JPH06294656A - 干渉型光ファイバジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】低電圧化、低消費電力化の干渉型光ファイバジ
ャイロとする。 【構成】光源１と、光ファイバセンシングループ１１
と、光源１からの光を右回り光と左回り光とに分配し両
者をセンシングループ１１に伝播させる光導波路と、セ
ンシングループ１１を伝播した左右両回り光の干渉光を
検出する受光素子１２と、センシングループ１１の両端
側に夫々配されて左右両回り光に位相変化を生じさせる
第１位相変調器２２と第２位相変調器２３と、受光素子
１２からの出力から所定の駆動周波数で検波する同期検
波器１３と、同期検波器１３からの出力により半波長電
圧鋸歯状波フィードバック信号を出力するフィードバッ
ク信号発振器１６と、前記フィードバック信号とその極
性が反転されたフィードバック信号によって第１位相変
調器と第２位相変調器とを夫々駆動して、同期検波器１
３からの出力を０になるようにし、フィードバック信号
の周波数を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は運動体、例えば航空機、
船舶、自動車等の回転角速度等を測定する干渉型光ファ
イバジャイロに関し、特に、クローズドループ干渉型光
ファイバジャイロにおける低電圧化を実現する干渉型光
ファイバジャイロに関する。

【０００２】

【従来の技術】干渉型光ファイバジャイロは、長尺の光
ファイバセンシングループ内を伝播する右回りと左回り
の伝播光の位相差から回転角速度を求めるもので、その
中でも特にクローズドループであるセロダイン方式の開
発が進められている。このような従来のクローズドルー
プ干渉型光ファイバジャイロのブロック図を図５に示
す。図５に示すように、レーザのような可干渉性光を出
力する光源１からの光が、方向性結合器２によって２分
割されて、一方の光が導波路形位相変調器３に入射され
る。

【０００３】導波路形位相変調器３は、例えば電気光学
効果を有するニオブ酸リチウムにチタンを熱拡散し、所
望の光導波路を形成したもので、詳細には、光導波路
４、偏光子５、光導波路７と光導波路８に分岐するＹ分
岐光導波路６、光導波路７に設けられたフィードバック
用電極９及び光導波路８に設けられた正弦波位相変調用
電極１０から構成される。

【０００４】方向性結合器２から入射された光は光導波
路４に結合されて、偏光子５によって直線偏光となり、
この直線偏光は、Ｙ分岐光導波路６で２分割されて、右
回り光と左回り光とになる。右回り光は、光導波路７を
通り、フィードバック用電極９に印加されたフィードバ
ック信号１７により位相変調され、光ファイバを複数回
巻回して形成してなるセンシングループ１１に入射して
右回りに伝播し、センシングループ１１から出射後、光
導波路８を通って正弦波位相変調用電極１０に印加され
た正弦波位相変調信号１５により位相変調されて、再び
Ｙ分岐光導波路６に到る。一方、左回り光は、右回り光
と反対に、光導波路８を通って正弦波位相変調用電極１
０に印加された正弦波位相変調信号１５により位相変調
されて、センシングループ１１を左回りに伝播し、出射
後、光導波路７を通ってフィードバック用電極９に印加
されたフィードバック信号１７により位相変調されて、
再びＹ分岐導波路６に到る。

【０００５】Ｙ分岐導波路６で右回り光と左回り光は合
成され、偏光子５、光導波路４を経て、方向性結合器２
から受光素子１２でその出力が電圧として出力される。
受光素子１２からの信号を、同期検波器１３において信
号発振器１４からの正弦波位相変調信号１５と同一の変
調周波数で検波し、その同期検波器１３からの信号がフ
ィードバック信号としてフィードバック信号発振器１６
に供給されて、そのフィードバック信号発振器１６で同
期検波器１３からの信号が０になるようにフィードバッ
ク用電極９の位相変調を制御する。

