JPS62239017A - 位相変調方式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、光ファイバジャイロに関するものであり、更
に詳述するならば、高精度な位相変調方式光ファイバジ
ャイロに関するものである。

従来の技術 現在、ジャイロが様々な分野で利用され、特に、航空機
、飛翔体、自動車などの移動体のナビゲーションや姿勢
制御のための角速度センサとして活用されている。この
ジャイロを使用ずれば、角速度だけでなく、それを積分
することにより方位などのデータも得ることができる。

そのようなジャイロの中で、光ファイバジャイロは、光
及びその光が伝搬する光ファイバが磁界や電界の影響を
受は難いため、シールドの問題なくどのような環境でも
使用でき、また、可動部が全くなく口、つ小型化がｉｑ
能であり、更に、最小検出可能角速度（感度）、ドリフ
ト、画側範囲（ダイナミックレンジ）、スケールファク
クの安定性の点において、従来のジャイロに仕較して優
れているために、近年注目され開発されている。

そのような光ファイバジャイロの例は、例えば、ギヤロ
レンジデージー５、フカ口　ジュー。ニー。

他「光ファイバセンサ技術」　アイ　イーイーイージャ
ーナルオブカンクムエレクトロニクス（［１ｉａｌｌｏ
ｒｃｎｚ＋　　’ｌ’、Ｇ、、　　１ｌｕｃａｒｏ　　
、１゜八、　　ｅｌ、　　ａｌ　　”Ｏｐｌ、ｉｒ；ａ
ｔＩｉｌｈｅｒ　５ｅｎｓｏｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
”、　１ｌＥｌｉＲ，１，ｏｆ　Ｑｕａｎｔｕｍ旧ｅｃ
ｔｒｏｎｉｃｓ）ＯＲ−１８，Ｎｏ、４．　　ｐｐ６２
６−６６２（１９８２）やタラショウ及びアイ、ピ乙ギ
レス「光ファイバジャイロスコープ」ジャーナルオブフ
ィジクスエレクトロニクスザイエンス　インストルメン
ト（Ｃｕｌｓｈａｗ　ａｎｄ　ｌ、Ｐ、Ｇ１１Ｌ！ｓ　
”ｌ’１ｂｅｒ　０ｐｔｉｃ　Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓ”
、Ｊ、Ｐｈｙｓ、ｌ：Ｓｃｉ　　Ｉｎｓｔｒｕｍ、）１
６　　ｐｐ５−１５．　　（１９８３）や、外用、犬塚
「光ファイバジャイロスコープ」レーザ研究、１１．　
Ｎｏ、１２．　ｐｐＨｆ１９−９０２　（１９８３）な
どに詳しく示されている。

（ａ）　　光ファイバジャイロの原理 ここで、光ファイバジャイロの原理を第２図を参照して
説明する。

発光素子１（）からの光をビームスプリッタ１２により
分割して、コイル状に多数回シングルモード光ファイバ
１８を巻回した光フアイバループずなわちセンサコイル
２０の両端に人力して、センサコイル２０に右回り（Ｃ
Ｗ）と左回り（ＣＣＷ　）に光を伝搬させる。そのとき
、センサコイル２０が角速度Ωで回転していると、右回
り光、左回り光に位相差へ〇が生じ、八〇を測定するこ
とによって角速度Ωを検出するものである。

センサコイル２０の中を右回りに伝搬した光及び左回り
に伝搬した光の電界の強さＥ。０、Ｅ　ｃ　ｃ　ｗは、
次のように表される。

但し、Ｅｒ、Ｅ＋：左回り光及び右回り光の振幅ω：先
の角周波数 ｔ：時間 △θ；ザニャック効果による位相差 そのように位相差△θが生じた左回り光と右回り光とを
ビートスブリック１２で合成して、受光素子２６に入射
する。その受光赤子２６の検出強度から、位相差△θを
知ることができる。その位相差Δθは、次のように表す
ことができる。

