JPS61180108A - 回転速度検出方法 - 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】 本発明はレーザ光を用いて回転速度を高精度に検出し得
る回転速度検出方法に関する。

円環状に巻回された光フアイバ中に、互いに逆向きに光
を伝搬させたとき、その０ｗ波（時計回り方向に伝搬す
る光波）と００ｗ波（反時計回り方向に伝搬する光波）
とを合波干渉させると、例えば Ｅ、　Ｊ、　Ｐｏｓｔ Ｒｅｖｉｅｗ　　ｏｆ　Ｍｏｄｅｒｎ　　Ｐｈｙｓｅｃ
ｓ　３９　ｐｐ　４７５　（１９６７）等に紹介される
ように、Ｓａｇｎａｃ　　（サニヤック）効果によって
系の角速度に比例した位相差が生しることが知られてい
る。この原理を応用して、レーザ光の位相差から回転軸
等の角速度を検出するレーザジャイロやファイバジャイ
ロが開発されている。

レーザジャイロはリング状の共振器を形成して構成され
、ＣＷ波およびＣＣＷ波の角速度によって生じる位相差
が上記各光波の発娠周波数の倭として現われる為、簡単
に角速度検出ができると云う特徴を有している。

これに対してファイバジャイロは、レーザジャイロに比
較して長い光ファイバを環状に巻いて多重に亘る伝搬路
を形成することにより、その環状面積と巻数との積に比
例した高感度な角速度検出を行い得ると云う優れた特徴
を有している。

ところがファイバジャイロにあっては、本質的に受動干
渉計を構成することから、微小位相差を確実に検出する
工夫を施さなければ、高精度な角速度検出ができないと
いう云う問題を有している。

このような問題に対して、従来では、例えばＲ，Ｆ、　
Ｃａｈｉｌｌ　＆　　Ｅ、　Ｖｄｄ○ｐｔｉｃｓ　Ｌ　
ｅｔｔｅｒｓ　４　ｐｐ　９３　　（１９７９）に紹介
されるように、音響光学効果によるブラッグ光変調器を
用いてＣＷ波およびＣＣＷ波にそれぞれ周波数差ｆｍを
与え、光ファイバで生じた両波の間の位相差を零とする
ように上記変調器を駆動する■ＣＯの発振周波数ｆｍを
可変制御し、この発振周波数はｍから角速度を検出する
ような工夫が試みられている。

然乍ら、このような手段ではブラッグ光変調器に要する
駆動１力が大きく、装置の小型化・軽量化が著しく困難
であると云う不具合を有していた。

またＶＣ○に要求される仕置波数変化幅を大きく設定す
る必要があり、制御性およびその構成が相当複雑化した
。その上、ジャイロを光集積化するに際して有望なＧａ
Ａｓ　等の■−ｖ属半導体基板上にそのままブラッグ光
変調器を形成しても表面超音波の励振効率が悪く、実用
に適さないと云う問題がある。この為、ＺｎＳ等にブラ
ッグ光変調器を形成し、これを組合せる等の対策が必要
となり、製造プロセスに大きな困雌を伴った。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、そ
の目的とするところは、レーザ光を用いて簡易に、且つ
高精度に回転速度を検出することのできる回転速度検出
方法を提供することにある。

以下、図面を参照して本発明の一実施例方法につき説明
する。

第１図は本発明に係る回転速度検出方法を適用して実現
される光集積回路化されたファイバジャイロの概略構成
図であり、第２図は上記ファイバジャイロの電気的制御
回路の構成図である。

第１のレーザ光を発生する半導体レーザ装置１はブラッ
グ反射器１ａ、　ｌｂと、これらのブラッグ反射器１ａ
、　ｌｂに挟まれて設けられた活性領域１ｃとにより構
成される。

ブラッグ反射器１ａ、　１ｂは活性領域１ｃに対して電
気的に分離ぎれ、後述する電気制御電圧の印加による電
気光学効果によってその光位相定数を可変される。これ
によってブラッグ反射器１ａ、　Ｉｂ内で選択反射する
レーザ光波長が可変制御されるように構成されている。

従って、この半導体レーザ装置１から出力される第１の
レーザ光は、電気信号によって発振周波数制御され、ま
たこの制御に要する電力も僅かで良（なっている。

また第２のレーザ光を発生する半導体レーザ装置２は、
上記半導体レーザ装置１と同様に、ブラッグ反射器２ａ
、　２ｂ、そして活性領域２ｃとにより構成され、その
出力である第２のレーザ光の発振周波数もＮ気的に制御
される。これらの第１および第２のレーザ光の発振周波
数のオフセットは、各発振周波数可変範囲に比して十分
小さく抑えられていることは云うまでもない。

