこで光路１０
５と光路１０７にそれぞれ均等に分けられる。光路１０
５に入力された光は、光ファイバコイル６を右回りに通
過し、光路１０６、位相変調器７、光路１０７を、この
順に通過してカプラ５に入力される。前記カプラ５にお
いて二分岐され、光路１０７に入力された光は、上述の
光波と全く逆方向に進行する。つまり、位相変調器７、
光路１０６をこの順に通過した光は光ファイバコイル６
を左回りに伝搬後、光路１０５を通過し、カプラ５に入
力される。つまり、カプラ５で、互いに逆方向に二分岐
された光波は、光ファイバコイル６を伝搬後、再度カプ
ラ５で結合される。結合された光は光路１０４を通過
後、偏光子４、光路１０２、カプラ２を逆方向に伝搬し
て、光路１０３により、フォトダイオード３に入力され
電気信号に変換される。

【０００５】光が光ファイバコイルを伝搬するとき、光
ファイバコイルが回転を受けていると、いわゆるサニャ
ック効果により、右回り光と左回り光とに位相差ができ
る。この位相差の検出は、右回り光と左回り光との干渉
光の信号成分を検出することによって行なう。

【０００６】上記のような光ファイバジャイロにおい
て、一般的な融着箇所は、例えばカプラ２と偏光子４の
間、偏光子４とカプラ５の間、カプラ５と光ファイバコ
イル６の間、光ファイバコイル６と位相変調器７の間、
位相変調器７とカプラ５の間、以上５箇所である。この
融着箇所の数は、光源から位相変調器までを融着箇所が
ない一本の光ファイバで構成し、その後カプラ化するな
どの方法で、減らすことが出来るが、一般的には工程を
考慮し、上記の融着箇所を残す方法がとられている。こ
の融着箇所付近は、融着工程で被覆が除去されているた
めに折れ易く、強度をもたせるため保護スリーブで保護
するのが一般的である。この保護スリーブは熱収縮チュ
ーブに金属の棒が入ったもので、このチューブの中に光
ファイバの融着部分を挿入し、熱を加えてチューブを収
縮させることにより、ファイバの被覆が除去された部分
が金属の棒に固定される。実装の際、位相変調器及び光
ファイバコイルを構成しない部分の光ファイバは、ケー
スあるいは光ファイバジャイロの他の構成部品に固定さ
れるが、固定点に余分な応力が加わるのを防ぐため、硬
い金属棒に固定された融着箇所及びカプラをもって、固
定点としている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】光ファイバジャイロに
おいて、測定する出力信号は光ファイバコイルを右回り
に回る光と左回りに回る光との干渉出力であるので、両
回り光の伝搬状態が、それぞれに変動しているとき、こ
の光ファイバジャイロの回転出力には誤差が生じる。上
記構成の光ファイバジャイロにおいて、左右両回り光の
伝搬状態を変動させる要因として最も大きいと思われる
ものは、光ファイバにかかる応力及び光ファイバの密度
の変動による、屈折率の変動である。光ファイバジャイ
ロの回転出力の零点ドリフトを低減するには、この密度
と応力が、光路全体にわたって一様であり、且つ、時間
的に変動しないことが必要である。

【０００８】従来例における光ファイバジャイロは、融
着箇所が保護スリーブで保護されているが、保護スリー
ブにおおわれている部分の光ファイバと、保護スリーブ
を構成する熱収縮チューブおよび金属棒とは、異なった
熱膨張率を持つ。このため、温度が変化すると、光ファ
イバの保護スリーブにおおわれている部分に、熱膨張率
の差異に起因する応力が発生し、光弾性効果により実効
屈折率が変動する。加えて、保護スリーブの膨張率と光
ファイバの被覆の膨張率が異なることから、融着箇所に
おいては、光ファイバの他の部分と異なる応力が働くた
め、光ファイバにかかる応力が、光路全体にわたって一
様でなくなる。

【０００９】また、保護スリーブの温度特性と光ファイ
バの被覆の温度特性が異なることから、環境温度の変動
時には、融着箇所と他の部分との温度に差が生じる。こ
れによって、融着箇所と他の部分との間に密度の差が生
じ、光ファイバの密度が光路全体にわたって一様でなく
なる。

