JPS60216211A - 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】 産業上の利用分野 本発明は、光フアイバジャイロに関するものである。更
に詳細に述べるならば、本発明は、ダイナミックレンジ
が広い周波数変調式の光フアイバジャイロに関するもの
である。

従来技術 ′角速度を計測し、それを積分することによって方向を
め、自動車、船舶のような２次元移動物体や航空機、ミ
サイル、ロボットのような３次元移動物体などの移動体
の誘導のための基本情報すなわちナビゲーション情報を
得る手段として、ジャイロ装置が知られている。

このジャイロ装置には、剛体回転式、振動式、ガスフロ
一式、リングレーザジャイロ式、光フアイバジャイロ式
など様々ある。

剛体回転式ジャイロは、ロータを持つ機械構造となって
いるために、可動部の軸の摩耗が激しく、寿命が短い問
題がある。

振動式ジャイロは、ロータをなくして剛体回転式ジャイ
ロの問題点の１つを解消しているが、反面、ビームを振
動させるために耐振動性に問題がある。

ガスフロ一式ジャイロは、回転部も振動部もなく、耐加
速度、衝撃特性に優れているが、装置の立ち上がりが悪
く、また、温度安定性が悪い。

リングレーザジャイロは、ジャンボジェット機ボーイン
グ７５６や７６７に搭載されて実用化されているが、所
謂ロックイン現象により低回転速度域の検出が困難であ
り、それを防止するには可動部を設けざるを得ないのが
実情である。

以上のジャイロ装置に比べて、光フアイバジャイロは、
リングレーザジャイロに比ベダイナミックレンジが大き
く、且つ、可動部が全くない長所を持っている。

この光フアイバジャイロには、位相バイアス方式、位相
変調方式、周波数変調方式などがある。

その中で周波数変調方式は、ダイナミックレンジが広く
、調整の困難さが少ないなど、前二者の位相バイアス方
式と位相変調方式と比べて優れている。しかし、従来の
周波数変調方式の光フアイバジャイロは、装置の構成が
複雑であった。

発明の目的 そこで、本発明は、ダイナミックレンジが広くかつ構成
が簡単な周波数変調式の光フアイバジャイロを提供せん
とするものである。

１朋ｐ（戎 すなわち、本発明によるならば、光フアイバコイルの一
端に結合された第１音響光学周波数変調器と、該第１音
響光学周波数変調器を第１の周波数で駆動する第１の発
振器と、前記光フアイバコイルの他端に結合された第２
音響光学周波数変調器と、該第２音響光学周波数変調器
を第２の周波数で駆動する周波数可変型の第２の発振器
と、第３の周波数で駆動される発光素子と、該発光素子
からの光ビームを受けて分岐して前記第１と第２との音
響光学周波数変調器に結合すると共に該第１及び第２の
音響光学周波数変調器からの光ビームを結合する第１ビ
ームスプリツタと、該第１ビームスプリツタと前記発光
素子との間に置かれ該第１ビームスプリツタからの光ビ
ームを光検出器に送る第２ビームスプリツタと、前記第
３の周波数と前記光検出器の出力を受けて同期検波して
該出力が零になるように前記第２の発振器の発振周波数
を制御する同期検波器と、前記第１と第２の発振器の出
力を受ける混合器と、該混合器の出力をうけて前記第１
と第２との周波数の差を計数するカウンタと、第カウン
タの出力から回転角速度をめる計算器とを具備している
ことを特徴とする光フアイバジャイロが提供される。

ヌ潰舅 以下添付図面を参照して本発明による光フアイバジャイ
ロの実施例を説明する。

添付図面は、本発明による光ビームジャイロの１実施例
の構成図である。発光素子１０は、駆動回路１２を介し
て角周波数ωヮで駆動される。その結果、発光素子１０
は、振幅が角周波数ω、で変化する角周波数ωの光ビー
ムを発生する。その光ビームは、第１のビームスプリッ
タ１４を通り、更に、レンズ１６を介して光ファイバ１
８の一端に結合される。その光ファイバ１８を通過した
光ビームは、光ファイバ１８の他端からもう１つのレン
ズ２０を通り、更に、偏光子２２を通って第２のビーム
スプリ、ツタ２４に送られる。

