JP2866276B2 - 光回転角速度センサ - Google Patents
光回転角速度センサInfo
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Description
【産業上の利用分野】本発明は光回転角速度センサに関
する。
する。
【従来の技術】図16(a)、図16(b)はそれぞれ
位相変調方式の従来の光回転角速度センサの概略図を示
す。同図(a)、図(b)において、光回転角速度セン
サは、光学系1と信号処理回路2とで形成されている。
同図(a)において光学系1は、レーザ光を一方向(図
の右側方向)に出射する光源3と、一端が光源3の出射
側に光ファイバ4及び光カプラ5を介して接続されレー
ザ光を偏向する偏光子6と、偏光子6に接続されレーザ
光を分岐/結合する光カプラ7と、光カプラ7に接続さ
れレーザ光を左右両方向に伝搬させるセンシングループ
8と、センシングループ8の他端に接続されセンシング
ループ8内を伝搬するレーザ光の位相をずらす位相変調
器9と、センシングループ8内で左右両方向に伝搬した
レーザ光を、光カプラ7、偏光子6、光カプラ5及び光
ファイバ10を介して受光してセンサ信号に変換する受
光器11と、受光器11に接続されセンサ信号を増幅す
るプリアンプ12とで形成される。光源3から出射した
レーザ光は、光カプラ5で分岐され、分岐された一方の
レーザ光は偏光子6及び光カプラ7を介してセンシング
ループ8に導かれる(他方のレーザ光は使用しない)。
センシングループ8内を伝搬した左右両回りレーザ光は
位相変調器9で位相がずらされると共に光カプラ7で結
合され、偏光子6、光カプラ5及び光ファイバ10を介
して受光器11に導かれる。このセンシングループ8を
含む系全体が、センシングループ8内の(紙面に垂直
な)軸の回りに角速度Ωで回転すると、センシングルー
プ8内を伝搬する左右両回り光に位相差が生じ(サニャ
ック効果)、受光器11に達するレーザ光の大きさが変
化する。この受光器11からのセンサ信号がプリアンプ
12を介して信号処理回路2に入力される。信号処理回
路2は、位相変調器9に一定周波数の正弦波fmを印加
する発振器13と、受光器11から出力される位相変調
周波数及びその高調波信号を各周波数成分に分離する同
期検波器14と、同期検波器14で得られた信号をデジ
タル信号に変換するA/D変換器15と、デジタル信号
より角速度Ωを演算するCPU16とで形成されてい
る。このような図16(a)に示す光回転角速度センサ
は、例えば高精度光ジャイロに適用され航空機や人工衛
星等の姿勢制御に利用される。図16(b)に示す光回
転角速度センサは、光学系1bが図16(a)の光学系
1aから光カプラ5を省略したものであり、その他の構
成は図16(a)の光回転角速度センサと同一である。
このような図16(b)に示す光回転角速度センサは、
例えばナビゲーションシステム用の光ジャイロ等に利用
される。
位相変調方式の従来の光回転角速度センサの概略図を示
す。同図(a)、図(b)において、光回転角速度セン
サは、光学系1と信号処理回路2とで形成されている。
同図(a)において光学系1は、レーザ光を一方向(図
の右側方向)に出射する光源3と、一端が光源3の出射
側に光ファイバ4及び光カプラ5を介して接続されレー
ザ光を偏向する偏光子6と、偏光子6に接続されレーザ
光を分岐/結合する光カプラ7と、光カプラ7に接続さ
れレーザ光を左右両方向に伝搬させるセンシングループ
8と、センシングループ8の他端に接続されセンシング
ループ8内を伝搬するレーザ光の位相をずらす位相変調
器9と、センシングループ8内で左右両方向に伝搬した
レーザ光を、光カプラ7、偏光子6、光カプラ5及び光
ファイバ10を介して受光してセンサ信号に変換する受
光器11と、受光器11に接続されセンサ信号を増幅す
るプリアンプ12とで形成される。光源3から出射した
レーザ光は、光カプラ5で分岐され、分岐された一方の
レーザ光は偏光子6及び光カプラ7を介してセンシング
ループ8に導かれる(他方のレーザ光は使用しない)。
センシングループ8内を伝搬した左右両回りレーザ光は
位相変調器9で位相がずらされると共に光カプラ7で結
合され、偏光子6、光カプラ5及び光ファイバ10を介
して受光器11に導かれる。このセンシングループ8を