【００１０】このような応力および密度の変動が、そこ
を通過する光の伝搬状態を変化させ、回転出力に零点ド
リフトを生じる。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の光回転検出装置は、光源と、前記光源から
射出した光が所定の光路を経て入射し、少なくとも位相
変調手段を有しサニャック効果を生じるセンシングルー
プ部と、前記センシングループ部から射出した光を所定
光路を経て受光する受光手段とを有し、これら構成要素
間の光学的接続箇所の内少なくとも１カ所は、光ファイ
バ同士の融着による光学的接続箇所であり、前記融着に
よる光学的接続箇所が、ＵＶ硬化樹脂によって覆われて
いる光回転検出装置である。

【００１２】また、以上の構成において、光源から射出
した光を二分岐する第１のカプラと、前記第１のカプラ
により分岐された光の一方が入射する偏光子と、前記偏
光子から射出した光を二分岐する第２のカプラと、セン
シングループ部は、光ファイバを巻回してなる光ファイ
バコイルを有し前記第２のカプラに結合され、受光手段
は、前記センシングループ部を経て前記偏光子を通過し
前記第１のカプラで二分岐された光の一方を受光する光
回転検出装置である。

【００１３】また、第１のカプラ、および第２のカプラ
は光ファイバから形成され、位相変調手段では光ファイ
バが巻回され、ファイバ同士の融着による光学的接続箇
所は、少なくとも前記第１のカプラと前記第２のカプラ
の間、前記第２のカプラの間と位相変調手段との間、前
記位相変調手段と前記光ファイバコイルとの間、および
前記光ファイバコイルと前記第２のカップラとの間に位
置する光回転検出装置である。

【００１４】また、センシングループ部は、偏光解消手
段を有する光回転検出装置である。また、偏光解消手段
は、光ファイバから形成され、ファイバ同士の融着によ
る光学的接続箇所は、更に、前記第２のカプラの間と前
記偏光解消手段との間、前記偏光解消手段と前記光ファ
イバコイルとの間に位置する光回転検出装置である。

【００１５】また、ＵＶ硬化樹脂によって覆われている
前記融着による光学的接続箇所が、スポンジ状材料から
形成されるカバー部材で保持されている光回転検出装
置。

【００１６】

【作用】本発明は、融着箇所に強度を持たせる手段とし
て、保護スリーブの代わりにＵＶ硬化樹脂を採用するも
のである。ＵＶ硬化樹脂と保護スリーブに使用されてい
る金属棒とは、異なる膨張率と温度特性を持つ。ＵＶ硬
化樹脂は、保護スリーブに使用されている金属棒に比
べ、膨張率が低く、この膨張率は光ファイバの膨張率に
非常に近い。これにより、融着部を保護スリーブで被覆
した場合に比べ、環境温度の変動による、光ファイバの
融着部にかかる応力の変動が低減される。加えて、融着
部以外の他の部分が、ＵＶ硬化樹脂で被覆されているこ
とから、膨張率の異なる保護スリーブをで被覆した場合
に比べ、光路全体にわたって、光ファイバにかかる応力
が一様となる。

【００１７】また、融着部以外の他の部分が、ＵＶ硬化
樹脂で被覆されていることから、温度特性の異なる保護
スリーブで被覆した場合に比べ、光路全体にわたって、
光ファイバの密度が一様となる。

【００１８】このように、光ファイバにかかる応力及び
光ファイバの密度が一様となり、また、その変化が小さ
くなることにより、そこを通過する光の伝搬状態の変動
が低減され、これによって、光ファイバジャイロの回転
出力の零点ドリフトが低減される。

【００１９】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例の詳細を
説明する。

【００２０】（実施例１）図１は本発明の一実施例にお
ける光回転検出装置の模式図を示す。

【００２１】図１において、１はスーパールミネッセン
トダイオードからなる光源であり、２は、光源１からの
光を二分岐するカプラであり、４は光の偏光方向を規定
するための偏光子（例えば積層型偏光子や光ファイバか
ら形成される偏光子）で、５は偏光子４により偏光され
た光を二分岐するためのカプラである。上記カプラ２、
５としては、安価で信頼性が高いシングルモード光ファ
イバを用いたファイバ型カプラを用いた。

【００２２】６は、ボビンに光ファイバを巻回して構成
した光ファイバコイルであり、サニャック効果による位
相差を得るためのものである。７は例えば圧電振動子に
光ファイバを巻回して形成した位相変調器である。