【０００６】この構成に於て、センシングループ１１の
軸回りに角速度Ωがかかると、センシングループ１１を
互いに逆方向に進む光にサニャック効果が生じ、右回り
光と左回り光の出射光間に角速度Ωに比例した位相差が
生じる。この位相差Δφは、

【０００７】

【数１】

【０００８】で表される。ここで、Ｒはセンシングルー
プ１１の半径，Ｌはセンシングループ１１の長さ、λは
光源１から出る光の波長、Ｃは光速を示す。さらに、信
号発振器１４からの信号で正弦波位相変調用電極１０が
駆動され互いに逆方向に進む光に位相変調が加えられ
る。この正弦波位相変調用電極１０に印加する信号、つ
まり、信号発振器１４からの信号の角周波数をωとする
と、受光素子１２の出力Ｉは、

【０００９】

【数２】 Ｉ＝Ｃ｛１＋cos Δφ〔Ｊ₀ （ｚ）−２Ｊ₂ （ｚ）cos ２ω（ｔ−τ／２） ＋…〕 −sin Δφ〔２Ｊ₁ （ｚ）sin ω（ｔ−τ／２） −２Ｊ₃ sin ３ω（ｔ−τ／２）＋…〕｝ （２） となる。ここで、ｚは位相変調度、τはセンシングルー
プ１１を光が一周するのに要する時間である。また、Ｊ
_n はｎ次のベッセル関数、Ｃは比例定数、ｔは時間であ
る。

【００１０】（２）式のsin Δφに比例する成分の内、
角周波数ωと同一成分を、同期検波器１３で、信号発振
器１４からの角周波数ωの信号を基準として同期検波す
る。この成分を式に表すと、

【００１１】

【数３】 Ｉ＝Ｃsin Δφ・２Ｊ₁ （ｚ） （３） となり、角速度Ωに依存した出力が得られる。このよう
にして、低角速度入力時の感度向上を図っている。しか
しながら、（３）式において入力角速度Ωが大きくなり
Δφがπ／２に近づくと、感度が悪くなりダイナミック
レンジが制限される。従って、さらに広いダイナミック
レンジ拡大策として鋸歯状波（セロダイン波）をフィー
ドバック信号１７としてフィードバック信号発振器１６
からフィードバック用電極９へと出力している。このた
め、フィードバック信号発振器１６は、例えば、同期検
波器１３からの信号を二重積分する積分器と、基準信号
を発生する基準器と、この基準信号と積分器の出力を比
較し、リセット信号を発生することにより積分器の出力
を鋸歯状波（セロダイン波）とするリセット回路を備え
ている。

【００１２】フィードバック用電極９は、センシングル
ープ１１の一端に近接して設けられているので、図６
（Ａ）に示すように左右回りの光は異なるタイミングで
位相が変化する（図６（Ａ）において実線は左回り光、
一点鎖線は右回り光の位相を示す。）。この結果、受光
素子１２上での両左右回り光の位相差φ_s は図６（Ｂ）
のようになり、セロダイン波の振幅を２πに制御してお
けば位相差φ_s は、

【００１３】

【数４】 φ_s ＝φ（ｔ−τ）−φ（ｔ）＝−２πτ／Ｔ_s （４） となる。ここでＴ_s はセロダイン波の周期である。

【００１４】受光素子１２の干渉出力が０となるよう
に、即ち、

【００１５】

【数５】 ｓｉｎ（Δφ＋φ_s ）＝０ ∴ Δφ＝−φ_s （５） となるようにフィードバック信号発振器１６でセロダイ
ン波の周期を制御する。従って、以上の（１）、
（４）、（５）式から角速度Ωは、