含む系全体が、センシングループ8内の(紙面に垂直
な)軸の回りに角速度Ωで回転すると、センシングルー
プ8内を伝搬する左右両回り光に位相差が生じ(サニャ
ック効果)、受光器11に達するレーザ光の大きさが変
化する。この受光器11からのセンサ信号がプリアンプ
12を介して信号処理回路2に入力される。信号処理回
路2は、位相変調器9に一定周波数の正弦波fmを印加
する発振器13と、受光器11から出力される位相変調
周波数及びその高調波信号を各周波数成分に分離する同
期検波器14と、同期検波器14で得られた信号をデジ
タル信号に変換するA/D変換器15と、デジタル信号
より角速度Ωを演算するCPU16とで形成されてい
る。このような図16(a)に示す光回転角速度センサ
は、例えば高精度光ジャイロに適用され航空機や人工衛
星等の姿勢制御に利用される。図16(b)に示す光回
転角速度センサは、光学系1bが図16(a)の光学系
1aから光カプラ5を省略したものであり、その他の構
成は図16(a)の光回転角速度センサと同一である。
このような図16(b)に示す光回転角速度センサは、
例えばナビゲーションシステム用の光ジャイロ等に利用
される。
【発明が解決しようとする課題】ところで、図16
(a)に示す光回転角速度センサは、次のような問題が
ある。 (1)部品点数が多いため、光回転角速度センサの価格
が高価になると共に組み立て工程が複雑となる。また信
頼性も低下する。 (2)各デバイスで損失が生じて光信号出力が小さくな
るので、センサ信号出力を所定の大きさに維持するため
光源3の光量を増加させる必要がある。その結果光源3
に流す電流を増加させることにより光源3に負担がかか
り光源3の寿命が短くなり、S/N比の低下や、故障の
原因となる。故障に気が付かない場合には遭難するおそ
れがあるので故障の判定が必要である。また、図16
(b)に示す光回転角速度センサは、センシングループ
8を伝搬する左右両回りのレーザ光が同一光路を通らな
いようになっている。すなわち、センシングループ8内
を右回りするレーザ光は分岐路としての光カプラ7を2
回通り、センシングループ8内を左回りするレーザ光は
結合路としての光カプラ7を2回通ることになる。光カ
プラ7の結合部におけるレーザ光の位相は非常に微妙で
あり、製造方法や温度変化により透過光、結合光間に位
相差が容易に生じる。この位相差はサンヤック効果によ
る位相差と区別することができないため、センシングル
ープ8の静止中でも受光器11からセンサ信号が誤って
出力されてしまう。そのため、次のような問題点があ
る。 (3)光カプラ7の透過、反射モードの位相差によって
相反性が成立しない(両回り光が同一の経路を通らな
い)ので角速度のバイアスが生じ信頼性が低下してしま
う。そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、簡単
な構成で、高S/N比が得 られ、故障判定ができ、しか
も信頼性が高い光回転角速度センサを提供することにあ
る。
(a)に示す光回転角速度センサは、次のような問題が
ある。 (1)部品点数が多いため、光回転角速度センサの価格
が高価になると共に組み立て工程が複雑となる。また信
頼性も低下する。 (2)各デバイスで損失が生じて光信号出力が小さくな
るので、センサ信号出力を所定の大きさに維持するため
光源3の光量を増加させる必要がある。その結果光源3
に流す電流を増加させることにより光源3に負担がかか
り光源3の寿命が短くなり、S/N比の低下や、故障の
原因となる。故障に気が付かない場合には遭難するおそ
れがあるので故障の判定が必要である。また、図16
(b)に示す光回転角速度センサは、センシングループ
8を伝搬する左右両回りのレーザ光が同一光路を通らな
いようになっている。すなわち、センシングループ8内
を右回りするレーザ光は分岐路としての光カプラ7を2
回通り、センシングループ8内を左回りするレーザ光は
結合路としての光カプラ7を2回通ることになる。光カ
プラ7の結合部におけるレーザ光の位相は非常に微妙で
あり、製造方法や温度変化により透過光、結合光間に位
相差が容易に生じる。この位相差はサンヤック効果によ
る位相差と区別することができないため、センシングル
ープ8の静止中でも受光器11からセンサ信号が誤って
出力されてしまう。そのため、次のような問題点があ