【００２３】８は、偏光解消手段であり、伝搬光を強制
的に無偏光化して、偏光状態の変動による不要干渉雑音
成分を取り除くことを目的として挿入されている。この
偏光解消手段としては、偏波面保存光ファイバの主軸角
を約４５度傾斜させ融着させたＬＹＯＴ（リョー）型の
ファイバタイプのデポラライザを用いたが、光学的異方
性を持つ結晶板などを、主軸が約４５度ずれるように組
み合わせたものでもかまわない。この偏光解消手段の挿
入位置はセンシングループ内、すなわち、カプラ５によ
り分岐され、光路１０５あるいは光路１０７に入力され
た光が再びカプラ５に入力するまでに通過する光路中で
あればどこに取ってもかまわない。なお、光路の大部
分、または、全部が、偏波面保存ファイバで構成された
光ファイバジャイロにおいては、この偏光解消手段は必
要ないため、偏光解消手段８はなくても良い。

【００２４】また、３は伝搬された光を電気信号に変換
するフォトダイオードである。本実施例において、光路
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１
０７、１０８、光ファイバコイル部分の光路、および、
位相変調器部分の光路は、全てシングルモード光ファイ
バで構成されているが、このうちいくつか、または全て
を偏波面保存光ファイバにかえてもかまわない。ファイ
バコイル６を含む全てを偏波面保存ファイバで構成し、
偏光解消手段８を省略する構成もとれる。

【００２５】次に図１に基づき、本光回転検出装置の動
作を説明する。光源１より出力された光出力は、光路１
０１を通り、カプラ２に入力される。カプラ２により、
二分岐された光は、偏光状態を１方向のみに規定する偏
光子４、光路１０４を通過後、カプラ５に入力される。
カプラ５に入力された光は、光路１０５、１０７にそれ
ぞれ均等に２分岐される。光路１０５への入力光は、偏
光解消手段８により無偏光化され、光路１０８を経て、
光ファイバコイル６を右回りに進行後、光路１０６、位
相変調器７、光路１０７をこの順に通過し、カプラ５に
逆方向で入力される。

【００２６】ここで、位相変調器７は光ファイバコイル
の内で発生するサニャック位相の検出感度を高めるため
に、通過する光に予め設定された光学的位相を付加する
役割を担うものである。

【００２７】また、前記カプラ５において二分岐され、
光路１０７に入力された光は、上述の光波と全く逆方向
に進行する。つまり、光路１０７、位相変調器７、光路
１０６をこの順序に通過した光は光ファイバコイル６内
を左回りに伝搬後、光路１０８を通過し、偏光解消手段
８により無偏光化され、光路１０５を通過して、カプラ
５に入力される。

【００２８】つまり、カプラ５で、互いに逆方向に二分
岐された光波は、光ファイバコイル６を伝搬後、再度カ
プラ５で結合される。結合された光は光路１０４を通過
後、偏光子４、光路１０２、カプラ２を逆方向に伝搬し
て、光路１０３により、フォトダイオード３に入力され
電気信号に変換される。

【００２９】上記の光ファイバジャイロにおいて、融着
箇所は、カプラ２と偏光子４の間、偏光子４とカプラ５
の間、カプラ５と光ファイバコイル６の間、光ファイバ
コイル６と位相変調器７の間、位相変調器７とカプラ５
の間、カップラ５と偏光解消手段８との間、および偏光
解消手段８と光ファイバ６との間、以上７箇所である。

【００３０】この融着箇所は、光源から位相変調器まで
を融着箇所がない一本の光ファイバで構成し、その後カ
プラ化するなどの方法で、減らすことが出来るが、工程
を考慮し、融着箇所を残す方法を取っている。そして、
この融着箇所付近は、被覆がはがれているため折れ易
く、何らかの方法で強度をもたせなければならない。

【００３１】従来例においては、融着箇所は、保護スリ
ーブにより補強されているが、本実施例において、融着
箇所は、ＵＶ硬化樹脂で固められている。

【００３２】光ファイバジャイロにおいて、測定する出
力信号は光ファイバコイルを右回りに回る光と左回りに
回る光との干渉出力であるので、両回り光の伝搬状態
が、それぞれ変動しているとき、この光ファイバジャイ
ロの回転出力には誤差が生じる。上記構成の光ファイバ
ジャイロにおいて、左右両回り光の伝搬状態を変動させ
る要因として最も大きいと思われるものは、光ファイバ
にかかる応力及び光ファイバの密度の変動による、屈折
率の変動である。光ファイバジャイロの回転出力の零点
ドリフトを低減するには、この密度と応力が、光路全体
にわたって一様であり、且つ、時間的に変動しないこと
が必要である。