【００１６】

【数６】

【００１７】で表せる。ここで、ｆ_s は、

【００１８】

【数７】 ｆ_s ＝１／Ｔ_s （７） である。フィードバック信号であるセロダイン波の周波
数ｆ_s を周波数測定器１８で数えることにより回転角速
度を検出することができる。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な従来の干渉型光ファイバジャイロにおいて、図６
（Ａ）において示した２πの振幅に相当するセロダイン
波を使用するため、導波路形位相変調器３のフィードバ
ック用電極９の構造によって決定される全波長電圧Ｖ
（２π）が必要になる。例えば、位相２π変化させるた
めにフィードバック用電極９に必要な全波長電圧Ｖ（２
π）が１０Ｖであるとすると、フィードバック用電極９
に印加するためにフィードバック信号発振器１６からピ
ーク値が１０Ｖのセロダイン波を必ず出力しなければな
らず、従って、低電圧化することができないという問題
があった。

【００２０】本発明は、かかる問題点に鑑み、低電圧
化、低消費電力化を図ることができる干渉型光ファイバ
ジャイロを提供することを目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載した発明では、光源と、光ファイバ
センシングループと、前記光源からの光を第１の伝播光
と第２の伝播光とに分配し両者を前記センシングループ
にそれぞれ互いに逆方向に伝播させる光分配手段と、前
記センシングループを伝播した第１の伝播光と第２の伝
播光とを同一の導波路に導いた後にそれらの干渉光を検
出してその光強度を電気信号に変換する受光器と、セン
シングループの両端側に夫々配されて前記第１の伝播光
と第２の伝播光に位相変化を生じさせる第１位相変調器
と第２位相変調器と、前記受光器からの出力から所定の
駆動周波数で検波する同期検波器と、前記所定の駆動周
波数の信号を出力する信号発振器と、前記同期検波器か
らの出力により該出力を０にするような半波長電圧鋸歯
状波フィードバック信号を出力するフィードバック信号
発振器と、前記フィードバック信号とその極性が反転さ
れたフィードバック信号によって第１位相変調器と第２
位相変調器とを夫々駆動する手段と、前記フィードバッ
ク信号の周波数を測定する手段を備える。

【００２２】また、請求項２に記載した発明では、光源
と、光ファイバセンシングループと、前記光源からの光
を第１の伝播光と第２の伝播光とに分配し両者を前記セ
ンシングループにそれぞれ互いに逆方向に伝播させる光
分配手段と、前記センシングループを伝播した第１の伝
播光と第２の伝播光とを同一の導波路に導いた後にそれ
らの干渉光を検出してその光強度を電気信号に変換する
受光器と、センシングループの両端側に夫々配されて前
記第１の伝播光と第２の伝播光に位相変化を生じさせる
第１位相変調器と第２位相変調器と、前記受光器からの
出力から所定の駆動周波数で検波する同期検波器と、前
記所定の駆動周波数の信号を出力する信号発振器と、前
記同期検波器からの出力により該出力を０にするような
半波長電圧鋸歯状波フィードバック信号を出力するフィ
ードバック信号発振器と、前記同期検波器からの出力に
より該出力を０にするようなフィードバック信号を出力
するフィードバック信号発振器と、前記第１位相変調器
と第２位相変調器が逆動作特性を持つように構成すると
共に、前記フィードバック信号によって前記第１位相変
調器と前記第２位相変調器を駆動し、そのときのフィー
ドバック信号の周波数を測定する。

【００２３】

【作用】請求項１に記載した発明では、第１位相変調器
と第２位相変調器を、逆極性を持つフィードバック信号
で夫々駆動することによって、右回り光と左回り光は夫
々センシングループの両端を通るときに逆の位相変調を
受ける。この右回り光と左回り光を合成することによっ
てできる干渉光の位相差は、夫々の位相変調器による位
相変調によって生じる位相差の２倍となるため、フィー
ドバック信号の振幅は、従来の１／２の電圧、即ち半波
長電圧鋸歯状波ですむことになり、従って低電圧化、低
消費電力化を図ることができる。

【００２４】また、請求項２に記載した発明では、それ
ぞれ動作特性が逆の第１位相変調器と第２位相変調器
を、同じフィードバック信号で夫々駆動することによっ
て、右回り光と左回り光は夫々センシングループの両端
を通るときに逆の位相変調を受ける。この右回り光と左
回り光を合成することによってできる干渉光の位相差
は、夫々の位相変調器による位相変調に生じる位相差の
２倍となるため、フィードバック信号の振幅は、従来の
１／２の電圧、即ち半波長電圧鋸歯状波ですむことにな
り、従って低電圧化、低消費電力化を図ることができ
る。