　Ａ 但し、Ｌ：センサコイルのファイバ長 ａ：センサコイルの半径 Ｃ：真空中の光速度 λ：先の波長 Ω：四軸転角速 度れをサニヤック効果という。

位相差△θの検出方法には多様なものがあり、様々なも
のが提案されている。

最も簡ｍに、左回り光、右回り光の和を、受光赤子で二
乗検波すると、出力Ｉは、 ■α（１４−ｃｏｓ（八〇））　・・・・（２）という
形になる。

これはＣＯＳの中に△θがあるので、八〇がＯに近い時
の感度が悪いという欠点がある。

そこで、左回り、右回りの光のいずれかの位相を９０°
ずらして、二乗検波するという光学機構が提案されてい
る。この場合、出力■は、Ｉ（Ｘ（１モ５ｉｎ（八〇）
）・・・・（３）の形になるから、△θがＯに近い時の
感度が良い。

しかし、いずれか一方の光を分離するためには、光路を
分離するだめの新たなビームスプリッタが３つ必要にな
る。また、分離された光路の長さを常に等しくしておか
なければならない。

△θがＯに近い時の感度の改善を、上述したように光学
的な検出機構によって行うには、上記のような難点があ
る。

（ｂ）　　位相変調方式光ファイバジャイロそこで、動
的な機構によって、△θを検出しようとする光ファイバ
ジャイロも多く提案されている。例えば、位相変調方式
、周波数変調方式などである。その中で、最小検出可能
角速度などの点で最も（憂れているものが、位相変調方
式光ファイバジャイロである。

位相変調方式光ファイバジャイロは、光ファイバのセン
サコイルの一方の端に、位相変調素子を設け、変調信号
の大きさを測定することにより位相差△θを求める方式
である。

その位相変調方式光ファイバジャイロについて第３図を
参照して説明する 発光素子１０からの可干渉光は、ビームスプリッタ１２
により２つに分けられ、光ファイバ１８の両端に結合さ
れる。その光ファイバ１８は、センサコイル２０を構成
するように巻回された部分と、角周波数ω。で駆動され
るピエゾ素子のような位相変調素子２２に巻き付けられ
た光ファイバの位相変調部２４とに分けられている。そ
して、光ファイバの両端から結合された光は、それぞれ
、光ファイバのセンサコイル２０内を右回りと左回りに
伝搬し、反対側の）γ；ル（部より出射し、ビームスブ
リック１２により合成されて受光素子２６に入射する。

位相変調素子をセンサコイルに対して非対称な位置に設
けると、同時に発光素子を出た光が、右回り、左回りに
分けられてセンサコイルと位相変調素子巻回部とを通過
するが、変調の時刻が異なるので、受光素子で出力を二
乗検波した時、変調信号が出力に現われる。変調信号の
振幅にΔθが含まれるから、変調信号の大きさを知って
Δθを求めることができる。

例えば、光ファイバのセンサコイルの長さがＬ１ファイ
バコアの屈折率をｎ１光速をＣとすると、光がセンサコ
イルを通過するに要する時間τはτ−ｎＬ／ｃ　　　・
・・（４） である。

分かれ、それぞれ位相変調を受ける時の、変調信号の位
相差φは、 φ＝ω０τ ＝ｎＬωｍ／ｃ ＝２πｆｍｎＩ−／ｃ　　　・・・（５）但し、ω１−
２πｆ□ となる。

サニヤック効果により、右回り光、左回り光は、±Δθ
／２の位相差を持つが、位相変調素子によって、さらに
位相変調される。位相変調の振幅をｂとすると、右回り
光、左回り光の電界の強さＥ　ＣＷ、Ｅ　ｃ　ｃ　ｗは
、 ど ・　・　・（６） ン ・　・　・（７） となる。

以上のような電界強度を有する右回り光、左回り光は、
ビームスプリッタ−２で合成されて受光素子２６によっ
て二乗検波されるので、受光素子の出力Ｓ（Δθ、１）
はＥ　ｃｗとＥ。０いの和を二乗したものに比例する。

