JPS5961707A - 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】 に）本発明の目的 この発明は、小型、軽量、高信頼性で、かつ、時Ｗ１廻
シ、反時計廻シ光の強度を調節できるようにした光フア
イバジャイロに係る。

（イ）　公知の光フアイバジャイロ 第３図１は公知の光フアイバジャイロの略構成図である
。

レーザ：（１はたとえばＨｅ　−Ｎｅレーザである。

ンー・ザ光はビームスプリッタ３２により２本の光束に
分りられる。２光東は、レンズ３３．３４で絞られ、弔
−モード光ファイバループ３５の両端に入射する。両端
刀）ら入ったシングルモード光は、光フアイバループ３
５の中ｔ、時計廻Ｄ　（ＣＷ　）及び反照Ｒ１廻Ｂ　（
ｃＣｗ）に伝搬する。そして、光フアイバループの他）
）ｊｉｉｊから出射された０ｗ光、ＣＣＶｉ光はレンズ
３３．３４を経て、ビームスプリッタ３２ｆ：ｍえると
、酊び合一して一光束となる。合体した光束の強度を光
検出器３６が検出する。

光学系の全体が、慣性空間に対し、Ωなる角速度で回転
すると、時計廻シ、反時計廻シ光の間に位相差Δ０が生
じる。

位相差Δθは で与えられる。ここで、Ｃは真空中での光速、λは真夜
中での波長、Ｌは光フアイバルーズの全長、ａは光フア
イバルーズの半径である。

これをＳａｇｎａｃ効果と呼ぶ。位イ目差Δθから、回
転角速度Ωを知ることができる。

光ファイバは低損失で、可焼性に冨むから、高感度で、
小型のジャイロを構成することができる。

このような光フアイバジャイロは、レンズ、レーザ、ビ
ームスプリッタ、光検出器などの光学部品が個別に配置
されている。

機械的な振動によｐ、光軸がくい違い、出力がドリフト
することがある。

このほか、小型化できないという無点もある。

（つ）ガラスブロックを用いた 光フアイバジャイロ 本発明者は、小型化、軽量化、高信頼化を目的として、
第４図に示すようなガラスブロックを用いた光フアイバ
ジャイロを既に発明した（特願昭５７−１００１０６号
）。

この光フアイバジャイロは、直角二等辺三角形を底面と
する２つの角柱２（ｐガラスブロックを貼合わせてなる
。

ビームスプリッタ３９ば、ガラスブロックの斜面に、透
過率が５０％になるよう、薄膜（例えば、ＡＩ！、　Ａ
ｇ　）などをコーティングしたものである。

そして、同一形状の第１ガラスブロツク３７、第２ガラ
スブロツク３８を斜面に於て、貼合わせ、立方体形状に
しである。

発光素子４０、受光素子４１は、ビームスプリッタ３９
に関し面りツ称の位置の、ガラスブロック外面に接着し
である。

発光素子はレーザタイオード、受光素子はホトタイオー
ドを用いる。接着剤は、光学的に均質で、透過率が高く
、耐環境性に優れたものを用いる。

例えは、エポキシ系接着剤、バルサムなどである。

発光素子４υ、受光素子４１の２１向面には、集光レン
ズ４２．４３がガラスブロック化に接着しである。集光
レンズは、屈折率が二東分−７′１ｊで友化する円筒形
状のロッドレンズを用いている。

光フアイバルー１４４は、光ファイバを多数回巻回した
ものである。集光レンズ４２．４３で絞られに先は、単
一モードファイバである光フアイバルー１４４の両端に
入射する。