【００２５】

【実施例】図１は本発明に係る干渉型光ファイバジャイ
ロの第１の実施例を示すブロック図である。図において
従来例と同一のものは同一符号を付し詳細説明を省略す
る。本実施例では、従来例に加えて信号発振器１４から
の正弦波位相変調信号１５とフィードバック信号発振器
１６からのフィードバック信号１７を加算する加算器２
１が設けられる。さらに加算器２１からの出力は、導波
路形位相変調器３に設けられたセンシングループ１１の
一端側に設けられた第１位相変調器である第１位相変調
用電極２２に印加される。また、フィードバック信号発
振器１６からのフィードバック信号１７は加算器２１と
同時に、導波路形位相変調器３に設けられたセンシング
ループ１１の他端側に設けられた第２位相変調器である
第２位相変調用電極２３に印加される。

【００２６】加算器２１では、正弦波位相変調信号１５
とフィードバック信号１７が入力され、フィードバック
信号１７は、その極性が反転されて、正弦波位相変調信
号１５との加算がなされ、位相変調信号２４として出力
される。このフィードバック信号１７及び位相変調信号
２４のフィードバック成分のみの信号の時間変化を図２
に示す。図２からわかるように、フィードバック信号１
７、２４は、夫々極性が反転された半波長電圧Ｖ（π）
をピークとする鋸歯状波となっている。

【００２７】図２に示したフィードバック信号１７，２
４が印加されたときの両左右回りの光の位相を図３に示
す。尚、図３（Ａ）は右回り光を示し、図３（Ｂ）は左
回り光を示し、また、実線はセンシングループ１１に入
射する前にかけられた位相変調を示し、一点鎖線はセン
シングループ１１を１周した後にかけられた位相変調を
示す。図から明らかなように、右回りの位相変調は、

【００２８】

【数８】 πｔ／Ｔ_s ＋〔−π（ｔ＋τ）／Ｔ_s 〕＝−πτ／Ｔ_s （８） であり、左回りの位相変調は、

【００２９】

【数９】 −πｔ／Ｔ_s ＋π（ｔ＋τ）／Ｔ_s ＝＋πτ／Ｔ_s （９） であり、従って干渉光の位相差は、２πτ／Ｔ_s となる
ので、前述の（４）式における全波長電圧印加時と同様
の位相変調を受けたものと同等になり、同一の作用、効
果が得られる。

【００３０】このように、本実施例では、１つの位相変
調用電極に印加する電圧が、位相πを変化するのに必要
な半波長電圧Ｖ（π）ですむため、フィードバック信号
発振器１６から出力されるセロダイン波のピーク値が、
従来の半分の電圧ですみ、低電圧化、低消費電力化を図
ることができる。尚、本実施例では、加算器２１でフィ
ードバック信号１７の極性を反転し、正弦波位相変調信
号１５との加算がなされたが、この構成に限られるもの
ではない。他の例として、フィードバック信号１７と正
弦波位相変調信号１５との加算を行う加算器を上記加算
器２１の代わりに配置すると共に、フィードバック信号
発振器１６と第２位相変調器との間に、反転器を配置し
て第２位相変調器を極性が反転されたフィードバック信
号で駆動する構成とすることによって、図１と同様の作
用、効果をさせることができる。

【００３１】次に、本発明の第２実施例のブロック図を
図４に示す。本実施例では、信号発振器１４からの正弦
波位相変調信号１５とフィードバック信号発振器１６か
らのフィードバック信号１７を加算する加算器２１’が
設けられ、加算器２１’からの出力は、導波路形位相変
調器３に設けられたセンシングループ１１の両端側に夫
々設けられた第１位相変調器である第１位相変調用電極
２２’と第２位相変調器である第２位相変調用電極２
３’に印加される。また、フィードバック信号発振器１
６から出力される電圧は、半波長電圧Ｖ（π）をピーク
とする鋸歯状波となっている。

