JPH0464005B2

JPH0464005B2 -

Info

Publication number: JPH0464005B2
Application number: JP58101978A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Nishiwaki; Yozo Nishiura
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1983-06-08
Filing date: 1983-06-08
Publication date: 1992-10-13
Also published as: JPS59226817A

Description

【発明の詳細な説明】 (ア) 技術分野この発明は、移動体の角速度を測定するための
光フアイバジヤイロに関する。

自動車、航空機、ロボツト、船舶など、位置、
姿勢制御が必要な移動体に於て、自分自身の位置
や方向を連続的に算出する必要がある。このた
め、速度とともに回転角速度も常時測定しなけれ
ばならない。回転角速度を測定するために光フア
イバジヤイロが用いられる。

(イ) 従来技術とその問題点光フアイバジヤイロは、光フアイバループの中
を、時計廻り、反時計廻りに光を通し、ループの
回転によつて生ずる位相差を検出して、回転角速
度を知る。同一の光フアイバループを互に反対方
向へ伝搬するのであるから、光路差はないはずで
あるが、実際には光学系の軸がずれたりして、光
路差が生ずる。このため、ループが静止している
時でも位相差が生じる。このため、正確な角速度
の測定が妨げられる。

第５図は光フアイバジヤイロの原理的な光学系
構成図を示す。

発光素子１はレーザダイオード、スーパールミ
ネセントダイオード、He−Neガスレーザなどの
レーザが用いられる。発光素子１の光はビームス
プリツタ２で、２光線に分けられ、結合レンズ
３，４によつて、光フアイバループ５のＡ、Ｂ端
に入射する。光フアイバループ５は、光フアイバ
を多数回コイル状に巻いたものである。中心軸の
まわりにΩの回転角速度で光フアイバループ５が
回転している時、光フアイバループ５を、反時計
廻りCW、反時計廻りCCWに伝搬する光には位
相差Δθが現われる。

Δθ＝8πAΩ／λc ……(1) である。Ａは光フアイバが囲む全面積、つまり、
ループの断面積と巻数の積である。λは光の波
長、ｃは光速である。これをSagnac効果という。

光フアイバループ５の中を伝搬した時計廻り、
反時計廻り光はＢ端、Ａ端から出射し、結合レン
ズ４，３を経て、ビームスプリツタ２に至り、こ
こで合一し、受光素子６で光強度が検出される。

受光素子６は、pinホトダイオード、アバラン
シエホトダイオードなどの光検出器である。受光
素子６の位置に於ける、時計廻り光、反時計廻り
光の電場の振幅をE₁，E₂とする。もしも位相差
Δθがあるとすれば、受光素子６の出力ＩはＩ＝E₁ ²＋E₂ ²＋2E₁E₂cosΔθ ……(2) となるはずである。

受光素子の出力Ｉから、位相差Δθを知り、(1)
式より角速度Ωを算出する。これが光フアイバジ
ヤイロの測定原理である。

時計廻り光と反時計廻り光が厳密に同一の光路
を反対方向に進むのであれば、光路差が生じな
い。

しかし、実際には、光学系の軸合せが難しく、
両方の光の光路は必ずしも一致しない。光路が喰
い違うと光路差が生じる。光路差を波長で除し
て、（2π）を乗じたものが位相差である。従つて
(2)式のΔθには、回転にもとづく位相差と、静的
な光路差の存在にもとづく位相差（オフセツト
分）とが含まれる。

第６図は結合レンズ３，４と光フアイバ５の
Ａ，Ｂ端に於ける光軸不一致の場合を示す説明図
である。

発光素子１、ビームスプリツタ２、結合レンズ
３，４の共通の光軸をL_Xとする。光フアイバ５
の端部における中心軸をF_Xとする。F_XとL_Xがず
れているものとする。入射光はレンズの光軸L_X
のまわりに回転対称で、レンズにより、ｅ点に収
束する。ｅ点はフアイバ端面とL_Xの交点である。