このようなガラスブロック化した光フアイバジャイロは
、小型、軽量であるし、機械的振動に対しても強い。

しかし、ファイバ端、レンズ゛、ガラス境界＃ｉなどで
反射があって、発光素子たる半導体レーザの出力が安定
しないこともある。

に）　アイソレータ、偏光ビームスプリッタを有する光
ファイ、パジャイロ 第５図は、本発明者がさらに研’Ａｋ進めて発明した光
フアイバジャイロの構成を示す。

半導体レーザである発光素子４０と、ガラスブロック３
７の間に、光アイソレータ４５を介在させている。光ア
イソレータ４５は、ファラデー素子４　ｆ；　’ｆｔ　
２枚の偏光板４７．４７で挾んだもので。

光軸とゝＦ　Ｋ’ｉに磁界が加えられている。

元アイソレータ４５は、反射光を遮断するので、半導体
レーザの発振が不安定になるの金防ぐことができる。

もうひとつの改良点は、受光素子４１とガラスブロック
の間に、ガラスブロック４Ｌ４９によって挾まＩ−ｐた
偏光ビー・ムスプリッタ５りを設けたということである
。

偏光ビームスグリツタ５ｏを設ける理由は、光フアイバ
伝搬光の偏波面のランダム変動に起因する出力変動を回
＋ｌｊ％するというところにある。

ＩＪ、　Ｉｔに述べた従来例の光フアイバジャイロは、
ファイバを通過したＣＶ／光、ＣＣｌ’ｌ’光をそのま
まビー・ムスプリツタで合成し、同一の光路を通って受
光素子に達するようになっている。いン光とＣｘｙｆ光
の強度を個別に１ｊｉｌｌ定することができない。

このため、刊＼ｒの際、光軸調整が離しい。ざらに、使
用中に、光量の変動があって、出力がドリフトしても、
補償できない。このような館Ｅ点があった。

＠）本発明の光フアイバジャイロ ＣＷ光の強度と、ＣＣＷ光の強度は、等しいことが、最
も望ましい。この時に、最もＷｍが良いからである。

とれを説明する。時計陥シ光（Ｃ■）、反時計廻シ光（
ＣＣＷ　）の強度振幅をＥｒ、Ｅｉとし、位相差ΔＯと
するとき、受光素子では両者の和の二乗を光強度として
検出するので、強度Ｉは （２） として与えられる。

結局、■は、 Ｉ　＝Ｅ　ｒ　＋　　Ｅ　１　＋　２　Ｅ　ｒ　Ｅ　１
　所△θ　　　　　　６）として与えられる。出力は直
流としてあられれる。

この内ωＳΔ０の項の大きさを区別しなければならない
。

しかし、直流成分から、直流成分全区別するのは帰しい
。Ｅｒ、Ｅ□が常に一定値であることが必要である。

しかしながら、笑際にＥｒ、Ｅｌが一定であることを確
めることができない。

発光素子（レーザタイオード）の出力変動の可能性があ
るし、レンズと光ファイバ端のカップリングが斐位する
こともあシうる。

このような反則があると、振幅Ｅｒ、ｒ！：１そのもの
が変化し、これと、所Δ０による位相角変化とＩＸ別す
ることができない。

このため、角速度Ωの測定に誤差があられれる。

（２）式の表現から、ｗｒ＝　Ｅｌのときに、この光フ
アイバジャイロは、最も１６度が良いことが分る。

勿Ｋｍ、Ｅｌ、＝ＥＩＫなるように、ビームスグリツタ
を作成するが、この時、ＥｒとＥｌとを設定しても経年
灰化によって、ＥｒとＥｌが変動してくる。必ずしも、
常ＶＣＥｒとＥｌとが一致しているとは限らない。

本発明の光フアイバジャイロは、Ｅｒ、Ｅｌｆ独立に測
定することができるようにしたものである。

第１図は本発明の光フアイバジャイロの略描成図である
。

本発明の光フアイバジャイロは、時計廻９、反時計廻シ
光の光路に夫々ビームスグリツタを設け、それぞれの光
強度を測定するようにしている。

第１ガラスブロツク１、第２ガラスブロツク２は、直角
二等辺三角形全底面とする透明角柱である。両者は、第
１ビームヌプリツタ３を介し、斜面に於て貼合わされて
いる。