そのビームスプリッタ２４を透過した光ビームは、第１
の音響光学周波数変調器２６を通ってレンズ２６Ａを介
して光フアイバコイル２８の一端に結合される。

他方、ビームスプリッタ２４で反射した光ビームは、第
２の音響光学周波数変調器３０を通ってレンズ３０Ａを
介して光フアイバコイル２６の他端に結合される。

そして、第１の音響光学周波数変調器２６を通って光フ
アイバコイル２８に結合された光ビームは、レンズ３０
Ａと第２の音響光学周波数変調器３０を更に通り、第２
のビームスプリッタ２４で反射されて再び偏光子２２、
レンズ２０を通って光ファイバ１８に結合される。また
、第２の音響光学周波数変調器３０を通って光フアイバ
コイル２８に結合された光ビームは、レンズ２６Ａと第
１の音響光学周波数変調器２６を更に通り、第２のビー
ムスプリッタ２４を透過して、再び偏光子２２、レンズ
２０を通って光ファイバ１８に結合される。

再び光ファイバ１８に戻った光ビームは、レンズ１６を
通り、第１ビームスプリツタ１４で反射されて光検出器
３２に結合される。その光検出器３２の出力は、周波数
ω１を受けている同期検波器３４に接続される。

一方、第１の音響光学周波数変調器２６は、角周波数ω
１の発振器３６に接続された駆動回路３８で駆動される
。この発振器３６は、固定周波数発振器である。第２の
音響光学周波数変調器３０は、角周波数ω２の発振器４
０に接続された駆動回路４２で駆動される。この発振器
４０は、可変周波数発振器であり、例えば、同期検波器
３４によって制御される電圧制御発振器によって構成さ
れる。同期検波器３４は、後述するようにその出力が零
となるように第２の発振器４０の角周波数ω２を変更制
御する。

更に、第１の発振器３６からの角周波数ω、の信号と、
第２の発振器４０からの角周波数ω２の信号とは、混合
器４２に供給される。その混合器４２は、両角周波数の
差の周波数の信号をカウンタ４４に出力する。そのカウ
ンタ４４は、その入力信号をカウントして、単位時間ご
とのカウント値、すなわち、（ω１−ω２）を表す信号
を計算器４６に出力する。

この計算器４６は、後述する必要な計算を行う。

今、光フアイバコイル２８が回転場に置かれ、そのとき
の左回光すなわちＣＣ前光と、右回光すなわちＣＷ光と
の位相差をθとすると、発光素子１０が駆動回路１２を
介して角周波数ωイで駆動されておらず、また、第１と
第２の音響光学周波数変調器２６及び３０が設けられて
いない状態を想定した場合、ＣＣ前光とＣＷ光とは次の
ように表される。

ＣＷ光　：　ｓｉｎ　（ωを十θ／２）ＣＣ前光：　ｓ
ｉｎ　（ａｃｔ−θ／２）そこで、発光素子１０の角周
波数ω１での駆動により、発光素子１０の光ビームの振
幅の変化が次の式％式％ そして、光検出器３２に結合されたＣＷ光の最大振幅が
Ｅｌであり、ＣＣ前光の最大振幅がＥ２であるとすると
、添付図面の装置において光検出器３２に結合されるＣ
Ｗ光とＣＣ前光は、次のように表される。

ＣＷ光： Ｅ＋（１＋ａ　ｓｉｎωｍｔ）　ｅ ｓｉｎ　［（ａ＋＋ａ＋＋＋ωｚ）　ｔ−ω、ｒ十θ／
２〕ＣＣＷ光： Ｅ２（１＋ａ　ｓｉｎω、ｔ　）　・ ｓ＋ｎ　［（ω−）−ω、＋ω２）　ｔ−ω２ｒ−θ／
２〕・・・・・（１） ここで、τ＝ｎＬ／ｃ ｎ＝光ファイバの屈折率 Ｌ＝光ファイバの全長 Ｃ＝真空中の光ビームの速度 ＣＷ光もＣＣ前光も２つの音響光学周波数変調器２６と
３０を通るときにそれぞれω１及びω２の周波数変調を
受けているので、上記式（１）においてｓｉｎωｔの項
に更に（ω１＋ωｚ）ｔが加わっている。しかし、その
周波数変調を受ける位置の違いにより、周波数シフトの
程度が異なる。その補正項がそれぞれ一ω１τ、−ω２
τである。