Ｓ（△θ、　ｔ　）　＝　（ＥＣ，−１−ＥＣ，Ｗｌ　
２　　　・・・（８）これを計算すると、 ＋Ｄ、Ｃ，−１−（２ω以上）　　　　　　・・・（９
）但し、ＤＣｌは直流成分を意味する。

（２ω以上）は、光の角振動数の２倍の振動数の項とい
う意味である。なお、これは検出器にはかからないので
０である。

となる。かくして、位相変調素子によりもたらされる位
相差φがあるので、Δθを、変調信号の振幅に関係づけ
て得ることができる。

そこで、Ｄ、Ｃを省略して、Ｓ（△θ、１）をベッセル
函数を使って級数展開する。まず、（９）式は次のよう
に表される。

Ｓ（△θ、１） ・　・　・叫 一方、ベッセル函数のＩり函数展開から、ｎ−一美 １θ である。ｔ＝ｅ　　と置くと、 ｎ−−■ と表すことができる。（１２）式の実数部、虚数部の展
開から、００式のｃｏｓ、　ｓｉｎの部分の級数展開を
得ることができる。Ｓ（八〇、１）を、これらの部分に
分けて、 Ｓ（Δθ、１） −（ＳｃＣＯ８Δθ＋５ｓＳｌｎΔθ）ＥｒＥ、　　・
・（１３）と書くと、θ−θ十π／２の変換をした後、
Ｊ−ｈ（ｘ）＝（−）”Ｊ、、（ｘ）　　　　・・・（
１４）但し、ｎは正の整数 という性質を使って、 とおいて、上記Ｓｃと８５を書くと、 ５ｃ＝Ｊ、（ξ） ＋２Σ（−）”Ｊ２ｎ（ξ）ｃｏｓ　２　ｎ　（ＩＪ、
ｔ・・・（１６） Ｓ５−２８（−）′″Ｊ２ｎ＋１（ξ）ｃｏｓ（２ｎ＋
１）　０社・・・（１７） となる。そこで、再び、Ｓ（八〇、１）を表すと次の如
くである。

Ｓ（八〇、１＞ ＝　′／２（Ｅ％＋　ＥＬ２）→−（２ωを以上の成分
）十ＥｒＥＬＪＯ（ξ）　ｃｏｓ△θ 十Ｅ、Ｅ１２Σ（−１）　”　Ｊ　２ｎ　（ξ）ｃｏｓ
２ｎ　ω、、ｔ・ｃｏｓ△θ＋Ｅ、ＥＬ２Σ（−１）’
″Ｊ２ｎ＋＋（ξ）ｃｏｓ（２ｎ＋１）　ωｍｔ・ｓｉ
ｎ△θ・・・σＯａ ＝　Ｉ）　Ｃ成分 −ｔ−２ＥｒＥｌ　Ｊ　＋（ξ）ｃｏｓω、し・ｓｉ口
八へ−２Ｅ、Ｅ、Ｊ２（ξ）ＣＣ］Ｓ２ω１「・ｃｏｓ
△θ」−高次成分　　　　　　　　　　　　・・・００
ｂこれは、変調信号ω□の基本波と、高調波信号の級数
和である。

適当なフィルタを使えば、基本波ω１又は任意の次数の
高調波の信号を取り出すことができる。

どの信号を採用しても、ｃｏｓΔθ又はｓｉｎ△θの大
きさを知ることができる。

その場合、その次数のベッセル函数Ｊ、、（ξ）の値が
大きくなるよう、位相変調素子による変調の振幅ｂ１変
調角周波数ω１、センサコイル通過時間τを設定すべき
である。

最も高感度が期待できるのは、（１７）式の１次の項（
ｎ　＝　Ｏ）すなわぢα［）ｂ式の右辺第２項である。

これは、基本波成分である。この基本波成分をＰ（△θ
、１）とすると、 Ｐ（△θ、１） ＝２Ｅ、ＥＬＪ＋（ξ）ｃｏｓω＋ｎ　ｔ−５ｉｎΔθ
・・・（１８） である。かくして、ｓｉｎΔθに比例した出力かえられ
、基本波成分の振幅を求めて、八〇を知ることができる
。