ビームスグリツタ３は斜面にＡβ、Ａｇなどをコーティ
ングした薄膜で、４５°の入射角に苅し、透過率と反則
率とが５０％ずつになるように作！ジしである。

第１ガラスブロツク１、第２ガラスプロツグ２は立方体
をなすよう、接着される。接着剤は既に述べたように、
光学的に均質で、透過率が高く、耐環境性に優れたもの
（エポキシ系接着剤、バルザム）を用いる。

ガラスブロック１．２の外面に、発光素子４、受光素子
５が、ビームスプリッタ３に関して対称となるように貼
合わせる。

発光素子４は、半導体レーザ、ヌーパルミネセントダイ
オード等を用いる。受光素子は、ホトダイオードなどの
光１灸出器である。

発光素子４、受光素子５の対向面に当るガラスブロック
１．２の外面には、直接レンズを接層するのではなく、
新に、ビームスプリッタを含むガラスブロックを接着す
る。

発光素子４のＡｊ内向面は、直角二等辺三角形底面で角
柱をなす第３ガラヌブロツク６、第４ガラヌブロツク７
を接着する。第２ビームヌプリツタｌが、第３、第４ガ
ラスブロツク１ｊ、ｒの境界糾問に設けである。

受光素子５の対向面には、同様の第５ガラスブロツク９
、第６ガラスブロツク１ｕ１第３ビームスプリツタ１１
よりなる立方体ブロックが接着しである。

これらカラスブロック６．７．９．１０の外側で、発光
素子４、受光素子５の前方には、集光レンズ１２、’１
３が接着しておる。単一モード光フアイバルーフ１４は
、光ファイバを多数回巻回したもので、両端が集光レン
ズ１２．１３に結合されている。

発光素子４、受光素子５、第１ビームヌプリツタ３を含
む第１、第２ガラスブロツク１．２を主ガラスブロック
Ａと呼ぶ。

これに対し、ガラスブロック６．１、カラスブロック９
．１０よシなるそれぞれのガラスブロックをサグガラス
ブロックＢ、Ｃと呼ぶ。

本発明は、主ガラスブロックと、レンヌ、光ファイバの
間に、新しく、サグガラスブロックＢ、Ｃを設けたとこ
ろに特徴がある。

各ガラスブロックの中には、第１、第２、第３ビームス
プリツタ３．８．１１が設けられるが、゛これらは互に
平行である。

以上の構成に於て、その作用を説明する。

発光素子４から出た光は、第１ビームスプリツタで分割
され、時計廻シ光、反時計廻υ光として、九ファイバル
ープ１４の中を、伝搬する。光フアイバループ１４から
出射した光は、ガラスブロックに戻り、第１ビームスプ
リツタ３で合体し、受光素子５で合体した光の強度が検
出される。

これらの点は従来からの基本的な光ファイノ（ジャイロ
の作用と同じである。

異なる点は、光フアイバルーフ゛１４から戻った光が、
サグガラスブロックＢ、Ｃに於て、第２、第３ビームヌ
プリツタ８，１１により、その一部が外部へとシ出され
るという事である。外部へ取出された光の振１１１＃ｆ
強度全それぞれ、Ｅ１′、Ｅｒ′とする。Ｅｌ′、Ｅｒ
′は、ＣＣＶ光、ＣＷ光の光強度に比例する。

第２、第３ビームスプリツタ８．１１の透過率、反則率
は決っているので、Ｅｌ′、Ｅｒ／から、光強度Ｅｌ、
Ｅｒｉ求めることができる。ビームスプリッタ８．１１
を全く同等のものとすれば、Ｅ１’＝＝Ｅｒ’とするこ
とにより、時計量ｂ、反時計廻り光の強度について、Ｅ
１＝Ｅｒとすることができる。