出射光は、光フアイバの中心軸F_Xとフアイバ
端面の交点ｇから出射する。

ｇ点とｅ点とは異る。ｇ点から出た光は結合レ
ンズによつて平行光に変換されるが、これはL_X
に平行ではない。

従つて、レンズとビームスプリツタの間に於
て、入射光と出射光の光路が異り、光路差が生じ
る。このためΩ＝０であつても、位相差Δθ（オフ
セツト）が発生する。

オフセツト分の位相差を補償しなければ、受光
素子の出力Ｉから、移動体の回転角速度Ωを正し
く求める事ができない。

オフセツトを０にするには、時計廻り光、或は
反時計廻り光の実効的な光路長を連続的に変化さ
せることができれば良い。

しかし、双方向の光は同じ光学系を通るから、
一方の光だけを位相補償する、という事ができな
い。

また、(2)式においてcosΔθは偶函数であるか
ら、０＜Δθ＜πの範囲の検出しかできない。こ
のため、(1)式における回転角速度Ωの検出限界が
制限される。

(ウ) 本発明の技術的課題時計廻り光、反時計廻り光のいずれか一方の光
を位相補償するという事ができれば良い。

全ての光学系には、同時に時計廻り、反時計廻
り光が伝搬している。発光素子１とビームスプリ
ツタ２、ビームスプリツタ２と受光素子６の間で
は、同方向に進行する。ビームスプリツタ２、結
合レンズ３，４、光フアイバループ５の間では、
反対方向に進行する。

反対方向に進行する光は、同一時刻に発光素子
１から放出されたものではない。光フアイバルー
プのちようど中間の点に関していえば、同一時刻
に発光素子１から出た光が同時に中間点を通る。
しかし、その他の通過点に於ては、時計廻り光
CW、反時計廻り光CCWの発光素子１を出た時
刻が異なる。

そこで、フアイバループの中間点以外の点に位
相補償素子を挿入し、これをパルス駆動し、発光
素子１もこれと同期して、パルス駆動することに
すれば、CW光又はCCW光のいずれか一方だけ
を位相補償する事ができる。例えばCW光が通過
する時に位相補償素子を駆動し、CCW光が通過
する時には、位相補償素子を駆動しないようにで
きる。

光フアイバループの長さをＬとすれば、光フア
イバの端Ａ，Ｂを通過するCW，CCW光につい
て、発光素子１から放出された時刻の差はτ＝
nL／ｃで与えられる。ｃは光速、ｎはフアイバ
コアの屈折率である。Ｌが10³ｍ程度とすれば、
τは10^-5sec程度である。この程度の速さであれ
ば、発光素子１の光を内部変調或は外部変調する
のは容易である。位相補償素子の駆動も問題がな
い。

τをフアイバループ通過時間と呼ぶ。

(エ) 本発明の光フアイバジヤイロ本発明の光フアイバジヤイロは、光フアイバル
ープのいずれか一端に位相補償素子を新たに設け
る。フアイバに入射すべき光は、内部変調或は外
部変調して、パルス幅がフアイバループ通過時間
τより短かくデユーテイが1/2以下の繰返しパル
ス光とする。位相補償素子は、これに同期し、同
一繰返し数でパルス駆動され、CW光、或は
CCW光のみを位相補償する。また、受光素子の
出力強度が常に一定になるように、位相補償素子
の位相補償量を変化させる。

本発明の光フアイバジヤイロは、 (1) 外部変調又は内部変調によりパルス幅がフア
イバループ通過時間τより短かく、デユーテイ
が1/2以下の繰返しパルス光を生ずる発光素子
と、 (2) 発光素子からの光線を２分割するビームスプ
リツタと、 (3) 多数回光フアイバを巻回した光フアイバルー
プと、 (4) ２分割された光をフアイバループの端に入射
させるための結合レンズと、 (5) 光フアイバループの一端に設けられた位相補
償素子と、 (6) 発光素子の変調に同期して、位相補償素子を
時計廻り光又は反時計廻り光が通過している間
だけ駆動する駆動回路、 (7) 受光素子の出力強度が常に一定になるよう
に、位相補償素子の位相補償量を制御する位相
補償制御回路、とよりなる。

