JPS6348285B2

JPS6348285B2 -

Info

Publication number: JPS6348285B2
Application number: JP57173482A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Nishiwaki; Yozo Nishiura
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1982-10-01
Filing date: 1982-10-01
Publication date: 1988-09-28
Also published as: JPS5961707A

Description

【発明の詳細な説明】 (ア) 本発明の目的この発明は、小型、軽量、高信頼性で、かつ、
時計廻り、反時計廻り光の強度を調節できるよう
にした光フアイバジヤイロに係る。

(イ) 公知の光フアイバジヤイロ第２図は公知の光フアイバジヤイロの概略構成
図である。

レーザ３１はたとえばHe−Neレーザである。
レーザ光はビームスプリツタ３２により２本の光
束に分けられる。２光束は、レンズ３３，３４で
絞られ、単一モード光フアイバループ３５の両端
に入射する。両端から入つたシングルモード光
は、光フアイバループ３５の中を、時計廻り
（CW）及び反時計廻り（CCW）に伝搬する。そ
して、光フアイバループの他端から出射された
CW光、CCW光はレンズ３３，３４を経て、ビ
ームスプリツタ３２を越えると、再び合一して一
光束となる。合体した光束の強度を光検出器３６
が検出する。

光学系の全体が、慣性空間に対し、Ωなる角速
度で回転すると、時計廻り、反時計廻り光の間に
位相差Δθが生じる。

位相差Δθは Δθ＝4πLaΩ／cλ (1) で与えられる。ここで、ｃは真空中での光速、λ
は真空中での波長、Ｌは光フアイバループの全
長、ａは光フアイバループの半径である。

これをSagnac効果と呼ぶ。位相差Δθから、回
転角速度Ωを知ることができる。

光フアイバは低損失で、可撓性に富むから、高
感度で、小型のジヤイロを構成することができ
る。

このような光フアイバジヤイロは、レンズ、レ
ーザ、ビームスプリツタ、光検出器などの光学部
品が個別に配置されている。

機械的な振動により、光軸がくい違い、出力が
ドリフトすることがある。

このほか、小型化できないという難点もある。

(ウ) ガラスブロツクを用いた光フアイバジヤイロ本発明者は、小型化、軽量化、高信頼化を目的
として、第３図に示すようなガラスブロツクを用
いた光フアイバジヤイロを既に発明した（特願昭
57−100106号）。

この光フアイバジヤイロは、直角二等辺三角形
を底面とする２つの角柱型ガラスブロツクを貼合
わせてなる。

ビームスプリツタ３９は、ガラスブロツクの斜
面に、透過率が50％になるよう、薄膜（例えば、
Al、Ag）などをコーテイングしたものである。
そして、同一形状の第１ガラスブロツク３７、第
２ガラスブロツク３８を斜面に於て、貼合わせ、
立方体形状にしてある。

発光素子４０、受光素子４１は、ビームスプリ
ツタ３９に関し面対称の位置の、ガラスブロツク
外面に接着してある。

発光素子はレーザダイオード、受光素子はホト
ダイオードを用いる。接着剤は、光学的に均質
で、透過率が高く、耐環境性に優れたものを用い
る。

例えば、エポキシ系接着剤、バルサムなどであ
る。

発光素子４０、受光素子４１の対向面には、集
光レンズ４２，４３がガラスブロツク面に接着し
てある。集光レンズは、屈折率が二乗分布で変化
する円筒形状のロツドレンズを用いている。

光フアイバループ４４は、光フアイバを多数回
巻回したものである。集光レンズ４２，４３で絞
られた光は、単一モードフアイバである光フアイ
バループ４４の両端に入射する。

