JPS59226817A - 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】 （イ）　　技　　術　　分　　野 この発明は、移動体の角速度を測定するための光フアイ
バジャイロし関する。

自動車、航空機、ロボット、船舶など、位置、姿勢制御
が必要な移動体に於て、自分自身の位置や方向を連続的
に算出する必要がある。このため、速度とともに回転角
速度も常時測定しなければならない。回転角速度を測定
するために光フアイバジャイロが用いられる。

（イ）従来技術とその問題点 光フアイバジャイロは、光フアイバループの中を、時計
廻り、反時計廻りに光を通し、ループの回転によって生
ずる位相差を検出して、回転角速度を知る。同一の光フ
アイバループを互に反対力向へ伝搬するのであるから、
光路差はないはずであるが、実際には光学系の軸がずれ
たりして、光路差が生ずる。このため、ループが静止し
ている時でも位相差が生じる。このため、正確な角速度
の測定が妨げられる。

第５図は光フアイバジャイロの原理的な光学系構成図を
示す。

発光素子１はレーザダイオード、スーパールミネセント
ダイオード、Ｈｅ−Ｎｅガスレーザなどのレーザが用い
られる。発光素子１の光はビームスプリッタ２で、２光
線に分けられ、結合レンズ３．４によって、光フアイバ
ループ５のＡ、Ｂ端に入射スる。光フアイバループ５は
、光ファイバを多数回コイル状に巻いたものである。中
心軸のまわりにΩの回転角速度で光フアイバループ５が
回転している時、光フアイバループ５を、時計廻り（Ｃ
Ｗ）、反時計廻り（ＣＣＷ）に伝搬する光には一位相差
Δθが現われる。

である。Ａは光ファイバが囲む全面積、つまり、ループ
の断面積と巻数の積である。λは光の波長、Ｃは光速で
ある。これをＳａｇｎａｃ効果という。

光フアイバループ５の中を伝搬した時計廻り１反時計廻
り光はＢ端、Ａ端から出射し、結合レンズ４．３を経て
、ビームスプリッタ２に至り、ここで合一し、受光素子
６で光強度が検出される。

受光素子６は、ｐｉｎホトダイオード、アバランシェホ
トダイオードなどの光検出器である。受光素子６の位置
に於ける、時計廻り光、反時計廻り光の電場の振幅をＥ
ｌ　、Ｅ２とする。もしも位相差Δθがあるとすれば、
受光素子６の出力Ｉは曇　＝　　Ｅｌ”　十Ｅ２”　＋
　２ＥＩ　Ｅ２ＣＯ５Δθ　（２）となるはずである。

受光素子の出力１から、位相差Δθを知り、（１）式よ
り角速度Ωを算出する。これが光フアイバジャイロの測
定原理である。

時計廻り光と反時計廻り光が厳密に同一の光路を反対方
向に進むのであれば、光路差が生じない。

しかし、実際には、光学系の軸合せが難しく、両方の光
の光路は必ずしも一致しない。光路が喰い違うと光路差
が生じる。光路差を波長で除して、（２π）を乗じたも
のが位相差である。従って（２）式のΔθには、回転に
もとづく位相差と、静的な光路差の存在にもとづく位相
差′（オフセット分）とが含まれる。

第６図は結合レンズ３．４と光ファイバ５のＡ１Ｂ端に
於ける光軸不一致の場合を示す説明図であ０ 発光素子１、ビームスプリッタ２、結合レンズ３．４の
共通の光軸をＬｘとする。光ファイバ５の端部における
中心軸をＦｘとする。ＦｘとＬｘがずれているものとす
る。入射光はレンズの光軸Ｌｘのまわりに回転対称で、
レンズにより、ｅ点に収束する。ｅ点はファイバ端面と
Ｌｘの交点である。