【００３３】従来例においては、融着箇所は保護スリー
ブで保護されているが、保護スリーブにおおわれている
部分の光ファイバと、保護スリーブを構成する熱収縮チ
ューブおよび金属棒とは、異なった熱膨張率を持つ。こ
のため、温度が変化すると保護スリーブにおおわれてい
る部分の光ファイバに、熱膨張率の差異に起因する応力
が発生し、光弾性効果により実効屈折率が変動する。加
えて、保護スリーブの膨張率と光ファイバの被覆の膨張
率が異なることから、融着箇所においては、光ファイバ
の他の部分と異なる応力が働くため、応力が、光路全体
にわたって一様でなくなる。

【００３４】また、保護スリーブの温度特性と光ファイ
バの被覆の温度特性が異なることから、環境温度の変動
時には、融着箇所と他の部分との温度に差が生じる。こ
れによって、融着箇所と他の部分との間に密度の差が生
じ、密度が、光路全体にわたって一様でなくなる。

【００３５】このような光ファイバの応力及び密度の不
均一性及び時間的変動を抑制し、零点ドリフトを低減す
るため、本実施例において、融着箇所は、ＵＶ硬化樹脂
で固められている。

【００３６】ＵＶ硬化樹脂は、保護スリーブに使用され
ている金属棒に比べ、膨張率が低く、この膨張率は光フ
ァイバの膨張率に非常に近い。これにより、融着部を保
護スリーブで被覆した場合に比べ、環境温度の変動によ
る、光ファイバの融着部にかかる応力の変動が低減され
る。加えて、もともと光ファイバがＵＶ硬化樹脂で被覆
されていることから、ＵＶ硬化樹脂と膨張率の異なる保
護スリーブで被覆した場合に比べ、光路全体にわたっ
て、光ファイバにかかる応力が一様となる。また、同じ
理由から、ＵＶ硬化樹脂と温度特性の異なる保護スリー
ブで被覆した場合に比べ、光路全体にわたって、光ファ
イバの密度が一様となる。

【００３７】位相変調器及び光ファイバコイルを構成し
ない部分の光ファイバの固定については、従来例におい
ては、固定点に余分な応力が加わるのを防ぐため、硬い
金属棒に固定された融着箇所及びカプラをもって、固定
点としているが、本実施例の構成において、この保護ス
リーブは使用されていない。このため、本実施例におい
ては、図２（ａ）のようにホルダ１１を用いて保持して
スポンジ状材料から成るカバー部材１０を融着箇所に上
下から軽く当て、ホルダ１１をケース等に適当な締結手
段で締結することにより光ファイバの固定を行ってい
る。スポンジ状材料は、微小な力で容易に変形するもの
であれば、他の可撓性部材でもかまわない。また、上下
から軽く当てる構成だけでなく、左右から挟み込むまた
は、予め切れ目をいれておきそこに挟み込む等の方式で
もかまわない。特に、スポンジは温度特性が環境である
空気に近く、しかも、光ファイバにかかる力は光ファイ
バとスポンジとの摩擦力だけであるので、温度により、
スポンジ及び光ファイバの体積がそれぞれ変動しても、
その相互作用はほとんどない。このため、環境温度の変
動による光ファイバの密度及び応力の変動が生じない。

【００３８】また、保護スリーブは部分は、曲げること
が出来ないため、保護スリーブの長さだけ、光路に直線
部分を作らなくてはならず実装の自由度が狭まるという
欠点も、図２（ｂ）のような構成がとれることから解消
される。

【００３９】このように、光ファイバにかかる応力及び
光ファイバの密度を、一様とし、かつ、その変化を小さ
くすることにより、そこを通過する光の伝搬状態の変動
が低減され、左右両回り光の干渉強度の変動、すなわ
ち、光ファイバジャイロの回転出力の零点ドリフトが低
減される。