カラスブロック、レンズ、光ファイバの軸合ワせは難し
いが、外部へ取出したモニター光強度Ｅｒ（Ｅ、／を観
測しながら、光学系を調整すれば、よシ谷易に行うこと
ができる。

サラニ、ビームスプリッタＬ（、１１を、偏光ビームス
デリックにすることもできる。こうすれば、時計廻シ光
、反時計ｓｂ光の偏光の方向を同一にすることができ、
Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。

に）出力変動を補償できる 光フアイバジャイロ 本発明の光フアイバジャイロは、時計廻り光、反時計廻
シ光の強度を独立に測定することができるので、出力変
動の影曽を除いた、精度の高い角速度測定器を構成する
ことは容易である。

第２図は、このような出力変動を補償できるようにした
光フアイバジャイロの構成図でるる。

サブガラスブロックＢ、Ｃの外面に、第２受光素子１５
、第８受光素子１６を接着して、反時計廻り光（ｃｃｗ
’　）、時計廻シ光（ＣＷ　）の、強度Ｅ１″、Ｅｒ′
２をこれらによって４１）］定する。モニター光の強り
隻と、受光素子５に入る検出光の強度とは比例する。比
例定数全Ａ、Ｂとする。

采算器１°ｒ、１８１ｄ　モ”−ター光強）Ｋ　ｒ！’
１′２、Ｅ、′２に、Ａ、Ｂを乗じ、Ｅｌ、Ｅｒを算出
する。

受光素子５は、ＣｖＩＩ、　ｃｃｗ光の合体したものの
光強度をイ灸出し、（３）式に対応する垣を出力する。

減賛器１９ば、受光素子５の出力から、ｒ！、ｒ（！：
Ｅ１を減算するので、その結果は ２１！：ｒＥｌ　ｃｏｓΔθ　　　　　　　（４）とな
る。

ｉ１５方根演算器２０．２１は、Ｅｌ、°Ｅｒから、Ｅ
ｌ、Ｅｒケ旧νする。

除堺器２３は、（４）の値をＥ４、Ｅｌで割る。その答
は、 ２　ｔｘムΔ０（５） となる。ここから位Ａ゛シ１差Δ０を知り、（５）式に
よって、回転体の回転角速度を求めることができる。

第２図に示す光フアイバジャイロの１意味を説明する。

たとえば、半導体レーザである発光素子の出力が変動し
たとする。Ｅｒ、Ｅｌともに同じ割合で増減することに
なる。

受光素子うで（３）式に表わされる光強ｔ’ｋ　′ｆ！
：検出する。（３）式の各項１は全て直流項である。た
とえばΔＯ＝０の時ｋ、光強度１測定し工０であったと
する。

以後の光強度を測定し、この値Ｉから、（３）式によっ
てΔθを算出できるが、Ｅｒ、Ｆ−１が一定であるとい
う条件が必要である。Δθ＝０で較正した後、Ｅｒ、Ｅ
ｌが一定であるという保Ｓ１ｔはない。したがってΔθ
は正確に定まらない。

頻繁に較正すれば良いが、較正するため回転体を止めな
ければ汐らないので、常に可能とはいえない。

しかし、第２図の光フアイバジャイロであれは、Ｅｒ、
Ｅｌ自体がドリフトしても、減算器１９、除算器２３で
、Ｅｒ、Ｅｌのドリフ１−の影響を全くキャンセルして
し井うので、正しい位イ１］差Δθを常に４ノ出できる
。