出射光は、光ファイバの中心軸ＦＸとファイバ端面の交
点９から出射する。

９点とｅ点とは異る。９点から出た光は結合レンズによ
って平行光に変換されるが、これはＬＸに平行ではない
。

従って、レンズとビームスプリッタの間に於て１人射光
と出射光の光路が異り、光路差が生じる。

このためΩ＝０であっても、位相差Δθ（オフセット）
が発生する。

オフセット分の位相差を補償しなければ、受光素子の出
力１から、移動体の回転角速匣Ωを正しく求める事がで
きない。

オフセットを０にするには、時計廻り光、或は反時計廻
り光の実効的な光路長を連続的に変化させることができ
れば良い。

しかし、双方向の光は同じ光学系を通るから、一方の光
だけを位相補償する、という事ができない。

また、（２）式においてμｓΔθは偶函数であるから、
０〈Δθ〈πの範囲の検出しかできない。このため、（
１）式における回転角速度Ωの検出限界が制限される。

（つ）本発明の技術的課題 時計廻り光、反時計廻り光のいずれか一方の光を位相補
償するという事ができれば良い。

全ての光学系には、同時に時計廻り、反時計廻り光が伝
搬している。発光素子１とビームスプリッタ２、ビーム
スプリッタ２と受光素子６の間テは、同方向に進行する
。ビームスプリッタ２、結合レンズ３．４、光フアイバ
ループ５の間では、反対方向に進行する。

反対方向に進行する光は、同一時刻に発光素子１から放
出されたものではない。光フアイバルーズのちょうど中
間の点に関していえば、同一時刻に発光素子１から出た
光が同時に中間点を通る。

しかし、その他の通過点に於ては、時計廻り光（ＣＷ）
、反時計廻り光（ＣＣＷ）の発光素子１を出た時刻が異
なる。

そこで、ファイバループの中間点以外の点に位相補償素
子を挿入し、これをパルス駆動し、発光素子１もこれと
同期して、パルス駆動することにすれば、ＣＷ光又はＣ
ＣＷ光のいずれか一方だけを位相補償する事ができる。

例えばＣＷ光が通過する時に位相補償素子を駆動し、Ｃ
ＣＷ光が通過する時には、位相補償素子を駆動しないよ
うにできる。

光フアイバループの長さをＬとすれば、光ファイバの端
（Ａ％Ｂ）を通過するｃｗ、ｃｃｗ光について、発光素
子１から放出された時刻の差はτ＝ｎＬ／ｃ　　で与え
られる。Ｃは光速、ｎはファイバコアの屈折率である。

Ｌか１０ｍ程度とすれば、τは１０　　ｓｅｃ程度であ
る。この程度の速さであれば、発光素子１の光を内部変
調或は外部変調するのは容易である。位相補償素子の駆
動も問題がない。

τをファイバループ通過時間と呼ぶ。

に）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、光フアイバループのい
ずれか一端に位相補償素子を新たに設ける。ファイバに
入射すべき光は、内部変調或は外部変調して、パルス幅
がファイバループ通過時間τより短かくデユーティが１
／２以下の繰返しパルス光とする。位相補償素子は、こ
れに同期し、同一繰返し数でパルス駆動され、ＣＷ光、
或はＣＣＷ光のみを位相補償する。また、受光素子の出
力強度が常に一定になるように、位相補償素子の位相補
償量を変化きせる。

本発明の光フアイバジャイロは、 （１）　　パルス幅がファイバループ通過時間でより短
かく、デユーティが１／２以下の繰返しノクルス光を生
ずる発光変調素子と、 （２）　　発光変調素子からの光線を２分割するビーム
スプリッタと、 （３）　　多ｉ回光ファイバを巻回した光ファインぐル
−プと、 （４）２分割された光をファインくル−プの端に入射さ
せるための結合レンズと、 （５）　　光フアイバルーズの一端に設けられた位相補
償素子と、 （６）発光変調素子に同期して、位相補償素子を時計廻
り光又は反時計廻り光が通過している間だけ駆動する駆
動回路、 （７）受光素子の出力強度が常に一定になるように、位
相補償素子の位相補償量を制御する位相補償制御回路、 とよりなる。

