JPS629213A - 光フアイバ回転センサ - 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］ この発明は新規な位相変調方式の光フアイバ回転センサ
に関する。

［従来の技術］ 回転系においては光フアイバループ内を右回りに伝搬す
る光と左回りに伝搬する光との間に位相差が生じる（サ
グナック効果）。これを利用した光フアイバ回転センサ
（光フアイバジャイロ）には、光フアイバループを伝搬
する光に位相変調をかけて検出感度の最適化を図る、い
わゆる位相変調方式のものが知られている（Ｒ。

ＬＩ　Ｉｒ１ｃｈ　、　０Ｅ）ｔｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒ
　、　Ｖｏｌ、５．　Ｎｏ、５　。

Ｐ１７３．−１９８０．　）。

［発明が解決しようとする問題点］ ところが、この方式の光フアイバ回転センサには次の問
題がある。■検出出力が光源の強度に比例した電圧レベ
ルで得られるため、光源の強度変動の影響を受ける。■
検出出力が求める回転角速度の三角関数で得られ回転角
速度の周ＩＩ関数となるため、ダイナミックレンジが狭
い。

上記■の問題に関しては、光源の強度変動を小さくする
ために、（ａ）光源の温度コントロールを行ない温度を
一定にして安定化させる方法、（ｂ）光源からの光をモ
ニターし、その結果を光源の駆動回路へフィードバック
して光出力を一定にする方法が検討されている。しかし
、（ａ＞の方法では装置が大型化・複雑化し、また、（
ｂ）の方法では十分な効果が得られず実用的でない。

また、上記■の問題に関しては、いくつかの回路を付加
して出力として５ｉｎＫΩ、　　Ｃ０３ＫΩ（Ωは角速
度、には定数）を取り出し、両開数からΩの一般解を求
める方法が提案されている。しかし、（＋）計算が複雑
であるため処理に時間がかかり、（ｉｉｉ　）上記２つ
の関数を用いてもにΩが［−π。

π］の範囲を越えた場合、Ωが一意的に定まらないなど
の問題がある。

［発明の目的］ この発明は以上の従来技術の問題点を解消すべく創案さ
れたものであり、この発明の目的は、光源の強度変動の
影響を受けず高精度の検出ができると共に、ダイナミッ
クレンジを大幅に拡大することができる光フアイバ回転
センサを提供することにある。

Ｃ発明の概要１ 上記の目的を達成するために、この発明は、光源からの
光を２分してコイル状のシングルモード光ファイバの両
端からそれぞれ入射させると共にシングルモード光ファ
イバを右回り・左回り方向に周回して上記両端から出射
される光を合成する光学手段と、光学手段により２分さ
れた光の位相を印加される電気信号に比例してシフトさ
せる光位相変調器と、光学手段により合成された光の強
度を検出する光検出器と、光検出器の出力から基準周波
数成分を取り出す同期検波回路と、上記基準周波数の信
号およびこれとは異なる回転検知用信号により光位相変
調器を駆動する駆動回路と、同期検波回路の出力の最小
値を検出する検出回路と、検出回路が最小値を検出した
ときから上記回転検知用信号の出力がゼロとなったとき
までの時間を測定する測定回路とを備えてなるものであ
る。

［実施例］ 以下に、この発明の実施例を添付図面に基づき詳述する
。

図面において、１は光源であり、光源１からの光は光導
波路２の一端に入射されるようになっている。光導波路
２は基板５上に形成されている。

基板５には光導波路３，４も形成されており、光導波路
２．３．４は単一モード光導波路で、通常の光ｒｃ＠ｌ
造プロセスによって作られる。光導波路２と光導波路３
とは方向性結合部６で空間的に接近して配設されており
、光導波路２を伝播する光の約半分がエバネッセント波
として先導波路３に結合されるようになっている。また
、光導波路３と光導波路４との間も方向性結合部７によ
り伝播光の約半分がエバネッセント波結合されるように
なっている。先導波路３の光源１側の端部にはこれに臨
ませて出射光を電気信号に変換する光検出器８が設けら
れている。また、光導波路３のもう一方の端部と光導波
路４の端部との間は、シングルモード光ファイバコイル
９により接続されている。更に１．方向性結合部７とシ
ングルモード光ファイバコイル９の結合端との間の先導
波路３には導波路形の光位相変調器１０が設けられてい
る。