経年変化により、ＥｒとＦｌｌｌの・比の１１αが異な
ったとＪ゛る。この場合、（３）式に於て辱＝１！：ｌ
を仮定して旧１１されたΔθと真のΔθと（は異なる。

このような場合でも、Ｅｒと′ｒ！：ｌの変化を捕捉し
、ＩＩ・しくイ）シ相差Δθをｄ１′＃、できる。

本発明は、このように信頼性が高く、経年変化を受けに
くく、１トイｒ（Ｒに回転角速Ｐｉを測定できる、小型
、軽１１の光ファイノ家ジャイロを与えることができる
。

（キ）本発明の用途 本５ｄ明は広く回転運動体の角速度ハ１す定に用いるり
１ができる。

たとえば、自動＋ｌ（、船＋１ｌＨ１／ｌＩｉ’ｌ：空
］幾に搭載するジャイロとして用いられる。

ロボットなど移動体に搭載され、自分自身の位置を知る
だめの位Ｉｆｆ−Ｉｔンザとしても用いられる。

【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平面図。 第２図は出力変動を補償゛できる光フアイバジー＼・イ
ロの実力臣例を示す構成図。 第３図は光フアイバジャイロ八本構成図。 第４図は本発明者が先に発明した光ファイバシＶイロの
斜視図。 第５図は本発明者が先に発明した光ファイバシＶイロの
平面図。 １　　・・・・・・・・　第１ガラスブロツク２　・・
・・・・・・　第２ガラスブロツク３　　・・・・・・
・・・　　ビームスプリッタ４　　・・・・・・・・・
　　発　　光　　素　　子５　　・・　・・・・・・　
　受　　光　　素　　子６．７・・・・・・・・　ガラ
スブロック８　　・・・・・・・・・　　ビームスグリ
ツタ９．１０　　・・・・・　ガラスブロック１１　　
・・・・・・・・・　　ビームスグリツタ１２．１３　
　・・・・・・　　集　光　　し　　ン　　ス。 １４　・・・・・・・・・　　光フアイバジャイロ１５
．１６・・・・・・　　受　　光　　素　　子１乙１８
・・・・・・　　乗　　　算　　　器１９　・・・　・
・・・・　　減　　　ｌＪ、Ｋｇ２０．２１・・・・・
・　平方根演算器２３　・・・・・・・・・　　除　　
　算　　　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１図 第４図 第３図 第５図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）　ｌｌｌ＆立方体形状で対角賑に沿う斜面にビー
   ムスプリッタを設けた主ガラスブロックＡと、主ガラス
   ブロックＡと、主ガラスブロックＡの外面で該ビームス
   プリッタに関し対称な位置に接）ｗされた発光素イ及び
   受光素子と、略立方体形状で苅角線に沿う斜面にビーム
   スプリッタを設けてありかつビームスプリッタ同士が−
   Ｍ１行になるよう光光紫子、受光素子の列内ｉｒ＋ｊ　
   Ｋあたる主ガラスブロックＡの外面に接着されたザブガ
   ラスブロックＢ、Ｃと、サブガラスブロックＢ、Ｃの外
   面で発光素イ、受光’；’ｒ：　Ｉ’のｎｉＩ方に固着
   された集光レンズと、両端が集光レンズに結合されてお
   り光ファイバを多数回巻回してループ状とした元ファイ
   バループとよシなるη）を特徴とする光フアイバジャイ
   ロ。
2. （２）ザブガラスブロックＢ、Ｃのビームスプリッタは
   偏光ビーノ・スプリッタ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）　　サブガラスブロックＢ、Ｃの外面に、ビーム
   スプリッタで反射されたモニター光の強度Ｅ　／　、、
   　Ｅ　／２を測定するための第２受光素了、第３受光素
   子を結句け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）第２受光累子、第３受光素イの出ノＪに一定値を
   乗じて、第１受光累子へ人別ずべき時旧姻シ光、反時計
   廻受光の光強度Ｅｒ、Ｅｌを算出する乗算器と、乗堺、
   器の出力から伸度振幅Ｔ！：ｒ、Ｅｌを求める平方根演
   奏器と、第】受光素子の出力から、時旧廻り光、反時謂
   廻り光の強ＨＥｒ、Ｅ１を減算する減算器と、減算器の
   出力を、平方根演算器の出力で除算する除算器とを備え
   た特許請求の範囲第（３）項記載の光フアイバジャイロ
   。