け）実施例 第１図によって本発明の実施例に係る光フアイバジャイ
ロを説明する。

発光素子１の光がビームスプリッタ２によって２分割さ
れ、結合レンズ３．４によって、光フアイバループ５の
端に入射する。光フアイバループ５の一端には位相補償
素子７が新しく設けられている。パルス発生器８は発光
素子１及び、位相補償素子７の位相補償量を制御する電
圧制御回路１１を駆動する。

第２図（ａ）は発光素子を内部変調した時の発光パルス
波形図である。横軸は時間、縦軸は光のパワーを示す。

発光時間はＰｌ、休止時間はＢ２で、（Ｐ１＋Ｐ２）が
−周期である。デユーティＰ　１　／’　（Ｐｉ　＋　
　Ｂ２　）は０．５以下である。またＰ、　＜　　τで
ある。

第２図（ｂ）は位相補償素子の駆動状態を示す波形図で
ある。Ｂ３が駆動期間でパルス発光の瞬間に同期して計
時を開始し、Ｂ３はＰｌより僅かに長い。Ｂ４は休止時
間である。−周期（Ｐ３＋Ｐ４）は、発光変調の一周期
（Ｐ□十　Ｂ２）に一致する。

この例では、位相補償素子７が、ＣＣＷ光の入口にあた
る部位に位置しているから、ＣＣＷ光は全て位相補償を
うける。

しかし、ＣＷ光は光フアイバループに入射してからτ時
間後に位相補償素子に到達するのであるから、これは位
相補償を受けない。

位相補償素子７の休止期間Ｐ４に、ＣＷ光がここを通過
するようにする。

これは、光フアイバループに入る前の光（ここではＣＣ
Ｗ）を位相補償した。しかし、逆に、光フアイバループ
から出た光を、位相補償する事もできる。

この場合、発光の開始がらτ時間を経過する時点から位
相補償素子７を駆動する。第２図（ｃ）はそのような場
合の位相補償素子７の駆動波形図である。

光路差の存在によるオフセット位相差をΔθ′、ＣＷ光
、ＣＣＷ光の位相補償量をφいφ２とすると、Δθ′＋
φ１−φ２＝　２ｍπ　　　（３）（ｍは整数） となるよう位相補償すれば良い。第２図（ｂ）はφ１−
０　、（ｃ）はφ２−ｏの例である。

また−ファイバループが回転している時、位相オフセッ
トΔθ′及び位相補償素子７による位相補償量φがある
と、（１２式は、 １　＝　Ｅ、２＋Ｅ２２　＋　　２Ｅ□Ｅ２ＣＯ５（Δ
θ＋Δθ′−φ）８・・・・・・（４） となる。Δθ′は定数であるため、Δθの変化に伴って
φを変化させれば、１を常に一定に保つことができる０
す゛なわち、第１図において受光素子６の出力が一定値
になるように、位相補償素子１の位相補償量を電圧制御
回路１１から、位相補償素子７に印加する電圧によって
制御する。この電圧を回転角速度の検出に用いれば、原
理的にΔθの検出範囲は無限大となる。

■）位相補償素子 第３図は圧電素子を用いた位相補償素子の斜視図である
。

円柱状の圧電素子９の外周に光ファイバ１０を巻回わし
である。駆動回路８によって、圧電素子９に繰返しパル
ス状の電圧が印加される。電圧に比例して、圧電素子が
膨張、収縮するから光ファイバが伸縮し、光路が変化す
る。

第４図は電気光学結晶を用いた位相補償素子の斜視図で
ある。電気光学結晶１２に光ファイバ１０の端を接着し
、結晶面に電極を付け、駆動回路８によって電圧を繰返
しパルスの形で印加する。

圧電素子は、例えばＰ　Ｚ　Ｔ　（Ｐｂ（ＺｒｘＴｉｘ
−ｘ）０３　）、を用いる。電気光学結晶はＢ５０（日
ｉ　１２　ＳｉＯ＋ｏ　）単結晶やＬｉＮｂＯ３結晶を
用いることができる。

（ハ）作　用 発光素子１がレーザダイオード、スーパールミニセント
ダイオードの場合は内部変調し、ガスレーザなどの場合
は変調器を使って外部変調して、第２図（ａ）のような
パルス光を作る。