(オ) 実施例第１図によつて本発明の実施例に係る光フアイ
バジヤイロを説明する。

発光素子１の光がビームスプリツタ２によつて
２分割され、結合レンズ３，４によつて、光フア
イバループ５の端に入射する。光フアイバループ
５の一端には位相補償素子７が新しく設けられて
いる。パルス発生器８は発光素子１及び、位相補
償素子７の位相補償量を制御する電圧制御回路１
１を駆動する。

第２図ａは発光素子を内部変調した時の発光パ
ルス波形図である。横軸は時間、縦軸は光のパワ
ーを示す。

発光時間はP₁、休止時間はP₂で、（P₁＋P₂）が
一周期である。デユーテイP₁／（P₁＋P₂）は0.5
以下である。またP₁＜τである。

第２図ｂは位相補償素子の駆動状態を示す波形
図である。P₃が駆動期間でパルス発光の瞬間に
同期して計時を開始し、P₃はP₁より僅かに長い。
P₄は休止時間である。一周期（P₃＋P₄）は、発
光変調の一周期（P₁＋P₂）に一致する。

この例では、位相補償素子７が、CCW光の入
口にあたる部位に位置しているから、CCW光は
全て位相補償をうける。

しかし、CW光は光フアイバループに入射して
からτ時間後に位相補償素子に到達するのである
から、これは位相補償を受けない。

位相補償素子７の休止期間P₄に、CW光がここ
を通過するようにする。

これは、光フアイバループに入る前の光（ここ
ではCCW）を位相補償した。しかし、逆に、光
フアイバループから出た光を、位相補償する事も
できる。

この場合、発光の開始からτ時間を経過する時
点から位相補償素子７を駆動する。第２図ｃはそ
のような場合の位相補償素子７の駆動波形図であ
る。

光路差の存在によるオフセツト位相差をΔθ′、
CW光、CCW光の位相補償量をφ₁、φ₂とすると、 Δθ′＋φ₁−φ₂＝2mπ ……(3) （ｍは整数）となるよう位相補償すれば良い。第２図ｂはφ₁
＝０、ｃはφ₂＝０の例である。

また、フアイバループが回転している時、位相
オフセツトΔθ′及び位相補償素子７による位相補
償量φがあると、(1)式は、Ｉ＝E₁ ²＋E₂ ²＋2E₁E₂cos（Δθ＋Δθ′−φ） … ……(4) となる。Δθ′は定数であるため、Δθの変化に伴つ
てφを変化させれば、Ｉを常に一定に保つことが
できる。すなわち、第１図において受光素子６の
出力が一定値になるように、位相補償素子７の位
相補償量を電圧制御回路１１から、位相補償素子
７に印加する電圧によつて制御する。この電圧を
回転角速度の検出に用いれば、原理的にΔθの検
出範囲は無限大となる。

(カ) 位相補償素子第３図は圧電素子を用いた位相補償素子の斜視
図である。

円柱状の圧電素子９の外周に光フアイバ１０を
巻回わしてある。駆動回路８によつて、圧電素子
９に繰返しパルス状の電圧が印加される。電圧に
比例して、圧電素子が膨脹、収縮するから光フア
イバが伸縮し、光路が変化する。

第４図は電気光学結晶を用いた位相補償素子の
斜視図である。電気光学結晶１２に光フアイバ１
０の端を接着し、結晶面に電極を付け、駆動回路
８によつて電圧を繰返しパルスの形で印加する。

圧電素子は、例えばPZT（Pb（ZrxTi₁−ｘ）
O₃）、を用いる。電気光学結晶はBSO
（Bi₁₂SiO₂₀）単結晶やNiNbO₃結晶を用いること
ができる。