従って、上記式（１）で表されるＣＷ光とＣＣＷ光とを
重ねて受ける光検出器３２の出力を受ける同期検波器３
４は、次の式で表される信号を出力する。

Ｓ（θ、１） すなわち、 Ｓ（θ、１） 一　（Ｅ＋２＋Ｅａ２）＋Ｅ＋Ｅａ　［θ−（ω１−ω
２）τ〕＋　２ａＥ＋Ｅ　２ｓｉｎ　０ｍ　ｔ　’ＣＯ
Ｓ　Ｃθ　−（ａ＋、　−ω２）　ｒ　〕十〔２ω、の
項〕＋〔２ω以上の項〕 ・・・・・・・・（２） 更に、上記式において、静止時に、 Δω。＝ω１−ω２ として、回転時に、 ω１−ω２＝Δω０＋δω とし、更に、 π 一＝Δω０τ　・・・・（３） とすると、上記式（２）は、次のように表される。

Ｓ（θ、１） ＝　２　ａ　Ｅ＋Ｅ２ｓｉｎ　ｃｔ＋、ｔ　’ＣＯ８［
θ−（Δωθ＋δω）τ］＋　（ＤＣ成分の項〕十〔２
ω以上の項〕＝　２　ａＥ＋Ｅ２８ｉｎ　ａ＋、ｔ　ｅ
ｓｉｎ　（θ−δωτ）＋　（ＤＣ成分の項〕十〔２ω
以上の項〕・・・・・・・・・（４） 上記式（４）ｖｓｉｎ　（θ−δωτ）の項は、同期検
波器３４により抽出することができる。

一方、サグナック効果によれば、 但し、Ω＝回転角速度 λ＝真空中の光ビームの波長 Ｃ−真空中の光ビームの速度 り一光ファイバの全長 Ｄ＝光ファイバコイルの直径 であり、光ビームの光フアイバコイル２８の通過時間は
、上述したように τ＝ｎＬ／ｃ　・・・・・ω） 但し、ｎ−光ファイバの屈折率 従って、上記式（４）において、同期検波器３４が発振
器４０の発振周波数ω２を制御して、（θ−δωτ）を
零となすと、 但し、Ａ−（１／４）πＤ２ Ｐ＝ｎπＤ が成立する。

従って、上記式（６）を計算器４６が計算することによ
り、回転角速度Ωをめることができる。

それ故、静止時のΔω。（＝ω１−ω２）が上記した式
（３） ％式％ を満足するように、可変周波数発振器４０を調整してお
き、その時の（ω、−ω２）を計算器４６に設定してお
く。そして、回転時の（ω１−ω２）をカウンタ４４が
計算器４６に出力したとき、計算器４６は、回転時の（
ω、−ω２）から予め設定されている静止時の（ω１−
ω２）を減算して、δωをめ、更に、別途設定されたＡ
（＝（１／　４）πＤ２）とｐ　（＝　ｎ　ｙｒ　Ｄ）
とに基づいて、上記式（ηの計算して、Ωを算出する。

具体例を考察する。例えば、Ｌ＝２００ｍ。

Ｄ＝Ｇ、１４ｍ、λ＝０．８３Ｘ１（１−’ｕｍ、　ｎ
＝１．４６とすると、 式（７）から ＝２πＸ１．１５Ｘ１０ＸΩ すなわち δｆ　＝　１１５ＫＨｚ　／（ｒａｄ／５ｅｃ）＝０．
９７μｓｅｃ 式（３）から ＝２５０ＫＨｚ 上記例においては、ＫＨｚ単位で周波数可変発振器の発
振周波数が調整できれば、十分測定できることが分かろ
う。