しかして、半導体レーザ装Ｍ１．２より出力される第１
および第２のレーザ光はＴＥ波となっており、それぞれ
ＴＭｉ！Ｈ！断フィルタ３，４を介したのち、入射角が
４５°に定められたブラック反射ご一ムスブリツタ５，
６を介してＴＭ波に変換されて、略９０°方向に導かれ
る。このようにしてＴＭ波に変換された第１および第２
のレーザ光は導波レンズ７．８をそれぞれ介して光ファ
イバ９に送出される。光ファイバ９は、例えば軸１０の
周囲に巻回され、その両端を上記導波レンズ７．８にそ
れぞれ結合したものである。尚、軸１０は光ファイバ９
の巻回に用いられるもので、冶具として機能する。

従って第１のレーザ光は導波レンズ１から光ファイバ９
を時計回り方向に伝搬して、ＣＷ波として導波レンズ８
に到達する。また他方の第２のレーザ光は導波レンズ８
から光ファイバ９を反時計回り方向に伝搬して、ＣＣＷ
波として導波レンズ７に到達する。

このようにして光ファイバ９を互いに逆向きに伝搬した
第１および第２のレーザ光（ＣＷ波とＣＣＷ波二ＴＭ波
）は導波レンズ７．８にてそれぞれコリメートされて前
記ビームスプリッタ５．６に入射される。

このとき、上記各レーザ光はビームスブリッタ５．６に
よって第１および第２の半導体レーザ装置１．２側にも
反射波を生じるが、この反射波のＴＭ波成分は、前記Ｔ
ＭＭ波断フィルタ３．４によってそれぞれ阻止される。

これ故、反射波による第１および第２の半導体レーザ装
［１，２の動作不安定化等が生じる懸念が少なくなる。

尚、このようなＴ　Ｍ波の通過を阻止するＴＭＭ波断フ
ィルタ３．４は金属膜クラッドを付加すること等により
実現される。

ところで前記第半導体レーザ装置１．２より出力された
第１および第２のレーザ光のＴＥ波成分はビームスプリ
ッタ５，６を透過して、その結合長が十分長く設定され
たブラッグ反射モード変換器１１に導かれる。このモー
ド変換器１１にて上記ＴＥ波の各レーザ光は、各々Ｔ　
Ｍ波に変換されて反射さる。そして、これらの各レーザ
光はブラッグ反射器１２．１３にて反射されたのち、ブ
ラッグ反射ビームスプリッタ１４に導かれて光結合され
る。

このブラッグ反射ご−ムスブリツタ１４は第１の光結合
器として作用し、これによって結合されたレーザ光は第
１の光検出器１５．１６上にて干渉することになる。か
くしてここに、第１の光検出器１５゜１６に上記レーザ
光の光混合差周波数（ｆｌ　−ｆ２　）が生じ、これが
検出される。

また前記光ファイバ９を介して伝搬されたレーザ光のＣ
Ｗ波およびＣＣＷ波は、前記ビームスプリッタ５．６を
透過して第２の光結合器であるブラッグ反射ビームスプ
リッタ１７に導かれる。このビームスプリッタ１７に入
力する各レーザ光はＴＭ波であり、ここで光結合されて
透過波および反射波に２分されて光検出器１８．１９に
導かれる。この光検出器１８．１９上で上記各レーザ光
が干渉し、光混合差周波数（ｆｌ　−ｆ２　）を生じて
光検出器１８゜１９にて検出される。

尚、図中２０は、光ファイバ９を除く各構成要素、つま
り半導体レーザ装置１，２やビームスプリッタ、光検出
器等を集積した（３ａ　ＡＳ等の半導体基板である。

かくしてここに、第１の光検出器１５．１６によって半
導体レーザ装置１，２が出力する第１および第２のレー
ザ光の周波数の差、つまり光混合差周波数（ｆｌ　−ｆ
２　）が検出されている。また、第２の光検出器１８．
１９によって光ファイバ９を互いに逆向きに伝搬された
レーザ光の、つまりＣＷ波およびＣＣＷ波の光混合差周
波数（ｆｌ　−ｆ２　＞が検出されている。

