JPS59224511A - 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 ］ノ発明は、角速度を測定するための光フアイバジャイ
ロに関する。

航空機、ロボットなど、３次元空間で移動し、移動制御
が必要な移動体に於ては、自分自身の位置を算出するた
め、角速度を連続的に測定しなければならない。

光フアイバジャイロは、単一モードファイバをコイル状
に多数巻回した光フアイバループに、時計廻りと反時計
廻りに光を通し、両方の光の位相差を検出し、これによ
って回転角速度を算出する。

光フアイバジャイロはＳａｇｎａｃ効果を利用するもの
で、時計廻り、反時計廻り光の位相差Δθはで与えられ
る。λは光の波長、〔は光速、ｋは波数、Ωは回転角速
度、Ａは光フアイバループの全面積である。位相差Δθ
と、角速度Ωは比例し、比例定数は分っているので、八
〇から角速度Ωを知ることができる。

（イ）従来技術とその問題点 光フアイバジャイロは、ファイバループの中心軸を回転
軸とした運動の角速度を検出する。二次元空間を運動す
ることが分っている運動体の場合、光フアイバループは
ひとっでよい。二次元平面に対し垂面の中心軸を有する
光フアイバループを用いれば良い。

航空機のように三次元空間を運動するものや、船舶であ
っても横ゆれ、縦ゆれなどを知る必要がある場合など、
３個の光フアイバジャイロが必要となる。それぞれの光
フアイバループの中心軸は互に直交するように設け、直
交主軸まわりの三つの回転角速度を検出すれば、回転変
位を完全に知ることができる。

光フアイバジャイロは、光フアイバループだけで構成さ
れるのではない。光源、ビームスプリッタ−１検出器な
どを必要とする。

独立した光フアイバジャイロを３個設けてもよいが、光
源、検出器などが重複することになる。

さらに、光源を駆動する回路や、検出器電流を増幅した
りする回路も重複する。

このため、サイズが大きくなり、コストも高くなる。

（つ）本発明の構成 本発明の光フアイバジャイロは、ｘ、ｙ、ｚ軸のまわり
の回転角速度ΩＸ、Ωｙ、Ωｌを測定するものであるが
、ファイバループは３つ用いるが、光源と検出器は共通
にするのでひとつしか使用しない。それぞれのファイバ
ループには、異る周波数で位相変調をかける位相変調素
子を設け、検出器の出力から、それぞれの周波数の信号
のみをフィルタを通して取り出し、三種類の信号から、
直交三軸まわりの回転角速度を求める。

位相変調のかわりに周波数シフト変調を使ってもよい。

本発明の光フアイバジャイロは、 （ｘ）ｘ＋ｙ＋ｚの３軸に中心軸を合致させた３つの光
フアイバループと、 （２）光フアイバループの端に設けられた、３つの異な
る変調周波数（ωｌ、ω２．ω３）で光を位相変調又は
周波数シフト変調する変調素子と、 （３）光フアイバ内を透過すべき光を発する光源と、 （４）　　光源からの光を２木の光線に分ける主ビーム
スプリッタと、分割された光線をさらに分割する副ビー
ムスプリッタと、 （５）３木に分けられた光を２分割し、それぞれの光フ
アイバループの両端へ入射させ、光フアイバループ内を
透過した光を再び合一させるビームスプリッタと、 （６）３つの光フアイバループからの光を再ひ合一した
主ビームスプリッタからの光強度を検出する光検出器と
、 （７）光検出器の出力信号から、それぞれめ位相変調又
は周波数シフトした周波数（ω１．ω２゜ω３）の信号
を選択的に取りだす３つのフィルタと より構成される。

図面によって、本発明の構成を再ひ説明する。

１ＦｊＰは、レーザダイオード、スーパールミニセント
ダイオードなどの発光素子、又はＨｅ　−Ｎｅレーザな
どのレーザ発振器である。

光源Ｐからの光線は一定方向に直進する。この直線上に
、主ビームスプリッタＢ４、副ビームスプリッタＢ５、
第３ビームスブリツクＢ３が設けられる。

主ビームスプリッタＢ４は、光を、互に９０°の角をな
す２木の光線に分ける。副ビームスプリッタＢ５は、分
割された一方の光線をさらに、２分割する。こうして、
３本の光線かえられる。