【００３２】第１位相変調器２２’と第２位相変調器２
３’は、図１と比較して、加算器２１’からの信号ライ
ンと接続される電極が逆になるようにして、夫々の位相
変調器２２’，２３’が逆動作特性を持つように構成し
ている。このような構成において、同一のフィードバッ
ク信号１７と正弦波位相変調信号１５が加算されて、加
算器２１から出力されると、同じ信号２５が第１位相変
調用電極２２’と第２位相変調用電極２３’に入力され
るが、それぞれの動作特性が逆になっているため、右回
り光と左回り光に作用する位相変調は、図３のようにな
り第１実施例と同様に作用させることができる。

【００３３】尚、上記各実施例では、加算器２１，２
１’を用いて、正弦波位相変調信号とフィードバック信
号の加算（減算）を行っているが、加算器を用いずに正
弦波位相変調用電極をさらに別に導波路形位相変調器３
に形成して、正弦波位相変調とセロダイン変調を独立に
行う構成とすることも可能である。このように、上記実
施例によれば、フィードバック用電極として作用する位
相変調用電極に位相πだけ変化させるのに必要な電圧を
印加すればよいので、従来に比べ半分の電圧を印加すれ
ばよく、低電圧化、低消費電力化が実現できる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の発
明によれば、センシングループの両端側に夫々配されて
前記第１の伝播光と第２の伝播光に位相変化を生じさせ
る第１位相変調器と第２位相変調器と、受光器からの出
力から所定の駆動周波数で検波する同期検波器と、前記
所定の駆動周波数の信号を出力する信号発振器と、前記
同期検波器からの出力により該出力を０にするような半
波長電圧鋸歯状波フィードバック信号を出力するフィー
ドバック信号発振器と、前記フィードバック信号発振器
からのフィードバック信号とその極性が反転されたフィ
ードバック信号によって第１位相変調器と第２位相変調
器とを夫々駆動する手段とを備え、フィードバック信号
の周波数を測定することとしたので、低電圧化、低消費
電力化を図ることができる。

【００３５】また、請求項２記載の発明によれば、第１
位相変調器と第２位相変調器が逆動作特性を持つように
構成すると共に、前記加算器からの出力によって前記第
１位相変調器と前記第２位相変調器を駆動し、そのとき
のフィードバック信号の周波数を測定することとしたの
で、低電圧化、低消費電力化を図ることができる。

【００３６】

【図面の簡単な説明】

【００３７】

【図１】本発明の第１実施例を示すブロック図である。

【００３８】

【図２】（Ａ）は図１のフィードバック信号１７の時間
変化を示す図であり、（Ｂ）は図１のフィードバック信
号２４の時間変化を示す図である。

【００３９】

【図３】図２によるフィードバック信号が印加されたと
きの、図３（Ａ）は右回り光の位相を示し、図３（Ｂ）
は左回り光の位相を示す。

【００４０】

【図４】本発明の第２実施例を示すブロック図である。

【００４１】

【図５】従来の干渉型光ファイバジャイロのブロック図
である。

【００４２】

【図６】（Ａ）は従来の干渉型光ファイバジャイロの位
相を示し、（Ｂ）は位相差を示す。

【００４３】

【符号の説明】

１ 光源 ２ 方向性結合器 ３ 導波路形位相変調器 ４ 光導波路 ５ 偏光子 ６ Ｙ分岐光導波路 ７，８ 光導波路 １１ センシングループ １２ 受光素子 １３ 同期検波器 １４ 信号発振器 １５ 正弦波位相変調信号 １６ フィードバック信号発振器 １７ フィードバック信号 １８ 周波数測定器 ２０ ジャイロ出力信号 ２１，２１’ 加算器 ２２，２２’ 第１位相変調器 ２３，２３’ 第２位相変調器

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成５年４月１５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３６