さて、上記の如く第１および第２の光検出器１５゜１６
、１８．１９にて検出された各光混合差周波数（ｆｌ　
−ｆ２　）の検出信号は第２図に示される位相器２１．
２２．２３．２４にそれぞれ供給される。第１の光検出
器１５．１６で得られた信号は位相器２１．２２を介し
て相互に逆相となる位相関係に定められたのち、差動増
幅器２５に導かれて合成・増幅される。

また第２の光検出器１８．１９にて検出された信号は位
相器２３．２４を介して逆相関係に位相制御されたのら
、同様に差動増幅器２６に導かれて合成・増幅される。

位相検出器２７は、上記各増幅器２５で求められた、第
１ｆ３よび第２のレーザ光の光混合差周波数（ｆｌ　−
ｆ２　＞と、光ファイバ９を介して伝搬された上記第１
および第２のレーザ光の光混合差周波数（ｆｌ　−ｆ２
　）との位相差を検出している。

この位相検出器２７によって求められた位相差信号は、
低域濾波器（ＬＰＦ）２８を介して増幅器２９に導かれ
、必要レベルまで増幅されたのち前記第１の半導体レー
ザ装置１のブラッグ反射器１ａ、　Ｉｂの制御に供され
る。この位相差信号に応じて前記ブラッグ反射器１，１
ｂの光位相定数が変化し、第１のレーザ光の発揚周波数
ｆ１が前述したように変化する。

そして、この第１のレーザ光の発掘周波数ｆ１の変化に
より、前記位相差検出による発掘周波数の安定した時点
、つまり制御ループの位相が特定嬢で安定したときの前
記光混合差周波数（ｆｌ　−ｆ２　）が増幅器２５から
カウンタ３０に導かれてその周波数差の計測が行われる
。この周波数差は後述するように角速度に相当したもの
となっているから、結局、カウンタ３０の計数値から角
速度（回転速度）を求めることが可能となる。

次に、上記の如く構成されたファイバジャイロによる回
転速度の検出作用につき説明する。

円環状に巻かれた光ファイバ９の半径がＲ１巻数がｍで
あるとき、軸１０を含む系の回転角速度がΩであるとす
ると、周波数ｆ１なる第１のレーザ光がＣＷ波として光
ファイバ９を伝搬するに要する時間τＣＷは次のように
示される。

τｃｗ＝（２ｒＲｍ−ΔＳｃｗ）／Ｃ ＝ΔＳｃｗ／ΩＲ 但し、光ファイバ９の出口がτＣＷ時間に移動する長さ
を△３ｃｗとして示してあり、この△ＳｃｗはΔ３Ｃｗ
＝　（２ｒＲｍ　／Ｃ） ÷（（１／Ｃ）＋　（１／ΩＲ）） として示される。従って上式は整理してτＣｗ＝　２π
Ｒ１１１／’（Ｃ十ΩＲ）　　・・・・・・（１）とし
て示すことができる。

一方、周波数ｆ２なる第２の半導体レーザ光がＣＣＷ？
！ｔとして光ファイバ９を伝搬するに要する時間τＣＣ
Ｗは、同様にして次のように示される。

ｒｃｃｗ　　＝２πＲｍ　　／　　（Ｃ−ΩＲ）−・−
−・・（２）但し、Ｃは光フアイバ９中を伝搬する半導
体レーザ光の速度である。従って上記条件において、第
２の光検出器１８．１９によって検出される光混合差周
波数の位相φ（１）は φ（ｔ＞＝　２πｆ１　　（ｔ−ｒｃｗ）−２πｆ２　
　（を−ｒｃｃｗ　） −２π（ｆｌ　−ｆ２　）　ｔ −２π（ｆｌ　ｒｃｗ　−ｆ　２τＣＣＷ　）・・・・
・・（３） として示され第（３）式において第２項は前記角周波数
Ｑに依存していることが判る。

従ってこの角周波数Ωに依存する第２項に着目し、これ
をＶ（Ω）とすると Ｖ（Ω）　＝　２π（ｆｌ　ｒｃｗ−ｆ２　ｒｃｃｗ　
）として示され、前記第（１）ｉ２）式からＶ（Ω）＝
　２π（２πｆｌＲｍ／（Ｃ＋ΩＲ）−２πｆ２　Ｒｍ
　／　（Ｃ−ΩＲ））・・・・・・！４） なる関係が成立することが導かれる。

従って前述したように光混合差周波数の位相差を検出し
、この位相差に基づいて第１のレーザ光の元方周波数を
帰還制御して、そのループにオフセットを与え、上記Ｖ
（Ｏ）が零となるように調整することによって、次のよ
うに角速度Ωを求めることが可能となる。