このようなガラスブロツク化した光フアイバジ
ヤイロは、小型、軽量であるし、機械的振動に対
しても強い。

しかし、フアイバ端、レンズ、ガラス境界面な
どで反射があつて、発光素子たる半導体レーザの
出力が安定しないこともある。

(エ) アイソレータ、偏光ビームスプリツタを有す
る光フアイバジヤイロ第４図は、本発明者がさらに研究を進めて発明
した光フアイバジヤイロの構成を示す。

半導体レーザである発光素子４０と、ガラスブ
ロツク３７の間に、光アイソレータ４５を介在さ
せている。光アイソレータ４５は、フアラデー素
子４６を２枚の偏光板４７，４７で挾んだもの
で、光軸と平行に磁界が加えられている。

光アイソレータ４５は、反射光を遮断するの
で、半導体レーザの発振が不安定になるのを防ぐ
ことができる。

もうひとつの改良点は、受光素子４１とガラス
ブロツクの間に、ガラスブロツク４８，４９によ
つて挾まれた偏光ビームスプリツタ５０を設けた
ということである。

偏光ビームスプリツタ５０を設ける理由は、光
フアイバ伝搬光の偏波面のランダム変動に起因す
る出力変動を回避するというところにある。

以上に述べた従来例の光フアイバジヤイロは、
フアイバを通過したCW光、CCW光をそのまま
ビームスプリツタで合成し、同一の光路を通つて
受光素子に達するようになつている。CW光と
CCW光の強度を個別に測定することができない。

このため、組立の際、光軸調整が難しい。さら
に、使用中に、光量の変動があつて、出力がドリ
フトしても、補償できない。このような難点があ
つた。

(オ) 本発明の光フアイバジヤイロ CW光の強度と、CCW光の強度は、等しいこ
とが、最も望ましい。この時に、最も感度が良い
からである。

これを説明する。時計廻り光（CW）、反時計
廻り光（CCW）の強度振幅をE_r、E_lとし、位相
差Δθとするとき、受光素子では両者の和の二乗
を光強度として検出するので、強度ＩはＩ＝｜E_rexp ｉ（ωt＋Δθ／２）＋E_lexp ｉ（ωt− Δθ／２）｜² (2) として与えられる。

結局、Ｉは、Ｉ＝E² _r＋E² _l＋2E_rE_lcosΔθ (3) として与えられる。出力は直流としてあらわれ
る。この内cosΔθの項の大きさを区別しなければ
ならない。

しかし、直流成分から、直流成分を区別するの
は難しい。E_r、E_lが常に一定値であることが必要
である。

しかしながら、実際にE_r、E_lが一定であること
を確めることができない。

発光素子（レーザダイオード）の出力変動の可
能性があるし、レンズと光フアイバ端のカツプリ
ングが変位することもありうる。

このような変動があると、振幅E_r、E_lそのもの
が変化し、これと、cosΔθによる位相角変化と区
別することができない。

このため、角速度Ωの測定に誤差があらわれ
る。

(2)式の表現から、E_r＝E_lのときに、この光フア
イバジヤイロは、最も感度が良いことが分る。勿
論、E_r＝E_lになるように、ビームスプリツタを作
成するが、この時、E_rとE_lとを設定しても経年変
化によつて、E_rとE_lが変動してくる。必ずしも、
常にE_rとE_lとが一致しているとは限らない。

本発明の光フアイバジヤイロは、E_r、E_lを独立
測定し、cosΔθの値を正確に算出することができ
るようにしたものである。

第１図は本発明の光フアイバジヤイロの略構成
図である。

本発明の光フアイバジヤイロは、時計廻り、反
時計廻り光の光路に夫々ビームスプリツタを設
け、それぞれの光強度を測定し、cosΔθの値を正
確に算出するようにしている。

第１ガラスブロツク１、第２ガラスブロツク２
は、直角二等辺三角形を底面とする透明角柱であ
る。両者は、第１ビームスプリツタ３を介し、斜
面に於て貼合わされている。

ビームスプリツタ３は斜面にAl、Agなどをコ
ーテイングした薄膜で、45゜の入射角に対し、透
過率と反射率とが50％ずつになるように作製して
ある。

第１ガラスブロツク１、第２ガラスブロツク２
は立方体をなすよう、接着される。接着剤は既に
述べたように、光学的に均質で、透過率が高く、
耐環境性に優れたもの（エポキシ系接着剤、バル
サム）を用いる。