第１フアイバループＬｌ、第２フアイバループＬ２　、
第３フアイバループＬ３、は単一モード光ファイバを多
数回コイル状に巻回したものである。

第１ビームスプリツタＢｔ　、第２ビームスプリツタＢ
２、第３ビームスプリツタＢ３は、主、副ビームスプリ
ッタＢ４．ＢＳによって得られた３木の光線を、それぞ
れ２分割し、光フアイバループＬ１．　Ｉ−２，Ｌａの
両端に入射させる。光フアイバループＬｌ　、　ＪＬ、
＋　、　Ｌｚの中を透過した光はビームスプリッタＢｌ
、　Ｂ２　、　Ｂ３で再ひ合一する。

ビームスプリッタＢＬ　、　Ｂ２　、　Ｂ３の光を、フ
ァイバ端へ入射させるため、結合レンズを用いるが、こ
こては図示するのを略した。

それぞれのファイバループＬ工、　Ｌｚ　、　Ｌｚの一
端には、変調素子Ｍｓ　、　Ｍ２　、　Ｍａが設けであ
る。

これは異なる角周波数ω１．ω２．θノ３で位相変調又
は、周波数シフト変調するものである。

３つのファイバループＬｌ、　Ｌ２　、　Ｌｚの中心軸
は、三次元座標ｘ、ｙ、ｚにそれぞれ平行であるものと
する。

主ビームスプリッタＢ４の、ハーフミラ−に関し、光源
と対称な方向に、光検出器りか配置される。光検出器り
は、ホトダイオード、アバランシュホトダイオード、光
電子増倍管などを使うことができる。

光検出器りの信号は増幅処理回路Ａで、増幅される。こ
の電気信号は、３つのフィルタＦｌ、　Ｆ２　。

Ｆ３　を通り、フィルタにより、θノ１．ω２．ω３　
の周波数の電気信号のみを取り出すようになっている。

この電気信号には、ｘ、ｙ、ｚ軸まわｔ〕の角速度ΩＸ
、Ωｙ、Ωｌに起因する位相差ΔＯｘ　。

Δ０２．Δ０３か含まれる。そこで、これら信号から位
相差を知り、角速度を求めることかできる。

に））　位相変調素子を使う場合 変調素子Ｍ１　、　Ｍ２　、　Ｍａが位相変調素子の場
合について説明する。

第２図は位相変調素子の１例を示す斜視図である。円柱
状の圧電素子１の周囲に光フアイバループを巻きつけた
ものである。変調電源３によって圧電素子に、変調電圧
を印加する。電圧に比例して、円柱が膨縮するから、フ
ァイバは収縮、伸長を繰返す。光路が伸ひ縮みするので
、位相が変化する。したがって、これは位相変調素子と
して機能する。圧電素子はＰＺＴ（Ｐｂ（ＺｒｘＴｉｌ
ｘ）０３）などを用いることができる。

第３図は他゛の位相変調素子の１例を示す斜視図である
。電気光学結晶４に、変調電源３によりωの変調周波数
の電圧を印加する。ポッケルス効果により、屈折率が電
界の強さに比例して変化するから、ファイバ２，２から
の光が電気光学結晶４を通過するときに位相変調をうけ
る。

電気光学結晶としては、ＢＳＯ結晶（Ｂｉｔ２Ｓｉ０２
０）、ＬｉＮｂＯ３結晶などを用いる事ができる。

これらの変調素子は公知である。

光源Ｐの光の角周波数をωとする。

ファイバループＬｌ、変調素子Ｍｌ、ビームスプリッタ
Ｂ１の系について考える。ファイバループＬ１がその中
心軸に関して、角速度Ωて回転しているとすれは、ファ
イバループを伝搬した後の、時計廻り光、反時計廻り光
にはΔθの位相差が現われる。八〇とΩの関係は、（１
）式によって与えられる。