即ち、第（４）式において ｆｌ　、／　（Ｃ＋（’）Ｒ）＝ｆ２　／　（Ｃ−ΩＲ
）・・・・・・（５） なる条件に位相制御すればよいから、このときの周波数
ｆｌ、ｆ２より Ω−Ｃ（ｆｌ　−ｆ２　）／Ｒ（ｆｌ　＋ｆ２　）・・
・・・・（６） として角速度Ωが求めることが可能となる。

またこの関係は ｆｌ　−ｆ２　＝ＲＱ　（ｆｌ　＋ｆ２　）／Ｃ＃２Ｒ
Ω／λ　　　　　・・・・・・（７）として示されるか
ら、前述した光混合差周波数＜ｆｌ　−ｆ２　）をカウ
ンタ３ｏにて計測し、また光ファイバ９の巻き半径Ｒと
半導体レーザ光の波長λとを予め求めておけば、ここに
簡易にして角速度Ωを検出することが可能となる。

このように本発明に係る回転速度検出方法によれば、電
気的制御系を非常に簡易に構成し、また前記光学系と共
にＱａ　Ａｓ基板２０上に同時集積してファイバジャイ
ロを実現ことが可能である。また第１の半導体レーザ光
の発振周波数を位相制御の下で可変し、その安定点にお
ける光混合差周波数を計測して角速度Ωを求めるので、
測定精度の大幅な向上を図ることができ、またその信頼
性を非常に高くすること等が可能となる。

以上説明したように本発明方法を適用したファイバジャ
イロによれば ■）　従来広く用いられた超音波ブラッグ反射器のよう
に大電力の高周波電気信号を全く必要としない。

■）　この為、他の微細な電気信号を処理する系への誘
導障害等を招くことがなく、動作の安定化を図り得る。

ＩＩＩ）　　そして飛行物体等に搭載した場合等、シー
ルド用部材の重層軽減や、電源等の簡易化を図り得る。

■）　光によってフェーズ・ロックド・ループの発振器
を構成するので、その発振周波数の比帯域帯を広くとる
ことができ、割引性の安定化を図り得る。

■）　光ファイバ９による環状光導波路を含めて全てを
電気・光学的に構成でき、機械的可動部分を全て必要と
しない。

■）　これ故、システムの小型・軽量化を簡易に図り得
、１チツプ集積化も可能となる。

■）　その上、検出感度も十分高く設定できる上、検出
精度も高くできて、実用性に優れたシステムを簡易に実
現できる。

等の絶大なる効果を秦する。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものではない。例
えば光ファイバ９の巻き数やその半径、レーザ光の発振
周波数等は仕様に応じて定めれ（ｆよいものである。ま
た第１および第２の光検出器をそれぞれ１つだけ設ける
ようにしてもよい。また光ファイバ９を基板２０の裏面
に配設して、ファイバジャイロのコンパクト化を図るよ
うにしても良い。要するに本発明はその要旨を逸脱しな
い範囲で種々変形して実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例方法を適用して構成されるフ
ァイバジャイロの光学系を示す概略構成図、第２図は同
実施例における電気的制御回路の構成図である。 １．２・・・半導体レーザ装置、３，４・・・ＴＭ波遮
断フィルタ、５，６・・・ブラッグ反射ビームスプリッ
タ、７．８・・・導波レンズ、９・・・光ファイバ、１
０・・・軸、１１・・・ブラッグ反射モード変換器、１
２．１３・・・ブラッグ反射器、１４．１７・・・ブラ
ッグ反射ビームスプリッタ（光結合器）　、１５．１６
．１８．１９・・・光検出器、２０・・・半導体基板、
２１．２２．２３．２４・・・位相器、２５．２６・・
・差動増幅器、２７・・・位相検出器、２８・・・低Ｉ
Ｉ！濾波器（ＬＰＦ）、２９・・・増幅器、３０・・・
カウンタ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 第１および第２のレーザ光の差周波を検出すると共に、
   回転軸に対して光フアイバを介して互いに逆向きに伝搬
   させた上記第１および第２のレーザ光の差周波を検出し
   、これらの検出された差周波の位相差が特定値に一定化
   するように前記第１のレーザ光の周波数を変化させ、こ
   のときの前記第１および第２のレーザ光の差周波から前
   記回転軸の回転速度を検出してなることを特徴とする回
   転速度検出方法。