【補正方法】削除

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３７

【補正方法】削除

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３８

【補正方法】削除

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３９

【補正方法】削除

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４０

【補正方法】削除

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４１

【補正方法】削除

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４２

【補正方法】削除

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４３

【補正方法】削除

【手続補正９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】追加

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示すブロック図である。

【図２】（Ａ）は図１のフィードバック信号１７の時間
変化を示す図であり、（Ｂ）は図１のフィードバック信
号２４の時間変化を示す図である。

【図３】図２によるフィードバック信号が印加されたと
きの、図３（Ａ）は右回り光の位相を示し、図３（Ｂ）
は左回り光の位相を示す。

【図４】本発明の第２実施例を示すブロック図である。

【図５】従来の干渉型光ファイバジャイロのブロック図
である。

【図６】（Ａ）は従来の干渉型光ファイバジャイロの位
相を示し、（Ｂ）は位相差を示す。

【符号の説明】 １ 光源 ２ 方向性結合器 ３ 導波路形位相変調器 ４ 光導波路 ５ 偏光子 ６ Ｙ分岐光導波路 ７，８ 光導波路 １１ センシングループ １２ 受光素子 １３ 同期検波器 １４ 信号発振器 １５ 正弦波位相変調信号 １６ フィードバック信号発振器 １７ フィードバック信号 １８ 周波数測定器 ２０ ジャイロ出力信号 ２１，２１’ 加算器 ２２，２２’ 第１位相変調器 ２３，２３’ 第２位相変調器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 室井 利幸 東京都大田区南蒲田２丁目16番46号 株式 会社トキメック内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、光ファイバセンシングループ
   と、 前記光源からの光を第１の伝播光と第２の伝播光とに分
   配し両者を前記センシングループにそれぞれ互いに逆方
   向に伝播させる光分配手段と、 前記センシングループを伝播した第１の伝播光と第２の
   伝播光とを同一の導波路に導いた後にそれらの干渉光を
   検出してその光強度を電気信号に変換する受光器と、 センシングループの両端側に夫々配されて前記第１の伝
   播光と第２の伝播光に位相変化を生じさせる第１位相変
   調器と第２位相変調器と、 前記受光器からの出力から所定の駆動周波数で検波する
   同期検波器と、 前記所定の駆動周波数で信号を出力する信号発振器と、 前記同期検波器からの出力により該出力を０にするよう
   な半波長電圧鋸歯状波フィードバック信号を出力するフ
   ィードバック信号発振器と、 前記フィードバック信号とその極性が反転されたフィー
   ドバック信号によって第１位相変調器と第２位相変調器
   とを夫々駆動する手段と、 前記フィードバック信号の周波数を測定する手段と、を
   備えることを特徴とする干渉型光ファイバジャイロ。
2. 【請求項２】 光源と、光ファイバセンシングループ
   と、 前記光源からの光を第１の伝播光と第２の伝播光とに分
   配し両者を前記センシングループにそれぞれ互いに逆方
   向に伝播させる光分配手段と、 前記センシングループを伝播した第１の伝播光と第２の
   伝播光とを同一の導波路に導いた後にそれらの干渉光を
   検出してその光強度を電気信号に変換する受光器と、 センシングループの両端側に夫々配されて前記第１の伝
   播光と第２の伝播光に位相変化を生じさせる第１位相変
   調器と第２位相変調器と、 前記受光器からの出力から所定の駆動周波数で検波する
   同期検波器と、 前記所定の駆動周波数の信号を出力する信号発振器と、 前記同期検波器からの出力により該出力を０にするよう
   な半波長電圧鋸歯状波フィードバック信号を出力するフ
   ィードバック信号発振器と、 前記第１位相変調器と第２位相変調器が逆動作特性を持
   つように構成すると共に、前記フィードバック信号によ
   って前記第１位相変調器と前記第２位相変調器を駆動
   し、そのときのフィードバック信号の周波数を測定する
   ことを特徴とする干渉型光ファイバジャイロ。