ガラスブロツク１，２の外面に、発光素子４、
受光素子５が、ビームスプリツタ３に関して対称
となるように貼合わせる。

発光素子４は、半導体レーザ、スーパルミネセ
ントダイオード等を用いる。受光素子は、ホトダ
イオードなどの光検出器である。

発光素子４、受光素子５の対向面に当るガラス
ブロツク１，２の外面には、直接レンズを接着す
るのではなく、新に、ビームスプリツタを含むガ
ラスブロツクを接着する。

発光素子４の対向面には、直角二等辺三角形底
面で角柱をなす第３ガラスブロツク６、第４ガラ
スブロツク７を接着する。第２ビームスプリツタ
８が、第３、第４ガラスブロツク６，７の境界斜
面に設けてある。

受光素子５の対向面には、同様の第５ガラスブ
ロツク９、第６ガラスブロツク１０、第３ビーム
スプリツタ１１よりなる立方体ブロツクが接着し
てある。

これらガラスブロツク６，７，９，１０の外側
で、発光素子４、受光素子５の前方には、集光レ
ンズ１２，１３が接着してある。単一モード光フ
アイバループ１４は、光フアイバを多数回巻回し
たもので、両端が集光レンズ１２，１３に結合さ
れている。

発光素子４、受光素子５、第１ビームスプリツ
タ３を含む第１、第２ガラスブロツク１，２を主
ガラスブロツクＡと呼ぶ。

これに対し、ガラスブロツク６，７、ガラスブ
ロツク９，１０よりなるそれぞれのガラスブロツ
クをサブガラスブロツクＢ，Ｃと呼ぶ。

本発明は、主ガラスブロツクと、レンズ、光フ
アイバの間に、新しく、サブガラスブロツクＢ，
Ｃを設けたところに特徴がある。

各ガラスブロツクの中には、第１、第２、第３
ビームスプリツタ３，８，１１が設けられるが、
これらは互に平行である。

以上の構成に於て、その作用を説明する。

発光素子４から出た光は、第１ビームスプリツ
タで分割され、時計廻り光、反時計廻り光とし
て、光フアイバループ１４の中を、伝搬する。光
フアイバループ１４から出射した光は、ガラスブ
ロツクに戻り、第１ビームスプリツタ３で合体
し、受光素子５で合体した光の強度が検出され
る。

これらの点は従来からの基本的な光フアイバジ
ヤイロの作用と同じである。

異なる点は、光フアイバループ１４から戻つた
光が、サブガラスブロツクＢ，Ｃに於て、第２、
第３ビームスプリツタ８，１１により、その一部
が外部へとり出されるという事である。外部へ取
出された光の振幅強度をそれぞれE′_l、E′_rとする。
E′_l、E′_rは、CCW光、CW光の光強度に比例する。

サブガラスブロツクＢ，Ｃの外面に、第２発光
素子１５、第３発光素子１６を接着して、反時計
廻り光（CCW）、時計廻り光（CW）の、強度
E′² _l、E′² _rをこれらによつて測定する。モニター光
の強度と、受光素子５に入る検出光の強度とは比
例する。比例定数をＡ、Ｂとする。

乗算器１７，１８はモニター光強度E′² _l、E′² _r
に、Ａ、Ｂを乗じ、E² _l、E² _rを算出する。

受光素子５は、CW、CCW光の合体したもの
の光強度を検出し、(3)式に対応する量を出力す
る。

減算器１９は、受光素子５の出力から、E² _rと
E² _lを減算するので、その結果は 2E_rE_lcosΔθ (4) となる。

平方根演算器２０，２１は、E² _l、E² _rから、E_l、
E_rを計算する。

除算器２３は、(4)の値をE_r、E_lで割る。その答
は、 2cosΔθ (5) となる。ここから位相差Δθを知り、(5)式によつ
て、回転体の回転角速度を求めることができる。