なお、Ｊ、（ξ）を最大にすると感度が良くなるので、
ξ−１，８に設定する。このとき、直流成分Ｊｏ（ξ）
はほぼＯである。

以上が位相変調方式の光ファイバジャイロの基本構成で
ある。

発明が解決しようとする問題点 従来の光ファイバジャイロにおいては、上記した式αＱ
ｂに示す信号から基本波ω□成分を取り出す場合、参照
信号として角周波数ω。の矩形波を用いて同期検波し、
直流出力２　Ｅ、Ｅ、　ｓｉｎ△θを得る。ところが、
デユーティが正確に１／２でない角周波数ω１の矩形波
は、ローパスフィルタを用いても完全には除去できない
ような２ω１成分も含んでいる。このような参照信号を
使用して同期検波すると、上記した弐〇〇ｂに示す信号
の２ωイ成分が同期検波されて直流成分、 −２ＥｒＥｌ　、Ｊ２（ξ）　［；　ｏ　ｓ△θも出）
ｊされることになるので、これが雑音となって光ファイ
バジャイロの高精度を確保することが！ｆｔ　Ｌかった
。

そこで、本発明は、上記雑音を排して高精度な位相変調
方式光ファイバジャイロを提供せんとするものである。

問題点を解決するための手段 すなわち、本発明によるならば、発光素子と、多数回コ
イル状に巻回されたセンサコイル部分を含み且つ前記発
光素子からの光が分岐されて両端に結合され該センサコ
イルを両方向に伝搬した光を両端から出力する光ファイ
バと、該光ファイバを伝搬した両回り光を受ける受光素
子と、前記センサコイルの一端付近に設けた位相変調器
と、前記受光素子の出力を受けて前記位相変調器の位相
変調周波数と同じ周波数成分を取り出す同期検波器とを
具備し、前記センサコイルが回転したときに生ずる両回
り光間の位相差から回転角速度を測定する光ファイバジ
ャイロにおいて、前記位相変調器の位相変調素子の振幅
を、前記同期検波器の出力信号を最大とするような位相
変調素子の振幅より小さく設定することを特徴とする光
ファイバジャイロが提供される。

許」 位相変調方式光ファイバジャイロの出力は、上記したＱ
Ｑａ式の如くであり、それを一部省略して変形して示す
と、以下のようになる。

Ｓ（Δθ） 一−□　（Ｅ、’＋Ｅ、”） ＋ＥｒＥｌ　（［ＪＯ（ξ）−１２，Ｌ、、（ξ）ＣＯ
８２ｎω、ｔ　〕ｃｏｓ△θ＋　２　Ｊ　２１１−１　
（ξ）ｃｏｓ（２ｎ−１）　（ＩＪＩＩｔ−ｓｉｎ△θ
）・・・αＯＣ 従って、上記した位相変調器が角周波数ω□で励振され
ると、受光素子の出力は、上記Ｑ、ＯＣ式のようになる
。そして、その出力Ｓ（△θ）からｎ＝１すなわちω。

及び２ω。成分のみを取り出すと、となる。従って同期
検波器により角周波数ω□で同期検波したときのＤＣ成
分は、 Ｅ、Ｅ、Ｊ、（ξ）ｓｉｎ△θ　・・・・（１９）とな
る。

一方、矩形波交流励振電源から同期検波器に供給される
角周波数ω□の矩形波のデユーティが正確に１／２でな
い場合には、これに含まれる角周波数２ω１の成分によ
り受光素子からの出力信号の角周波数２ω１の成分が同
期検波されて、Ｅ、Ｅ、Ｊ２（ξ）ｃｏｓ△θ　・・・
・（２０）を上記（１９）式に示す成分とともに出力す
ることになり、これが雑音となる。