なお、シングルモード光ファイバコイル９は光の偏波面
を保存して伝播させることが望ましく、例えば偏波面保
存光ファイバを用いるのがよい。

また、基板５および光導波路２．３．４は、ガラスやＬ
ｉＮｂＯ３で作製してもよいが、ＧａＡｓを用いれば、
光源１．光検出器８ならびに後述の電子回路を同一の基
板５上に構成することも可能となる。

光位相変調器１０はこれに印加される電気信号の大きさ
に比例した聞だけ光位相変調器１ｏを通過する光の位相
をシフトさせるもので、光位相変調器１０には波形合成
回路１１により合成された正弦波発生回路１２および重
畳波発生回路１３の出力信号が印加される。重畳波発生
回路１３は、例えばｈｌ（ｔ）＝ａ＋１ｉｎ２７ｒｆ＋
　ｔ　、　ｈ２（ｔ）＝８２．１ ｓｉｎ　　２ｙｒｆ２ｔあるいはｈ：＋（ｔ）＝−ａ：
＋ｉＸ（ｔ）−ｂ）２などの形の波形信号を発生する。

ここでａ＋　、ａ２　、ａ３は電圧で通常は数十ボルト
、ｆ＋　、ｆ２は周波数で１００〜１０００１１２であ
り、またｘ（ｔ）ハランプ波（周波数１００〜１００Ｏ
Ｈ２）　、ｔ　３は正の定数である。ｈｌ（ｔ）は信号
発生が容易であり、ｈ２（ｔ）は信号発生が容易で且つ
ダイナミックレンジが大であり、ｈ３（ｔ）は信号波形
がリニアであるという長所がある。

一方、光検出器８には同期検波回路１４が接続されてい
る。同期検波回路１４は光検出器８の出力から正弦波発
生回路１２の出力信号と同じ周波数の信号成分を取り出
し、その振幅の大きさに比例した信号を出力する。同期
検波回路１４の出力はゼロ点検出回路１５に入力される
ようになっている。ゼロ点検出回路１５は同期検波回路
１４の出力がゼロになったとき、カウント動作用のゲー
ト信号ｑをＬ−）Ｈに切り換える。また、ゼロ点検出回
路１５は重畳波発生回路１３からのリセット信号ｒによ
り、ゲート信号ｑをＨ−＋Ｌに切り換える。重畳波発生
回路１３はその発生する信号がゼロ、即ちｈ（ｔｏ）＝
Ｏとなる時刻ｔｏのときリセット信号ｒをゼロ点検出回
路１５に送出する。カウンタ回路１６は、ゲート信号ｑ
がＬ−＋Ｈのとき正弦波発生回路１２の出力信号のカウ
ントを開始し、ゲート信号ＱがＨ−＋Ｌのときカラトン
を終了し、カウント数を表示回路１７に出力するように
なっている。

次に本実施例の作用について説明する。

光源１から出射した光は光導波路２に入射し、光導波路
２を伝播する光の約半分は方向性結合部６で光導波路３
に結合される。光導波路３に結合され先導波路３を伝播
する光は方向性結合部７にて光導波路３，４に二分され
る。このうち、先導。

波路３を伝播する光は光位相変調器１０を通過した後、
シングルモード光ファイバコイル９に入射しこれを左回
りに周回し、光導波路４に入射する。

一方、光導波路４を伝播する光はシングルモード光ファ
イバコイル９に入射しこれを右回りに周回した後、光導
波路３に入射して光位相変調器１０を通る。光導波路３
，４に戻ってきた両光は方向性結合部７で合波されて干
渉し、干渉光は光導波路３を通りその一端より出射され
、光検出器８に結合されて電気信号に変換される。

シングルモード光ファイバコイル９を右回り・左回りに
それぞれ伝播した後、方向性結合部７で合成され光検出
器８で検出される光の電界の太きさをそれぞれＥｒ、Ｅ
Ｌとすると、 となる。ただし、Ｐ’（ｔ）は光位相変調器１０による
時刻ｔにおける光の位相シフトｉ、τは光がシングルモ
ード光ファイバコイル９を通過するのに要する時間、Δ
φは光フアイバ回転センサの受ける角速度によって生じ
るサグナックの位相差、Ｅｏは光源１の強度に比例する
定数である。