第１図に示す光フアイバジヤイロの意味を説明
する。

たとえば、半導体レーザである発光素子の出力
が変動したとする。E_r、E_lともに同じ割合で増減
することになる。

受光素子５で(3)式に表わされる光強度を検出す
る。(3)式の各項は全て直流項である。たとえば
Δθ＝０の時に、光強度を測定しI₀であつたとす
る。

以後の光強度を測定し、この値Ｉから、(3)式に
よつてΔθを算出できるが、E_r、E_lが一定である
という条件が必要である。Δθ＝０で較正した後、
E_r、E_lが一定であるという保証はない。したがつ
てΔθは正確に定まらない。

頻繁に較正すれば良いが、較正するため回転体
を止めなければならないので、常に可能とはいえ
ない。

しかし、第１図の光フアイバジヤイロであれ
ば、E_r、E_l自体がドリフトしても、減算器１９、
除算器２３で、E_r、E_lのドリフトの影響を全くキ
ヤンセルしてしまうので、正しい位相差Δθを常
に算出できる。

経年変化により、E_rとE_lの比の値が異なつたと
する。この場合、(3)式に於てE_r＝E_lを仮定して計
算されたΔθと真のΔθとは異なる。

このような場合でも、E_rとE_lの変化を捕捉し、
正しく位相差Δθを計算できる。

本発明は、このように信頼性が高く、経年変化
を受けにくく、正確に回転角速度を測定できる、
小型、軽量の光フアイバジヤイロを与えることが
できる。

(カ) 本発明の用途本発明は広く回転運動体の角速度測定に用いる
事ができる。

たとえば、自動車、船舶、航空機に搭載するジ
ヤイロとして用いられる。

ロボツトなど多動体に搭載され、自分自身の位
置を知るために位置センサとしても用いられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光フアイバジヤイロの平面
図。第２図は光フアイバジヤイロ基本構成図。第
３図は本発明者が先に発明した光フアイバジヤイ
ロの斜視図。第４図は本発明者が先に発明した光
フアイバジヤイロの平面図。１……第１ガラスブロツク、２……第２ガラス
ブロツク、３……ビームスプリツタ、４……発光
素子、５……受光素子、６，７……ガラスブロツ
ク、８……ビームスプリツタ、９，１０……ガラ
スブロツク、１１……ビームスプリツタ、１２，
１３……集光レンズ、１４……光フアイバジヤイ
ロ、１５，１６……受光素子、１７，１８……乗
算器、１９……減算器、２０，２１……平方根演
算器、２３……除算器。

Claims

【特許請求の範囲】

１略立方体形状で対角線に沿う斜面にビームス
プリツタを設けた主ガラスブロツクＡと、主ガラ
スブロツクＡの外面で該ビームスプリツタに関し
対称な位置に接着された発光素子及び受光素子
と、略立方体形状で対角線に沿う斜面にビームス
プリツタを設けてありかつビームスプリツタ同士
が平行になるよう発光素子、受光素子の対向面に
あたる主ガラスブロツクＡの外面に接着されたサ
ブガラスブロツクＢ，Ｃと、サブガラスブロツク
Ｂ，Ｃの外面で発光素子、受光素子の前方に固着
された集光レンズと、両端が集光レンズに結合さ
れており光フアイバを多数回巻回してループ状と
した光フアイバループと、サブガラスブロツク
Ｂ，Ｃのビームスプリツタで反射されたモニター
光の強度E′² _l、E′² _rを測定するためサブガラスブロ
ツクＢ，Ｃの外面に貼付けた第２受光素子、第３
受光素子と、第２受光素子、第３受光素子の出力
に一定の値を乗じて第１受光素子へ入射すべき時
計廻り光、反時計廻り光の光強度E² _r、E² _lを算出
する乗算器と、乗算器の出力から強度振幅E_r、E_l
を求める平方根演算器と、第１受光素子の出力か
ら時計廻り光、反時計廻り光の強度E² _r、E² _lを減
算する減算器と、減算器の出力を平方根演算器の
出力で除算する除算器とよりなる事を特徴とする
光フアイバジヤイロ。