従って、信号と雑音の電力比すなわちＳＮ比はＪ、（ξ
）／Ｊ２（ξ）で表わされる。ξの代わりにＸの関数と
してベッセル関数を示している第４図かられかるように
、Ｊ、（ξ）はξ！＝ｆ１．８で最大値を与え、Ｊ２（
ξ）はξ−３，１で最大値を与える。

また、べき級数展開すると、Ｊ２（ξ）はＪ、（ξ）よ
り次数が１次高いため、１ξ１く１．８の領域では１ξ
１が小さいほど１Ｊ、（ξ）／Ｊ２（ξ）ｌ、すなわち
ＳＮ社は大きくなる。

従って、１ξ１くｌ、８にずれば、すなわち、上φ 記（１５）式かられかるようにｌ　２　ｂｓｉｎ−１＜
１．８とすれば、１ξ１＝１．８とするよりもＳＮ比が
増大し、ひいては高感度を確保することができることに
なる。一方、１ξ１をあまり小さくし過ぎるとＳＮ比は
増大するが信号電力が低下することになり、他の要因に
よる雑音たとえば受光素子のショット雑音等が無視でき
なくなる。従って１ξ）の設定に際し、他の要因による
雑音と第２高調波による雑音の寄与する割合もよく考慮
する必要がある。

実施例 以下添付図面を参照して本発明による光フアイバセンサ
の実施例を説明する。

第１図は、本発明を実施した位相変調方式光ファイバジ
ャイロの１実施例の構成を示した図である。この位相変
調方式光ファイバジャイロは、光ファイバジャイロの基
本的条件を備えた最小構成を成している。なお、最小構
成については、イゼキールエス、及びアーディティ　エ
イチ、ジェー。

「光フアイバ回転センサ」スプリンガーーフェアラーク
　ベルすｙ　（Ｂｚｃｋｉｌ　Ｓ、　ａｎｄ　八ｒｄｉ
ｔｔｙ　Ｉｔ、　Ｊ。

”Ｆｉｂｅｒ　　０ｐｔｉｃ　　Ｒｏｔａｔｉｏｎ　　
５ｅｎｓｏｒｓｌｌ、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ
Ｂｅｒｌｉｎ、）　１９８２に詳しい説明がある。

図示の位相変調方式光ファイバジャイロにおいては、発
光素子１０のような光源が設けられ、電源（不図示）に
より駆動されて、光ビームを発生する。なお、光源とし
ては、１ｌｅ−Ｎｅレーザ、半導体レーザ、スーパール
ミネッセントダイオードなどが使用できる。その発光素
子ＩＯが発生する光ビームは、直列に並んだハーフミラ
−のようなビームスブリック１２に送られる。ビームス
プリッタ１２は、発光素子１０からの光を２つに分岐し
て、光ファイバ１８の両端に結合する。

光ファイバ１８は、光フアイバセンサを構成するように
、多数回コイル状に巻かれてセンサコイル２０と、位相
変調器：３０に結合された部分とからなっている。

位相変調器３０は、例えば、圧電振動素子で構成され、
位相変調用の交流励振電源３２に接続され、角周波数ω
□の矩形波の交流で駆動されるようになされている。こ
の場合は、光ファイバ１８は、例えば圧電振動素子３０
に巻き付けられる。

光ファイバ１８を右回りと左回りとに伝搬した光ビーム
は、光ファイバ１８の両端から出力されて、ビームスプ
リッタ１２により合成され、受光素子２６に入射する。

その受光素子２６の電気出力は、角周波数ω□の成分を
通過するバンドパスフィルタ４８を介して同期検波器５
０の入力に接続されている。同期検波器５０は、上述し
た圧電振動素子３０と同様に、位相変調用の交流励振電
源３２に接続され、角周波数ω□の交流を受けるように
なされている。

