JPS59126912A - 光フアイバジヤイロ - 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】 （７）　　技　　術　　分　　野 本発明は、物体の回転速度、回転変位を精度良く測定す
るための光フアイバジャイロに関する。

低回転速度であっても検出感度が良く、回転方向を判別
でき、しかも、雑音の影響を受けることが少い。

（イ）　　従　　来　　技　　術 第３図に光フアイバジャイロの原理図を示す。

発光素子１から出た光は、ビームスプリッタ２て、透過
光と反射光に分けられ、それぞれ、レンズ３．４によっ
て絞られ、シングルモード光ファイバループ５の両端に
入射する。

光フアイバループ５は、光ファイン（を多数回コイ−ル
状に巻回したものである。それぞれの光は、光フアイバ
ループ５の中を、時計廻り（ＣＷ　）　４こ、或は反時
計廻り（ＣＣＶｄ　）に透過する。

透過した光は、光フアイバループｂの他端から出射し、
レンズ４．３を通って、平行光となり、ビームスプリッ
タ２で再び合一し、受光素子６に入射する。

光フアイバループ５が角速度Ωで回転すると、時計廻り
光と反時計廻り光の伝搬時間に差が生じ、その結果、位
相差△θが現われる。時計廻り、反時計廻り光の位相差
△θは、 Ｃλ で与えられる。Ｌは光フアイバループの長さ、ａは光フ
アイバループの半径、Ｃは光速、λは光の波長である。

発光素子１はレーザ、スーパールミニラセントダイオー
ドなどが用いられる。

このような効果をＳａｇｎａｃ効果という。

ふたつの光線が、位相差△θを持って、ひとつの受光素
子に入射するから、受光素子の出力１（△θ）は、 １　（△θ　）　　　＝　　Ａ　　＋　　Ｂｃｏｓ△θ
　（２）で表わされる。Ａ、Ｂは時計選り光、反時計廻
り光の振幅によって決まる定数である。

出力量が部△θの函数であるから、１を測定して、光フ
アイバループの回転角速度Ωを求める事ができる。

以上が、光フアイバジャイロの原理である。

しかし、このような光フアイバジャイロには、いくつか
の欠点がある。

ひとつは、ｃＯ５△θの形で△θを検出するため、△θ
が０に近い時、１（△θ）の変化分が小さい。このため
、低回転域での検出感度が悪い、ということである。

さらに、！△θは、位相差△θに関し偶函数であるため
、△θの正負を弁別することができない、という欠点が
ある。つまり、回転方向が分らないのである。

今ひとつは、受光素子の出力１（△θ）は直流分である
から、発光素子、受光素子のドリフトの影響を受けやす
い、ということである。受光素子の暗電流、その他の雑
音の影響を遮断することも難しい。このため、回転速度
の正確な評価が困難であつた。

このような光フアイバジャイロの欠点を克服するため、
多様な改良がなされている。

たとえば、低回転域での感度を上げるためには、時計煙
り光と反時計廻り光の光路を一部分離し、一方の光路に
１／４波長の移相器を挿入した光フアイバジャイロがあ
る。移相器によって、一方の光の位相を１／４波長分、
つまり９０°分ずらすので、受光素子の出力は、ｓｉｎ
　（△θ）に比例する部分を含むようになる。

このようにすれば、△θの小さい時にも、角速度Ωを正
確に測定できる。さらに、△θの正負を知る事ができる
ので、回転方向を判別することもできる。

このように、一方の光の位相を定まった量だけずらすよ
うにした光フアイバジャイロは、前記２つの欠点を解決
できる。しかし、直流レベルの測定である、という点に
変化はなく、暗電流やドＩＪフトの影響を排除する事が
できない。

さらに、時計煙り光と反時計廻り光の光路を分離するか
ら、両者の光の光路長を厳密に、同一にする事は難しい
。

このような欠点を解決するため、一方の光を、音響光学
素子、電気光学素子よりなる変調器で変調した光フアイ
バジャイロも提案されている。

一方の光を変調すると、受光素子の出力には、変調器が
含まれるので、位相差△θを、交流信号から求めること
ができる。こうすれば、直流成分測定に伴う、ドリフト
、暗電流、温度変化などの要因を除くことができる。