位相変調の振幅を３、角周波数をωｌとすると、変調素
子Ｍ１に於て、光の位相φは φ二ａｇｌｌｃＩＪｔｔ　　　　　　　　　　（２）で
与えられる量だけ変化する。

第１図に於て、反時計廻り光の、ビームスプリッタＢ１
で合一したときの位相φｔは と書くことかできる。八〇は求めるべき位相差である。

時計廻り光は、変調素子Ｍ１を経てから、光フアイバル
ープＬ１に入射する。

ビームスプリッタＢ１から位相変調素子Ｍ１へ直接に伝
搬する（時計廻り）時間と、ビームスプリッタＢ１から
、光フアイバループＬ１を経て位相変調素子Ｍｌへ遅れ
て伝搬する（反時計廻り）時間の差をτとする。

時計廻り（Ｃω）の光か、ビームスプリッタで、反時計
廻り（ｃｃω）の光と合一した時、（３）に対応した時
計廻り光の位相φｒは φ・−・、＋・・石・・（を十・）十−→ｉ　　（４）
と書くことができる。

時計廻り光、反時計廻り光の振幅をＥｒ　、　Ｅｔとす
ると、時計廻り光、反時計廻り光の波動函数φｒ、Φｔ
は、 ｑｊｒ＝　Ｅｒ　ｓｉｎφｒ（５） φｔ　＝　Ｅｔ　ｓｉｎφｔ（６） と表わすことができる。これは検出器りにおける時計廻
り光、反時計廻り光の電場の強さと考えてよい。

実際には、ファイバループは３つあって、時計廻り、反
時計廻り光は３つづつある。しかし、変調周波数が異な
るので実際にはこれを分離できる。

そこで、簡単のため、ひとつのファイバループによる時
計廻り、反時計廻り光のみについて考える。光検出器り
では、（５）　、　（６）の和の２乗が検出されるので
、これをＤｌとすると Ｄｒ　＝　（甲ｒ　＋ｔｌＪｚ　）２ ＝Ｅ・２＋Ｅｒ　Ｅｔ　ｃｏｓ　（φ、−φｔ）＋（２
ωの項）（７） となる。（２ωの項）は光の周波数の二倍ということで
、光検出器にはかからず、０とみてよい。

（７）式の邸の中は φｒ−φＬ二ａ（ｓＩｎω１（Ｌ＋τ）ｓ石ω１１）十
Δ０である。ａは変調の強さであるが、これは通常小さ
い値であるので、 ｃｏｓ（φｒ−φｔ）＝ｃｏｓΔθ−２ａｓｉｎ　　　
　ｃｏｓω１（１十二）Ｓ石Δθ２ （９） となる。

光検出器の検出信号は、ω工を通すフィルターにより、
（９）式の第２項のみがとりだされる。フィルターによ
りω１の周波数の信号をとりだすと、その振幅が叱Δ０
に比例する。

（９）式は、八〇を大きいものとしてティラー展開した
ものである。実際には、変調振幅３に関してべきの展開
になる。（９）式はその意味で近似式であるが、後段で
、フィルターＦ１を通す際、ωｌの角周波数の信号しか
通らないから、２ω１．・・・・・・・・などの高次の
項は落ちてしまう。

Δ０が０に近い場合、（９）のような展開はおかしいよ
うに見えるが、そうではない。フィルターＦ１を通す時
にａの１次の頂辺外は全て落ちるので、（９）式で考え
てよいことになる。Δ０二〇のときは、２ω１以上の項
しか含まない。結局、（９）式の第２項に着目するだけ
でよく、比例定数を予め較正しておけば、ｓｉｎΔ０を
知ることかできる。

これと同じことが、残りの２つの光フアイバループと、
変調素子についても成りたつ。

フィルタＦｌ、　Ｆ２　、　Ｆａ　により、それぞれω
ｌ。

ω２　、　（ＩＪ３の信号成分を取りたして、その強さ
を測定すれば、位相差Δθ１．Δθ２．Δθ３を知るこ
とができ、三次元空間でのそれぞれの軸まわりの角速度
を算出することができる。

ただし、３つのファイバループからの光を含むので、二
乗検波した後、低周波成分として、角周波数が（ω１±
ω２）、（ω２±ω３）、（ω３±ω１）の項も表われ
る。これらはフィルタＦｌ、　Ｆ２　。

