JPS6319516A - 光ｉｃ型回転センサ - 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】 （発明の技術分野） 本発明は、飛翔体あるいはロボットの姿勢制御に用いる
高精度の回転センサに関するものである。

（従来技術とその問題点） 複屈折光ファイバを用いた従来の光ファイバ回転センサ
の構成を第３図に示す。第３図で、レーザ１からの出射
光はレンズ２で平行光にされ、バルク偏光子４で複屈折
光ファイバ７の主軸方向に偏光した直線偏光となり、レ
ンズ５で光ファイバ７に入射される。光ファイバ７に入
射された光は、３ｄＢ光結合器６で２等分され光ファイ
バ７をコイル状に形成したファイバコイル７ａを右回り
に伝搬する光と左回りに伝搬する光に分けられる。ファ
イバコイル７ａを右回りと左回りに伝搬した光は、３ｄ
Ｂ光結合器６で再び合波されレンズ５．偏光子４を通過
した後、ハーフミラ−３で反射されて光検出器９に入る
。光検出器９は、ファイバコイル７ａ内を右回りに伝搬
した光と、左回りに伝搬した光との干渉光強度に比例し
た光電流を生ずる。このような光ファイバ回転センサで
は、通常ファイバコイル７ａの中心位置に紙面と垂直に
配置される回転軸の回転による光ファイバ７の回転に応
じて、ファイバコイル７ａ内を左右両回りに伝搬する光
の光路長に差が生じる。このような現象は５ａｊｎａｃ
効果として知られており、Ｂ、　Ｊ、　Ｐｏ５ｔ　”Ｓ
ａｇｎａｃＥｆｆｅｃｔ”　Ｒｅｖ、　ｏｆ　Ｍｏｄｅ
ｒｔ＋　Ｐｈｙｓ、νａｔ、　３９−２゜ｐ、ａ７ｓ−
４９３（１９６７）に詳細に記述されている。左右両回
り光の光路差に対応して両回り光の藺に（１）弐に示す
位相差ψが生ずる。

ここで、λは真空中の光源の波長、Ｃは真空中の光速度
、Ｒは光ファイバコイルの半径、Ｌは光結合器６以後で
実質上ファイバコイル７ａを形成する光ファイバ７の長
さ、Ωは前記の回転軸の回転角速度である。従って、光
検出器からの光電流出力！は、この位相差ψによって Ｉ　ｏｃｌ　＋ｃｏｓ　％９　　　　　　　（２）とな
る。このため、光電流出力ｌの変化を読み取ることによ
り、回転角速度Ωを検出できることになる。ただし、式
（２）の場合には微小回転（ψ＜１）の場合に出力■が
ほぼ一定値となり回転検出が不可能となるために、第３
図に示すようにＰＺＴ振動子８に光ファイバ７を巻付け
、ＰＺＴ振動子に交流電圧を加えて光ファイバ７中を伝
搬する光に位相変調を加える。いま、ｐｚｔに印加する
交流電圧の各周波数をω１、位相変調度をψ、とすると
光検出器の出力電流ｉ　（ｔ）は １（ｔ）ＤＣ１＋ｃｏｓ　Ｃψ十ψ、ｃｏｓ（ωａｔ）
）＝　ｌ　＋ｃｏｓ９）ｃｏｓ　（ψｔｈｃｏｓ　（ω
ａｔ））　　　ｓｉｎψｓｉｎ　（ψ、ｃｏｓ　（ω１
ｔ）〕＝　１　＋ｃ６ｓψ（Ｊ、（ψＪ＋２Ｊｇ（ψｍ
）ｃｏｓ（２ω１Ｉｔ）　＋・−）＋ｓｉｎψ（２Ｊ、
（ψω５ｉｎｃω、１）＋・・・】（３）となる、ただ
し、ｊ、、　Ｊ、、　Ｊｊ番士ベフ七ル関数である。１
（ｔ）の各周波数成分の申で、ω、の成分を同期検波す
ることにより出力 Ｉｆ　　００　　ｓｉｎψ’　　２Ｊｉ（ψｍ　）　　
　　　　（４）が得られる。微少回転ψ（１め場合式（
４）は）Ｉ　ＱＣψ’　２Ｊ＋（ψ、＞　　　　　　　
（５）となり回転角速度に比例した出力が得られる。

従来、第３図のハーフミラ−及び方向性結合器や偏光子
としてバルク形やファイバ形の素子か用いられた例はあ
るが、いずれも回転センサの小型化が難しい上に、個別
光部品間の光軸が機械的に振動や塩度変化によってずれ
るために出力ドリフトが生ずる等の欠点があった。

（発明の目的と特＠） 本発明は、従来のかかる欠点を除去するために、バルク
光学部品やファイバ形光学部品の代りに、石英系光導波
路を使用することによって、機械的外乱による雑音を低
減化した光ＩＣ型回転センサを提供することを目的とす
る。

本発明は、ファイバコイル以外の光学部品を総て石英系
光導波路で構成することを鼓も主要な特徴としており、
従来の技術とは小型化が可能でありしかも大量生産が可
能である点が大きく異なる。

（発明の構成と作用） 第１図は本発明の一実施例図であり、１１はＳｉ基板、
ｉ２は石英系単一モード導波路、１３は光源、１４は光
検出器、１乳１５，１は第一および第二の３ｄＢ方向方
向性器、１６は偏光子、１７は位相変調器、１８はフナ
イバガイド溝、１９はファイバコイルである。