同期検波器５０は、受光素子２６の電気出力を上記角周
波数ω、で同期検波し、位相差を表わす信号を出力する
。

以上のように構成される位相変調方式光ファイバジャイ
ロは、次のように動作する。

電源により駆動される発光素子１０からの光ビームは、
ビームスブリック１２で２つに分岐され光ファイバ１８
の両端に結合される。

光ファイバ１８に入力された光ビームは、回転を受けて
いるセンサコイル２０の部分で位相差ができ、また、交
流励振電源３２からの角周波数ω１の正弦波交流で駆動
される位相変調器３０に結合された部分において位相変
調される。

そのように光ファイバ１８にふいて位相差ができ且つ位
相変調された右回り光ビームと左回り光ビームは、光フ
ァイバ１８の両端から出力されて、ビームスプリッタ１
２により合成され、受光素子２６に入射する。

その受光素子２６の出力は、バントパスフィルタ４８で
濾波されてω□の成分が出力され、更に、同期検波器５
０においてω１で同期検波され、前述した（１９）式で
表されるｓｉｎΔθに比例した成分すなわち角速度信号
が出力される。

前述したように、上記角速度信号には、矩形波のデユー
ティが正確に１／２でないことを要因とする雑音が混入
するが、他の要因による雑音の影響を考慮して１ξ１を
Ｏから１．８の範囲で適宜設定することにより、前者の
雑音成分を低減することができる。

例えば、信号成分を最大とする位相変調度に比例する値
ξ−１，８のときＳＮ比は、 であるのに対し、ξ＝１．０のときＳＮ比は、となり、
大きく改善される。そして、このようなξの設定は、位
相変調器３０に供給する変調信号の振幅（これにより位
相変調の振幅すを変えることができる）や、位相変調角
周波数ω１及び／またはセンサコイル通過時間τ（これ
により位相差φを変えることができる）を適当に選択す
ることにより可能である。

従って、位相変調方式の光ファイバジャイロにおいて、
」−記したように、同期検波する際誘起された雑音を減
少させて高精度を確保することができる。

発明の効果 以上の説明から明らかなように、本発明による位相変調
方式光ファイバジャイロは、同期検波する際誘起された
雑音を減少させて高精度を確保する。本発明による光フ
ァイバは、広い範囲にわたって活用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を実施した位相変調方式光ファイバジ
ャイロの光学系構成図であり、第２図は、光ファイバジ
ャイロの原理を説明する基本構成図であり、 第３図は、位相変調方式光ファイバジャイロの原理を説
明する基本構成図であり、 第４図は、ベッセル関数Ｊ、の値を示す図表である。 〔主な参照番号〕 １０・・発光素子　１２　　・・ビームスプリッタ１４
．１６・・結合レンズ　　１８・・光ファイバ２０・・
センサコイル　　２２・・位相変調素子２６・・受光素
子　　　　３０・・位相変調器３２・・交流励振電源　
　５０・・同期検波器特許出願人　工業技術院長　等々
力　達１８　　　ｆＶフィバ゛　　　２０−　’ｉフｆ
ｊコイ／し３０　イｆＩ、Ｗノじ一１９竿４３く≧　　
２Ｒｈリリ」λ司雫シ君ζ４８−　フイノしり

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）発光素子と、多数回コイル状に巻回されたセンサ
   コイル部分を含み且つ前記発光素子からの光が分岐され
   て両端に結合され該センサコイルを両方向に伝搬した光
   を両端から出力する光ファイバと、該光ファイバを伝搬
   した両回り光を受ける受光素子と、前記センサコイルの
   一端付近に設けた位相変調器と、前記受光素子の出力を
   受けて前記位相変調器の位相変調周波数と同じ角周波数
   で同期検波する同期検波器とを具備し、前記センサコイ
   ルが回転したときに生ずる両回り光間の位相差から回転
   角速度を測定する位相変調方式光ファイバジャイロにお
   いて、前記位相変調器による位相変調の振幅をｂ、位相
   変調による両回り光の位相差をφとしたとき、｜２ｂｓ
   ｉｎ（φ／２）｜＜１．８を満足するように位相変調の
   振幅、変調角周波数、センサコイルの通過時間を設定す
   ることを特徴とする位相変調方式光ファイバジャイロ。