第４図はこのように改良された従来例に係る光フアイバ
ジャイロの構成図である。

ビームスプリッタ１３．１４．１５が追加され、ビーム
スプリンタ２と合わせて、正方形をなすよつ配置される
。ビームスプリッタ１４．１５の延長上に受光素子６が
設けられ、いずれかのビームスプリンタ１３．１４と、
１５の間に変調器７が置かれる。

光フアイバループ５を時計廻り、或は反時計廻りに伝搬
した光は、ビームスプリッタ１３．１４て反射し、ビー
ムスプリッタ１５で合体して、干渉光が受光素子６に入
射する。

変調器７が例えば角周波数ωで振動する音響光学変調器
であるとすれば、一方の光の角周波数は（ω十ω　）に
なる。従って、干渉光の振幅の二乗ｎ を出力する受光素子６の検出強度１は位相差△θを、ｃ
ｏｓ　（ωｔ＋△θ）の形で含むようになる。変調器７
に与える変調信号と、受光素子の出力信号との位相差か
△θであるから、これによって、回転角速度Ωを知る事
ができる。

これは、直流レベルの測定ではないので、発光素子、受
光素子のドリフト、暗電流などの要素が全く入ってこな
い。△０が小さい時でも正確に測定できるし、△０の正
、負も判別できる。

このように、変調器を使うものは、大きいメリットがあ
る。しかしながら、固有の新しい難点が現われた。

それは、光路を分離している、という事である。

時計廻り光、反時計廻り光の光路は、４枚のビームスプ
リッタ２．１３．１４、１５の間で、分離される。この
ため、光路長を厳密に一致させるのが難しい。

光路を分離することなく、一方の光をこだけ変調をかけ
るようにするのが最も優れている。本発明は、このよう
な目的を達成するためのものである。

（つ）本発明の光フアイバジャイロ 本発明の光フアイバジャイロは、光路は同ブてありなが
ら、一方の光だけを変調するようにしたものである。こ
のため、ビームスプリッタとファイバループの間に音響
光学変調器を設け、さらに、発光素子とビームスプリッ
タの間にデユーティが１／２のパルス変調器を設けて、
両者を同期させるようにした。パルス変調器の繰返し周
期は、光フアイバループを光が通過するのに要する時間
ｔの２倍を、奇数で除した値に等しくする。

このようにすれば、光路を同一にしつつ、一方の光だけ
を変調することができる。

本発明でパルス変調器というのは、パルス的に光を通過
し、或は遮断する・、という機能を持った装置のことで
ある。

機械的な機構でも、電気光学的な機構でも良い。

発光素子１がガスレーザのように、一定出力で発振する
ものであれば、パルス変調器を別に設けなければならな
い。しかし、発光素子１が、半導体レーザ、スーパルミ
ネッセントダイオードのように、直接変調可能なもので
あれば、駆動′限流をパルス状にオン、オフするように
する。発光素子１の前方に、別体のパルス変調器を設け
る必要がない０ 以下、実施例を示す図面によって説明する。

第１図は本発明の光フアイバジャイロの実施例構成図で
ある。

発光素子１から出た光は、パルス変調器８を通って、ビ
ームスプリッタ２に入射する。一部の光はビームスプリ
ッタ２を透過し音響光学変調器７を通過し、レンズ３で
絞られて、光フアイバループ５の一端に入射する。

他方の光はビームスプリンタ２によって反射され、レン
ズ４で絞られて光フアイバループｊの他端に入射する。

前者の光は、単一モード光ファイバループ５を時計廻り
に通過し、他端から出射して、レンズ５１ビームスプリ
ツタ２を経て、受光素子６に入射する０ 後者の光は）光フアイバループ５を反時計廻りに通過し
、レンズ３、音響光学変調器７を通り、ビームスプリッ
タ２で反射されて、受光素子６に入射する。

時計廻り光と反時計廻り光のいずれか一方が、音響光学
変調器７によって変調を受けるようにする。

このため、光が光フアイバループ５を通過するに要する
時間をτとして、音響光学変調器の駆動信号をデユーテ
ィが１／２のパルス状に与える事とする。つまり、時刻
ｔのとき、変調器がオンであれば、時刻（を十τ）のと
き、変調器はオフであるようにする。変調器の駆動信号
のデユーティを１／２以下にすることもできる。しかし
この場合でも、ｔと（ｔ＋τ）の２時刻について、上記
の条件は満足されなければならない。