Ｆ３のいずれをも通過してはならないから、これら６つ
の角周波数のいずれもが、ωｌ、ω２．ω３に等しくな
らないよう選ばれなければならない。

オ）周波数をシフトさせる場合 変調素子Ｍ１．　Ｍ２　、　Ｍ３が周波数をシフトさせ
る変調素子であってもよい。たとえば、音響光学素子を
用いることができる。変調周波数を（ωｌ／２）とする
。

時計廻り光の周波数が（ｏ）＋　”’／２）になり、反
時計廻り光の周波数が（ω−ＧｊＬ／２　）になるとす
る。

時計廻り光φｒは となり、反時計廻り光φｔは となる。

これを二乗検波すると、直流分と、２ωて振動するもの
と、ω１の周波数の項とがもられれる。

これは Ｅｒ　Ｅｔｃｏｓ（ｔｎＩ　Ｌ　＋Δ０　）　　　　　
　　　　　（ハ）という形になる。

フィルタＦｌを通った電気信号は、０２式のように、位
相差Δθを含んでいる。そこで、変調信号と同期をとっ
て、フィルタＦ１の出力信号を比較すれば、位相差Δ０
を知ることかできる。

（力）効　果 本発明によれば、物体の三次元的な角速度ΩＸ。

Ωｙ、ΩＺを測定するため、光源、光検出器及び光源駆
動回路、検出器電流増幅回路などが３とおり要るのでは
なく、各１つつつでよい。

ビームスプリッタの数やフィルタが新に必要である、な
どの点はあるが、部品点数も減り、寸法も小さくするこ
とができる。

コストも低減できる。このように有用な発明である。

【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。 各ファイバループの中心軸はｘ＋　Ｙ　＋　Ｚ軸に平行
−である。 第２図は圧電素子を使った位相変調素子の斜視図。 第３図は電気光学効果を使った位相変調素子の斜視図。 Ｐ・・・・・・光　　源 Ｂ４・・・・・・主ビームスプリッタ Ｂ５・・・・・副ビームスプリッタ Ｂ１〜Ｂ３　　・・・・・・ビームスプリッタＬＸ〜Ｌ
３　・・・・・・光ファイバループＭｌ−−Ｍ３・・・
・・変調素子 Ｄ・・・・・・光検出器 Ａ・・・−・増幅処理回路 Ｆ１〜Ｆ３　・・・・・・フィルタ ωｌ〜ω３　・・・・・・変調角周波数Ｗ・・・・・・
光の角周波数 １・・・・・・圧電素子 ２・・・・・・光ファイバ ３・・・・・・変調電源 ４・・・・・電気光学結晶 発　　明　　者　　　　　　　　西　　脇　　由　　和
特許出願人　　住友電気工業株式会社 第２図 三 第３図 ：ヨ一

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 中心軸が互いに直交する３つの光フアイバルーフＬｘ　
   、Ｌ２　、Ｌ！　、！：、各ファイバループの端に設け
   られた異なる変調周波数（ω１．ω２．ω３）で光を変
   調する変調素子Ｍ１．　Ｍ２　、　Ｍ３　と、光フアイ
   バ内を透過すべき光を発する光源Ｐと、光源Ｐからの光
   を２本の光線に分ける主ビームスプリッタＢ４　と、分
   割された光線をさらに分割する副ビームスプリッタＢ５
   　と、３本に分けられた光線をさらに２分割し、それぞ
   れの光フアイバループＬ１　、　Ｌ２　、　Ｌ３の両端
   へ入射させ、光フアイバループ内を透過した光を再び合
   一させるビームスプリッタＢｒ、Ｂｚ、Ｂｓ　と、３つ
   の光フアイバループＬｓ　、　、Ｌ２　、　Ｌｓからの
   光を再び合一した主ビームスプリッタＢ４からの光の強
   度を検出する光検出器りと、光検出器りの出力信号から
   それぞれの変調周波数（ω１．ω２．ω３）の信号を選
   択的に取り出す３つのフィルタＦｌ、　Ｆ２　、　Ｆａ
   　とより構成されることを特徴とする光フアイバジャイ
   ロ。