従って、光検出器８に入射する光のパワー■は、となる
。　　。

ここで、光位相変調器１０を次式で示す波形信号により
駆動する。

（４）式の右辺第１項は正弦波発生回路１２の出力に、
また第２項および第３項は重畳波発生回路１３の出力に
それぞれ対応する。このとき、■はとなる。（５）式の
（）内の第１項十第３項十第４項をθ１、第２項をθ２
とおくと、 工＝士εｏ　［１ｆ　（ＯＳ　（ｅ＋　＋８．、）　１
と −２Ｃ：［（＋ｃｏｓｅ、ｃｏｓｅ２−５ｒｎｅ、ｓ：
ｎｅ２ト−（６）［Ｆ］】式のｓｉｎθ２は　　　　　
　　　　　　　　　　　　とく ×Ｊよ、ｌ（２φ。Ｓ副￥）−・−（７）期検波回路１
４に−より取り出さ７る周波数０°′）滓成分の出力Ｖ
　（ｔ）は、 ここに、Ｊｎ（Ｚ）はｎ次のベッセル関数であり、こ Ｊ＋（Ｚ）＆；ｔＺ″″１°８４（７）＆！最大値０・
５４をとる　　　。

から・　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　声２φ、　Ｓ’ｔｎ　円Ｊ＝　１　、８４　　　−（
’？　）　　　　　　てなるようにφ０．ω０．τを決
めれば、本回転ンサの感度は最大となり、 かける。本装置の電源が投入された時点では、丁ｒ ΔφくΣと考えられるので、ｔを 範囲でスキャンさせＶｌ（ｈ）−０となるｔｌを、回転
センサにより求めると 乙φ＝２Ａで（七ｒ−ｔ、）−＋ｒ”　　　−−−（１
２）関係よりΔφが決定される。

このように、本方式では、時間をカウントするとにより
角速度を求めているので、出力がデジル化されており、
侵の処理が容易である。また、期検波回路１４の出力Ｖ
　（ｔ）のゼロ点を検出しｔｌを測定しΔφを決定して
いるため、光源１強度変動の影響を受けない。また、一
般のΔφに対しても、前回のスキャンで求めたｔｌを用
いて、 の範囲でスキャンすれば、新しいｔｌを求めることがで
きる。従って、本発明方式では、通常の位相変調方式の
回転センサに比べてダイナミックレンジを大幅に拡大す
ることができる。

なお、上記実施例においては、波形合成回路１１により
合成した正弦波発生回路１２および重畳波発生回路１３
の出力を１つの光位相変調器１０に印加していたが、例
えば光位相変調器１０と方向性結合部７との間の光導波
路３に第２の光位相変調器を設け、この第２の光位相変
調器に正弦波発生回路１２の出力を印加し、重畳波発生
回路１３の出力を先位相変！５１０に印加するようにし
て、波形合成回路１１を省略するようにしてもよい。

［発明の効果］ 以上型するにこの発明によれば次のような優れた効果を
発揮する。

（１）　　角速度に比例した出力が得られると共に測定
が零位法であるため、ダイナミックレンジが広い。

■　同期検波回路が最小値を検出したときから回転検知
用信号の出力がゼロになったときまでの時間から角速度
を決定しているので、光源の強度変動の影響を受けず高
精度の測定ができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明に係る光フアイバ回転センサの一実施例を
示す構成図である。 図中、１は光源、２．３．４は光導波路、５は基板、６
，７は方向性結合部、８は光検出器、９はシングルモー
ド光ファイバコイル、１０は光位相変調器、１１は波形
合成回路、１２は正弦波発生口路、１３は重畳波発生回
路、１４は同期検波回路、１５はゼロ点検出回路、１６
はカウンタ回路、１７は表示回路、Ｑはゲート信号、ｒ
はリセット信号である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光源からの光を２分してコイル状のシングルモード光フ
   ァイバの両端からそれぞれ入射させると共にシングルモ
   ード光ファイバを右回り・左回り方向に周回して上記両
   端から出射される光を合成する光学手段と、光学手段に
   より２分された光の位相を印加される電気信号に比例し
   てシフトさせる光位相変調器と、光学手段により合成さ
   れた光の強度を検出する光検出器と、光検出器の出力か
   ら基準周波数成分を取り出す同期検波回路と、上記基準
   周波数の信号およびこれとは異なる回転検知用信号によ
   り光位相変調器を駆動する駆動回路と、同期検波回路の
   出力の最小値を検出する検出回路と、検出回路が最小値
   を検出したときから上記回転検知用信号の出力がゼロと
   なったときまでの時間を測定する測定回路とを備えたこ
   とを特徴とする光ファイバ回転センサ。