光フアイバ通過時間をτとすると、 Ｌ τ　−□（３） である。ここで、Ｌは光フアイバループの長さ、Ｃは光
フアイバ中ての光速である。

変調器７の駆動信号は、チューティが１／２又はそれ以
下であり、ランダムに与える事も可能であるか、規則的
に発生させる事もできる。規則的なパルスであるとすれ
ば、その繰返し周期Ｔは２τ である事が分る。ｎは自然数である。

これは、τごとに音響光学変調器７の駆動状態が必らず
反転していなければならない、という条件から容易に導
かれる。

さらに、パルス変調器８はオンの時に、光を通し、オフ
の時に光を遮断するものとし、オン、オフの時間は等し
い。つまりチューティが１／２て、パルス的に光を通過
、遮断するものである。

しかも、パルス変調器８と、音響光学変調器７とは同期
しているのが望ましい。

第２図は、横軸を時間ｔとし、縦軸にパルス変調器（ａ
）と、音響光学変調器（ｂ）の波形を示した図である。

この例では、パルス変調器のオンの時間と、オフの時間
はτとなっている。先程説明したように、この値はτを
、奇数（２ｎ−１）で除したものに置換えることもでき
る。

パルス変調器がオンの時だけ、音響光学変調器を駆動し
、光を変調する。しかも、好ましくはパルス変調器がオ
ンになる瞬間の、着層光学変調器の変調信号の位相（初
期位相）は常に同一である。

そうではなく、初期位相が常に同一でない場合でも初期
位相φは変調信号と受光素子の出力信号との両方に含ま
れるから、両者の位相差を検出する時、φは消えてしま
う。

このようにすると、時計廻り光（ＣＷ　）は、パルス変
調器８がオンの時に音響光学変調器１もオンであるので
、音響光学変調器７によって、変調を受ける。その振動
は、 て示される。ωは変調角周波数で、△θは（１）式で示
される位相差である。ωは光の角周波数である。

これに反して、反時計廻り光（ＣＣＷ）は、パルス変調
器８がオンの間、光フアイバループ５に入射し続けるか
、光フアイバループ５を通過するのに１時間を要する。

７時間後に、音響光学変調器７は必ずオフになっている
から、反時計廻り光（ＣＣＷ）は音響光学変調を受けな
い。したかってその振動は、 て表わす事ができる。

先に述べた、パルス変調器と、音響光学変調器とか同期
し、パルス変調器がオンになる瞬間の初期位相が同一で
あるという条件たけては、一般に（５）式に、初期位相
φが含まれる。（５）式は初期位相φ＝０という特別な
例である。

さて、受光素子５では、時計廻り光と反時計廻り光の和
の二乗を検出するので、検出信号の中には、 １（△θ）＝ＣＯ５（ω　ｔ　−△θ　）（７）という
成分が含まれる。これは、ωて振動する成分である。こ
れ以外にωで振動する成分はなく、残りは直流成分であ
る。

ωは音響光学変調器７の変調角周波数であるから、音響
光学変調器７の駆動信号と位相を比較して、△θを容易
に求めることができる。初期位相φが０でない場合でも
、初期位相がランダムであっても、両者の位相差を求め
ると、初期位相φは消えてしまうので差支えない。△θ
から角速度Ωを求めることができる。

以上に説明した例では、パルス変調器がオンの時のみ、
音響光学変調器を駆動するようにした。

しかし、これは逆にしても差支えない。第２図（Ｃ）に
示すようにする。これは、光ファイバから出射した反時
計廻り光を変調するようにしている。

このようにすると、時計廻り光（ＣＷ　）は音響光学変
調器による変調を受けず、反時計廻り光（ＣＣＷ）は必
ず変調されることになる。

つまり、時計煙り光の振動が 反時計廻り光の振動が ｓｉｎ　［（ω＋ω）１＋−び−）（９）２ となり、受光素子６の出力のω成分は １（△０）　　−ｃｏｓ（ωｔ＋△θ）　　　（１０）
となる。

（７）式及び（１０）式に示される結果は、受光素子６
に光が入射する間だけのものである。これは、パルス変
調ｉ８のデユーティが１／２°であるので、同様に１／
２の時間間隔の内だけ（７）、（１０）式がなりたつ、
残りの１／２は光が入らず、受光素子の出力は０である
。デユーティが１／２以下てあってもよい。その場合で
も（７）、（１０）式はデユーティ期間内で成立する。