本実施例に示す先導波路としては、ガラス系。

半導体系１強誘電体系、プラスチック系等を用いること
ができるが、センシングコイルに用いる石英ファイバと
の整合性の点から、石英系ガラス先導波路を用いること
が望ましい、第１図に示すような導波路形状は、石英系
ガラス膜に微細加工を施すことによって作製することが
できる。石英系ガラスは、反応性イオンエツチング法や
反応性イオンビームエツチング法等のプラズマエッチン
グプロセスによる微細加工に通した材料であり、加工性
の観点からも本発明の光導波路として適している。

石英ガラス導波路のコア径は３〜１０μｌであり、クラ
ッドとの屈折率差は０．３〜１．０％である。第１図の
偏光子１６は、ガラス導波路上に直接あるいは薄い低屈
折率のバッファ層を介して＾ｌ、＾ＵやＡｇ等の金属を
蒸着したものである。ガラス導波路上に金属を装荷した
場合、金属面に垂直な電界成分を持つモード（７Ｍモー
ド）は、金属面に水平な電界成分を持つモード（ＴＥモ
ード）に比べて非常に大きい吸収損失を受ける０例えば
、金属としてＡＮを用いる場合、ＴＥモードの損失は０
．６ｄＢ／備程度であるのに対して７Ｍモードの損失は
３６ｄＢ／ｃｓ程度となる。従って、金属を装荷する長
さをｌｅａ〜１．５ｃｍとすれば、バルクの偏光子並の
消光比が得られる。また第１図の位相変調器１７は第３
図におけるＰＺＴ変調器８と等価な働きをするもので、
本実施例では、ガラス導波路上にＴｉ薄膜ヒータを長さ
５１１にわたって蒸着している。Ｔｉ薄膜ヒータにＩ　
Ｋ）ｌｚの交流電圧を印加することにより、ヒータ直下
の導波路の屈折率を熱によって変化させ、位相変調を行
うことが出来る。ただし、石英系先導波路の場合、温度
変化ΔＴ＝１℃当たりガラスの屈折率変化はΔｎ々１．
Ｉ　Ｘ　１０−’程度である。

もちろん、ヒータ材料としては、他の金属膜でもよ（、
Ｃｒ、　Ｍｌ−Ｃｒ等を用いてもよい。

第４図に本実施例の回転センサにおいて、実質上ファイ
バコイルを形成する光ファイバの長さし一２００ｍ、フ
ァイバコイル直径４ｃｍとした時のファイバコイルの中
心軸を東西方向に向けたとき（特に、回転角速度Ω＝０
になるようにしたとき）のロックインアンプの出力を示
すｇＰＩ音による出力変動は０．１°／ｈｒ以内（ロッ
クインアンプの時定数Ｔ　ｃ＝　４０秒）であり、十分
安定な回転センサが実現されていることは明らかである
。

（発明の効果） 以上、説明した通り、本発明においてはファイバコイル
以外はすべて石英系光導波路を用いているために、機械
的振動等の外乱に対して安定であり、小型化、量産化に
も適している高感度回転センサを実現出来るという利点
がある。

また、ファイバコイルを構成する光ファイバとして、比
屈折率（Δｎ）の大きな単一モードファイバを使用すれ
ば、ファイバコイル径を小さくでき、従って、本回転セ
ンサの小型化がさらに容易になる利車がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光ＩＣ型回転センサの一実施例を
示す構成図、第２図は本発明に用いる光検出器の串力を
示す特性図、第３図はバルク部品及びファイバ形部品を
用いた従来の回転センサの構成別図、第４図は第１図に
示す光ｒｃ型回転センサの感度特性例を示す図である。 ｌ・・・？−ザ光源、　２．５．１０・・・レンズ、３
・・・ハーフミラ−１６・・・３ｄＢ方向方向性器、７
・・・光ファイバ、７ａ・・・ファイバコイル、８・・
・ＰＺＴ振動子、　９・・・光検出器、１１・・・Ｓｉ
基板、　１２・・・石英系ガラス導波路、１３・・・レ
ーザ光源、　１４・・・光検出器、１５、１５ａ・・・
３ｄＢ方向方向性器、　１６・・・偏光子、１７・・・
位相変調器、　１８・・・ファイバガイド導、１９・・
・ファイバコイル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）回転軸に対して平行な軸を有するように置かれた
   ファイバコイルのその光ファイバ内を互いに逆の方向に
   伝搬する光の実効的光路長差が該光ファイバの前記回転
   軸上の回転角速度に比例することを利用して該光ファイ
   バの置かれた系の回転角速度を検出する光ファイバ回転
   センサにおいて、光源からの光は第一の３ｄＢ方向性結
   合器を通った後に、導波路上に金属を装着した偏光子を
   通り、第二の３ｄＢ方向性結合器によって前記ファイバ
   コイルの両端に結合され、前記第一の方向性結合器の前
   記光源側の他のアームに光検出器が配置され、前記方向
   性結合器、偏光子、位相変調器が石英系単一モード導波
   路で構成され、前記ファイバコイルの二つの端部のうち
   一方の端部と前記第二の方向性結合器の間に導波路に熱
   を印加するＴｉ薄膜等のヒータ用電極が装荷されている
   ことを特徴とする光ＩＣ型回転センサ。