光路差オフセットΔθを予め測定しておき、これを補償
するために印加するべき位相補償素子の電圧を決定して
おく。第２図（ｂ）又は（ｃ）で示すパルス波形に従っ
て、パルス光に同期し、位相補償素子を駆動するＯ ＣＷ光、又はＣＣＷ光の位相が補償され、Ω＝０のとき
は、位相差Δθが０になるようオフセット調整される。

受光素子６の出力Ｉはパルス的な出力であるが、（２）
式からΔθを求め、角速度Ωを算出できる。

また、位相補償素子７を駆動するパルスの電圧を制御し
て−，Ｓａｇｎａｃ効果による位相差Δθを打ち消して
、受光素子の出力を常に一定に保つようにすれば、必要
なパルスの電圧から回転角速度を検出できる。

ψ）　　効　　　果 ＣＷ光とＣＣＷ光の光路差に起因するランダムな位相第
八〇′を補償することができる。このため正確な角速度
Ωの測定が可能となる。

また、位相補償素子印加電圧から角速度を検出する方式
を採用することにより、角速度の検出範囲を無限にとる
ことができる。

（ト）　　用　　　途 自動車、航空機、ロボット、船舶などの移動体の回転、
方向の測定、算出に用いられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る光フアイバジャイロの光
学系構成図。 第２図は発光、位相補償素子の駆動波形で、（ａ）は発
光変調素子の光出力、（ｂ）は位相補償素子の駆動波形
、（Ｃ）も位相補償素子の駆動波形である。（１））は
先に位相補償し、（Ｃ）は後で位相補償する。 第３図は圧電素子を使った位相補償素子の斜視図。 第４図は電気光学結晶を使った位相補償素子の斜第５図
は光フアイバジャイロの原理を示す光学系構成図。 第６図は結合レンズと光ファイバ端の結合の不良を説明
するための説明図。 １　　・・・・・・・・・　　発　　光　　素　　子２
　・・・・・・・・・　ビームスプリンタ３．４・・・
・・・・・・　結合レンズ５　・・・・・・・・・　光
フアイバループ６　　・・・・・・・・・　　受　　光
　　素　　子７　・・・・・・・・・　位相補償素子８
　・・・・・・・・・　パルス発生回路９　　・・・・
・・・・・　　圧　　電　　素　　子１０・・・・・・
・・・　光ファイバ １１　　・・・・・・・・・　電圧制御回路１２　　・
・・・・・・・・　電気光学結晶ＣＷ・・・・・・・・
・　時計廻り光 ＣＣＷ・・・・・・　反時計廻り先 発　　明　　者　　　西　　脇　　由　　和第１図 第２図 ｔ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）パルス幅がファイバループ通過時間、より短かく
   デユーティが１／２以下の繰返しパルス光を生ずる発光
   変調素子と、発光変調素子からの光源を２分割するビー
   ムスプリッタ２と、多数回光ファイバを巻回した光フア
   イバループ５と、２分割された光をファイバループの端
   に入射させるための結合レンズ３．４と、光フアイバル
   ープ５の一端に設けられた位相補償素子７と、発光変調
   素子に同期して位相補償素子γを時計廻り光又は反時計
   廻り光のいずれか一方が通過している間だけ駆動する駆
   動回路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。
2. （２）位相補償素子７は、円柱状の圧電素子９に光ファ
   イバ１０を巻回してなり、圧電素子９にパルス電圧を印
   加して、光路を変化させるようにしたものである特許請
   求の範囲第（１）項記載の光フアイバジャイロ。
3. （３）位相補償素子１は、電気光学結晶１２に光ファイ
   バ１０の端部を接着し、パルス電圧を電気光学結晶１２
   に印加する事により、屈折率を変化させる事とした特許
   請求の範囲第（１）項記載の光フアイバジャイロ。
4. （４）回転による位相変化を位相補償素子７によって打
   ち消し、位相補償素子７の補償量をもって回転角速度を
   検出する特許請求の範囲第（１）項記載の光フアイバジ
   ャイロ。