光の入らない期間は１／２以上になる。

第２図の例のように、τごとにパルス変調器をオン、オ
フしてゆくものであれば、受光素子６に出力が現われる
のは、パルス変調器８がオフの期間である。第２図（ｄ
）に受光素子のへテロダイン検波出力を示す。位相差△
θは、音響光学変調器７の波形と比較して求められる。

（ｃ）と（ｄ）は時間遅れがないので、音響光学変調器
７と受光素子出力の位相差△θを直接求める。

（１３）と（ｄ）の場合は、（ｂ）の音響光学変調器の
波形を、τだけ遅延させたものと、（ｄ）とを比較し１
位相差△θを求める。

（ロ））　　効　　　　　果 本発明は１光ファイバジャイロに於て、時計廻り光、反
時計廻り光の光路は同一としながら、一方の光だけを変
調し、受光素子に於て両者の光の和の二乗に当る出力を
得、この出力から変調周波数成分を取出し、音響光学変
調器の変調波形との位相差を求めることとしている。こ
のため、吹の効果がある。

回転体の角速度Ωに対して、リニアな出力か得られ、原
理的には無限のダイナミックレンジか実現できる。μｓ
△θを求めるのではなく、Ｃｏ５（ωｔ−八〇へとｃｏ
ｓ（ＩＪｔとを比較して、位相差へ〇を求めるからであ
る。

また、八〇を直接知るので、△０の正負を判別できるか
ら、回転方向を判定できる。

ωの周波数の信号を処理するので、直流雑音の影響を遮
断することができる。

光路を分離していないので、光学系の調整の困難がない
。また、光源のスペクトル変動による出力のドリフトが
ない。

このように有用な発明である。

汁）　　用　　　　　途 本発明の光フアイバジャイロは、ロボット、航空機、船
舶などの慣性航法、姿勢制御など、広し）用途を持って
いる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光フアイバジャイロの光学系構成図。 第２図は横軸に時間、縦軸に変調波形を示す波形図で、
（ａ）はパルス変調器の波形、（ｂ）は音響光学変調器
の波形で光フアイバルーズに入射する前の光を変調する
場合、（Ｃ）は音響光学変調器の波形で、光フアイバル
ープから出射した後の光を変調する場合、（ｄ）は受光
素子のヘテロゲイン検波出力の波形を示す。 第３図は光フアイバジャイロの基本構成図。 第４図は光路を分離し音響光学変調器を用いた従来例に
係る光フアイバジャイロの光学系構成図。 １　　・・・・・・・・・　　発　　光　　素　　子２
　　・・・・・・・・・　　ビームスプリッタ３．４　
　・・・　・・・　・・・　　　し　　　　　ン　　　
　　ズ５　・・・・・・・・・　光フアイバループ６　
　・・・・・・　・・・　　受　　光　　素　　子γ　
・・・・・・・・・　音響光学変調器８　・・・・・・
・・・　ハ）Ｌｔス変調器発　　明　　者　　　　　　
　西　　脇　　　由　　　和西　　浦　　洋　　三 特許出願人　　　　住友電気工業株式会社第３図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 単色光を生ずる発光素子１と、発光素子１からの光を二
   分するビームスプリッタ２と、発光素子１の光を１／２
   又はそれ以下のデユーティで通過、遮断するパルス変調
   器８と、ビームスブリック２で分けられた二本の光を時
   計廻り或は反時計廻りに伝搬させる単一モード光ファイ
   バを多数回巻回した光フアイバループ５と、ビームスプ
   リンタ２と光フアイバループ５の一端との間に設けられ
   る音響光学変調器７と、ビームスプリッタ２で合一した
   時計廻り光、反時計廻り光の光強度を検出する受光素子
   ６とより成り、パルス変調器８と音響光学変調器７とは
   、光が光フアイバループ中を通過する時間をτとして、
   繰返し周期２τ／（２ｎ−１）で互に同期してオン、オ
   フ駆動し、受光素子６で検知したビート信号と音響光学
   変調器７の変調信号との位相差を検出して、光フアイバ
   ループを通過する時計廻り、反時計廻り光の位相差を求
   めるようにした事を特徴とする光フアイバジャイロ。