【００４０】上記の構成における、静止状態での回転出
力、すなわち零点ドリフトは、従来例の構成における零
点ドリフトの大きさに対し、１３％に低減された。ま
た、本実施例の構成すなわち偏光解消装置を挿入した構
成において、従来例における融着箇所の補強及び固定法
を採用したときの零点ドリフトと比較しても、２５％に
低減された。

【００４１】

【発明の効果】以上要するに、本発明は、被覆のはがれ
た融着箇所に強度を持たせる手段として、保護スリーブ
の代わりに、光ファイバの被覆であるＵＶ硬化樹脂を採
用するものである。これにより、環境温度の変動によ
る、光ファイバの融着部にかかる応力の変動が低減さ
れ、光ファイバにかかる応力及び密度が光路全体にわた
って一様となる。これによって、センシングループを左
回りに回る光と右回りに回る光の伝搬状態の変動が低減
され、光ファイバジャイロの回転出力に零点ドリフトが
低減される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における光回転検出装置の模式
図

【図２】（ａ）本発明の実施例における融着箇所の固定
法を示す図 （ｂ）本発明の実施例における光ファイバの融着箇所を
曲げた固定法を示す図

【図３】従来例における光回転検出装置の模式図

【符号の説明】

１ 光源 ２ カプラ ３ フォトダイオード ４ 偏光子 ５ カプラ ６ 光ファイバコイル ７ 位相変調器 ８ 偏光解消手段 ９ 光ファイバ １０ カバー部材 １１ ホルダ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 本庄谷 義彦 神奈川県横浜市港北区綱島東四丁目３番１ 号 松下通信工業株式会社内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、前記光源から射出した光が所定
   の光路を経て入射し、サニャック効果を生じるセンシン
   グループ部と、前記センシングループ部から射出した光
   を所定光路を経て受光する受光手段とを有し、これら構
   成要素間の光学的接続箇所の内少なくとも１カ所は、光
   ファイバ同士の融着による光学的接続箇所であり、前記
   融着による光学的接続箇所が、ＵＶ硬化樹脂によって覆
   われている光回転検出装置。
2. 【請求項２】 光源から射出した光を二分岐する第１の
   カプラと、前記第１のカプラにより分岐された光の一方
   が入射する偏光子と、前記偏光子から射出した光を二分
   岐する第２のカプラとを有し、センシングループ部は、
   位相変調手段と光ファイバを巻回してなる光ファイバコ
   イルを有し前記第２のカプラに結合され、受光手段は、
   前記センシングループ部を経て前記偏光子を通過し前記
   第１のカプラで二分岐された光の一方を受光する請求項
   １記載の光回転検出装置。
3. 【請求項３】 第１のカプラ、および第２のカプラは光
   ファイバから形成され、位相変調手段は、圧電振動子に
   光ファイバが巻回されて形成され、ファイバ同士の融着
   による光学的接続箇所は、前記第１のカプラ前記第２の
   カプラの間、前記第２のカプラの間と位相変調手段との
   間、前記位相変調手段と前記光ファイバコイルとの間、
   および前記光ファイバコイルと前記第２のカップラとの
   間に位置する請求項１または２記載の光回転検出装置。
4. 【請求項４】 偏光子は光ファイバに埋め込まれるか、
   または偏波面保存ファイバを巻回したものであって、フ
   ァイバ同士の光学的接続箇所は更に、第１のカプラと前
   記偏光子の間、および前記偏光子と第２のカプラの間で
   ある請求項３記載の光回転検出装置。
5. 【請求項５】 センシングループ部は、偏光解消手段を
   有する請求項１乃至４記載の記載の光回転検出装置。
6. 【請求項６】 偏光解消手段は、光ファイバから形成さ
   れ、ファイバ同士の融着による光学的接続箇所は、更
   に、前記第２のカプラの間と前記偏光解消手段との間、
   前記偏光解消手段と前記光ファイバコイルとの間に位置
   する請求項５記載の光回転検出装置。
7. 【請求項７】 偏光解消手段は２本以上の光ファイバか
   ら形成され、ファイバ同士の光学的融着箇所は、更に、
   前記偏光解消手段を形成する光ファイバ間である請求項
   ６記載の光回転検出装置。
8. 【請求項８】 ＵＶ硬化樹脂によって覆われている前記
   融着による光学的接続箇所が、スポンジ状材料から形成
   されるカバー部材で保持されている請求項１乃至７記載
   の光回転検出装置。