なお、上記実施例において、発光素子１０を角周波数ω
、で駆動する一方、ＣＷ光とＣＣＷ光との合成光を同期
検波しているので、１／ｆ雑音を抑えることができる。

１朋ｐ妻逮 以上の説明から明らかなように、本発明による周波数変
調式の光フアイバジャイロはダイナミックレンジが広く
かつ構成が簡単である。

【図面の簡単な説明】

添付図面は、本発明による光ビームジャイロの１実施例
の構成図である。 〔主な参照番号〕 １０・・発光素子、１２・・駆動回路、１４・・第１の
ビームスプリッタ、 １６・・レンズ、１８・・光ファイバ、２０・・レンズ
、２２・・偏光子、 ２４・・第２のビームスプリフタ、 ２６・・第１の音響光学周波数変調器、２６Ａ・・レン
ズ、２８・・光フアイバコイル、３０・・第２の音響光
学周波数変調器、３０Ａ・・レンズ、３２・・光検出器
、３４・・同期検波器、 ３６・・発振器、３８・・駆動回路、 ４０・・周波数可変発振器、４２・・駆動回路、４４・
・カウンタ、４６・・計算器 特許出願人　住友電気工業株式会社 代理人　弁理士新居正彦 手続補正書 昭和６０年１月ｌＯ日 １、事件の表示　昭和５９年特許願第７３４９７号２、
発明の名称　光フアイバジャイロ ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 住　所　大阪市東区北浜５丁目１５番地名　称　（２１
３）住友電気工業株式会社４、代理人 ６、補正の対象　明細書の発明の詳細な説明の欄、図面
の簡単な説明の欄及び図面 ７、補正の内容 （１）明細書の第５頁第４行から第５行の「しかし、装
置の構成が複雑であった。」との記載を削除する。 （２）明細書の第５頁第５行の次に以下の記載を追加す
る。 「第２図は、従来の周波数変調方式の光フアイバジャイ
ロの１例を示す構成図である。 レーザダイオードのような発光素子５０からのレーザ光
は、ビームスプリッタ５２及び５４を介して、光フアイ
バコイル５６の一端に結合され、ＣＷ波としてその光フ
アイバコイル５６を伝搬する。一方、ビームスプリッタ
５４で分岐されたレーザ光は、周波数変調器５８を介し
て光フアイバコイル５６の他端に結合され、ＣＣＷ波と
して光フアイバコイル５６を伝搬する。 光フアイバコイル５６の一端に結合されたＣＷ波は、光
フアイバコイル５６の他端から出力されて、周波数変調
器５８を介し更にビームスプリッタ５４を介して光検出
器６０に受光される。そして、光フアイバコイル５６の
他端に結合されたＣＣＷ波は、光フアイバコイル５６の
一端から出力されて、ビームスプリッタ５４を介して光
検出器６０に受光される。 かくして、光検出器６０は、光フアイバコイル５６を伝
搬して位相差ができ且つ周波数変調されたＣＷ波とＣＣ
Ｗ波とを受ける。 ここで、周波数変調器５８による変調周波数をω。 とじ、光フアイバコイルの光の伝搬時間をτとし、サグ
ナック効果による位相差をΔθとすると、光検出器６０
の出力の交流成分は、 ｃｏｓ　（ω□τ＋八〇） へ規定される。 光検出器６０の出力は、発光素子５０からのレーザ光を
ビームスプリッタ５２を介して受ける光検出器６０Ａの
出力を受けている帰還制御装置６２に人力される。その
帰還制御装置６２は、変調周波数成分の信号を積分器６
４に出力し、その積分器６４から電圧信号を受ける電圧
制御発振器６６は、入力電圧に従って、ωゎτがΔθと
等しくなるような周波数で周波数変調器５８を駆動する
。従って、電圧制御発振器６６の出力周波数からΔθを
知ることができる。 しかし、以上のような従来の周波数変調方式の光フアイ
バジャイロにおいては、上記式かられかるように、Δθ
が小さい領域すなわち遅い角速度の回転を検出する際に
は、ｃｏｓの変化が小さいため、感度が悪い。また、直
流成分の検出であるので、回路のＳ／Ｎ比が悪い問題も
ある。 そこで、第３図に示すように、位相変調器を介在させる
方法が提案されている。なお、第３図において、第２図
に示した光フアイバジャイロの構成要素と同一部材につ
いては同一参照番号を付しである。 レーザダイオードのような発光素子５０からのレーザ光