(キ) 作用発光素子１がルーザダイオード、スーパールミ
ニセントダイオードの場合は内部変調し、ガスレ
ーザなどの場合は変調器を使つて外部変調して、
第２図ａのようなパルス光を作る。

光路差オフセツトΔθ′を予め測定しておき、こ
れを補償するために印加するべき位相補償素子の
電圧を決定しておく。第２図ｂ又はｃで示すパル
ス波形に従つて、パルス光に同期し、位相補償素
子を駆動する。

CW光、又はCCW光の位相が補償され、Ω＝
０のときは、位相差Δθが０になるようオフセツ
ト調整される。

受光素子６の出力Ｉはパルス的な出力である
が、(2)式からΔθを求め、角速度Ωを算出できる。

また、位相補償素子７を駆動するパルス電圧を
制御して、Sagnac効果による位相差Δθを打ち消
して、受光素子の出力を常に一定に保つようにす
れば、必要なパルス電圧から回転角速度を検出で
きる。

(ク) 効果 CW光とCCW光の光路差に起因するランダム
な位相差Δθ′を補償することができる。このため
正確な角速度Ωの測定が可能となる。

また、位相補償素子印加電圧から角速度を検出
する方式を採用することにより、角速度の検出範
囲を無限にとることができる。

(ケ) 用途自動車、航空機、ロボツト、船舶などの移動体
の回転、方向の測定、算出に用いられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る光フアイバジヤ
イロの光学系構成図。第２図は発光、位相補償素
子の駆動波形で、ａは発光変調素子の光出力、ｂ
は位相補償素子の駆動波形、ｃも位相補償素子の
駆動波形である。ｂは先に位相補償し、ｃは後で
位相補償する。第３図は圧電素子を使つた位相補
償素子の斜視図。第４図は電気光学結晶を使つた
位相補償素子の斜視図。第５図は光フアイバジヤ
イロの原理を示す光学系構成図。第６図は結合レ
ンズと光フアイバ端の結合の不良を説明するため
の説明図。１……発光素子、２……ビームスプリツタ、
３，４……結合レンズ、５……光フアイバルー
プ、６……受光素子、７……位相補償素子、８…
…パルス発生回路、９……圧電素子、１０……光
フアイバ、１１……電圧制御回路、１２……電気
光学結晶、CW……時計廻り光、CCW……反時
計廻り光。

Claims

【特許請求の範囲】１外部変調または内部変調によつてパルス幅が
フアイバループ通過時間τより短かくデユーテイ
が1/2以下の繰返しパルス光を生ずる発光素子と、
発光素子からの光源を２分割するビームスプリツ
タ２と、多数回光フアイバを巻回した光フアイバ
ループ５と、２分割された光をフアイバループの
端に入射させるための結合レンズ３，４と、光フ
アイバループ５の一端に設けられた位相補償素子
７と、発光素子の変調に同期して位相補償素子７
を時計廻り光又は反時計廻り光のいずれか一方が
通過している間だけ駆動する駆動回路と、光フア
イバループを左廻り右廻りに伝搬した光を合一し
干渉光の強度を検出する受光素子と、受光素子の
出力強度が一定となるように位相補償素子の位相
補償量を制御する位相補償制御回路とよりなり、
回転による位相変化を位相補償素子によつて打ち
消し、位相補償素子の補償量をもつて回転角速度
を検出することを特徴とする光フアイバジヤイ
ロ。２位相補償素子７は、円柱状の圧電素子９に光
フアイバ１０を巻回してなり、圧電素子９にパル
ス電圧を印加して、光路を変化させるようにした
ものである特許請求の範囲第１項記載の光フアイ
バジヤイロ。３位相補償素子７は、電気光学結晶１２に光フ
アイバ１０の端部を接着し、パルス電圧を電気光
学結晶１２に印加することにより、屈折率を変化
させる事とした特許請求の範囲第１項記載の光フ
アイバジヤイロ。