は、振幅変調器６８、ビームスプリッタ５２、モードフ
ィルタ７０、偏光子７２、ビームスプリッタ５４、偏光
子７４、周波数ｆ、で駆動される周波数変調器７６を介
して、光フアイバコイル５６の一端に結合され、ＣＷ波
としてその光フアイバコイル５６を伝搬する。一方、ビ
ームスプリッタ５４で分岐されたレーザ光は、周波数ｆ
２で駆動される周波数変調器７８と、周波数ｆ。で駆動
される位相変調器８０とを介して光フアイバコイル５６
の他端に結合され、ＣＣＷ波として光フアイバコイル５
６を伝搬する。 光フアイバコイル５６を右回り左回りにそれぞれ伝搬し
たＣＷ波及びＣＣＷ波は、ビームスプリッタ５２を介し
て光検出器６０に受光される。光検出器６０の出力は、
同期検波器８２に人力されて周波数ｆｆｆｉで同期検波
され、更に、サーボ増幅器８４で増幅され、電圧制御発
振器６６に入力される。その電圧制御発振器６６は、周
波数ｆ２を周波数変調器７８とカウンタ８６に出力する
。そのカウンタ８６は、周波数ｆ１も受けて、周波数差
ｆ１−ｆ２を出力する。 第３図に示すような回路は、信号を交流成分とすること
ができると共に、△θをｓｉｎの形とすることができる
。しかしながら、位相変調器を必要とするだけではなく
、回路が複雑となり、実用的ではない。」 〔３）明細書の第４頁第１６行から第１７行の１リング
レーザジヤイロに比ベダイナミックレンジが大きく、且
つ、」との記載を削除する。 （４）明細書中の下記の各頁各行の記載をそれぞれ以下
のように訂正する。 （５）明細書第１１頁第１７行の ｒＥＩＥ２　（θ−（ω１−ω２）τ〕」を「Ｅ１Ｅ２
・Ｃｏｓ〔θ−（（ｌｌ＋　−ａ＋２）　ｒ）　Ｊと訂
正する。 （６）明細書第１６頁第６行及び第７行の記載を以下の
ように訂正する。 「第１図は、本発明による周波数変調方式の光フアイバ
ジャイロの１実施例の構成図である。 第２図及び第３図は、従来の周波数変調方式の光フアイ
バジャイロの構成図である。」（７）明細書添付図面を
、第１図とする共に別紙の如く訂正する。 （８）別紙の如く、第２図及び第３図を追加する。 第２図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）　光フアイバコイルの一端に結合された第１音響
   光学周波数変調器と、該第１音響光学周波数変調器を第
   １の周波数で駆動する第１の発振器と、前記光フアイバ
   コイルの他端に結合された第２音響光学周波数変調器と
   、該第２音響光学周波数変調器を第２の周波数で駆動す
   る周波数可変型の第２の発振器と、第３の周波数で駆動
   される発光素子と、該発光素子からの光ビームを受けて
   分岐して前記第１と第２との音響光学周波数変調器に結
   合すると共に該第１及び第２の音響光学周波数変調器か
   らの光ビームを結合する第１ビームスプリツタと、該第
   １ビームスプリツタと前記発光素子との間に置かれ該第
   １ビームスプリツタからの光ビームを光検出器に送る第
   ２ビームスプリツタと１前記第３の周波数と前記光検出
   器の出力を受けて同期検波して該出力が零になるように
   前記第２の発振器の発振周波数を制御する同期検波器と
   、前記第１と第２の発振器の出力を受ける混合器と、該
   混合器の出力をうけて前記第１と第２との周波数の差を
   計数するカウンタと、該カウンタの出力から回転角速度
   をめる計算器とを具備していることを特徴とする光フア
   イバジャイロ。
2. （２）前記第２の発振器は、電圧制御発振器であること
   を特徴とす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）前記第１と第２のビームスプリッタとの間には、
   実質的な長さの光伝送路が設けられていることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項または第２項記載の光フアイ
   バジャイロ。
4. （４）前記光伝送路は光ファイバであることを特徴とす
   る特許請求の範囲第３項記載の光ファイバジャイロ。