る。 (3)光カプラ7の透過、反射モードの位相差によって
相反性が成立しない(両回り光が同一の経路を通らな
い)ので角速度のバイアスが生じ信頼性が低下してしま
う。そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、簡単
な構成で、高S/N比が得 られ、故障判定ができ、しか
も信頼性が高い光回転角速度センサを提供することにあ
る。
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、光源からの光を光カプラで分岐し、その分
岐光を位相変調器で位相をずらせた後それぞれセンシン
グループに導き、センシングループを伝搬した左右両回
り光を光カプラで再び結合した後の信号光を、光源の出
射側の反対側に設けた受光器で検出して増幅器で増幅し
た後、角速度情報を得るようにしたものである。また本
発明は、光源からの光を光カプラで分岐し、その分岐光
を位相変調器で位相をずらせた後それぞれセンシングル
ープに導き、センシングループを伝搬した左右両回り光
を光カプラで再び結合した後の信号光を、光源の出射側
の反対側に設けた受光器で検出して増幅器で増幅した
後、角速度情報を得ると共に、受光器の出力信号の交流
成分の振幅に基づいて光源の出力を調整して出力信号を
安定化させ、受光器の出力信号の交流成分の振幅を監視
し、故障判定を行うものである。さらに本発明は、光源
からの光を光カプラで分岐し、その分岐光を位相変調器
で位相をずらせた後それぞれセンシングループに導き、
センシングループを伝搬する左右両回り光間の位相差と
等しい位相バイアスを位相変調器に加え、センシングル
ープを伝搬して位相差を打ち消された光を光カプラで再
び結合した後の信号光を、光源の出射側の反対側に設け
た受光器で検出して増幅器で増幅した後、角速度情報を
得るようにしたものである。
に本発明は、光源からの光を光カプラで分岐し、その分
岐光を位相変調器で位相をずらせた後それぞれセンシン
グループに導き、センシングループを伝搬した左右両回
り光を光カプラで再び結合した後の信号光を、光源の出
射側の反対側に設けた受光器で検出して増幅器で増幅し
た後、角速度情報を得るようにしたものである。また本
発明は、光源からの光を光カプラで分岐し、その分岐光
を位相変調器で位相をずらせた後それぞれセンシングル
ープに導き、センシングループを伝搬した左右両回り光
を光カプラで再び結合した後の信号光を、光源の出射側
の反対側に設けた受光器で検出して増幅器で増幅した
後、角速度情報を得ると共に、受光器の出力信号の交流
成分の振幅に基づいて光源の出力を調整して出力信号を
安定化させ、受光器の出力信号の交流成分の振幅を監視
し、故障判定を行うものである。さらに本発明は、光源
からの光を光カプラで分岐し、その分岐光を位相変調器
で位相をずらせた後それぞれセンシングループに導き、
センシングループを伝搬する左右両回り光間の位相差と
等しい位相バイアスを位相変調器に加え、センシングル
ープを伝搬して位相差を打ち消された光を光カプラで再
び結合した後の信号光を、光源の出射側の反対側に設け
た受光器で検出して増幅器で増幅した後、角速度情報を
得るようにしたものである。
【作用】上記構成によれば、センシングループを伝搬し
た左右両回り光を光カプラで再び結合した後の信号光
を、光源の出射側の反対側に設けた受光器で検出し、増
幅器で増幅して角速度情報を得るようにしたので、高S
/N比が得られ、光信号検出用の受光器及びカプラの数
をそれぞれ2台から1台に減少することができ、製造工
程が短縮される。また光学系の部品が減少することによ
り損失が低下するため、光源の光量を低減することがで
き低消費電力化及び光源の寿命を延長させることができ
低消費電力化及び光源の寿命を延長させることができ
る。しかも受光 器の出力信号の交流成分の振幅を監視す
ることにより故障の判定を行うことができる。
た左右両回り光を光カプラで再び結合した後の信号光
を、光源の出射側の反対側に設けた受光器で検出し、増
幅器で増幅して角速度情報を得るようにしたので、高S
/N比が得られ、光信号検出用の受光器及びカプラの数
をそれぞれ2台から1台に減少することができ、製造工
程が短縮される。また光学系の部品が減少することによ
り損失が低下するため、光源の光量を低減することがで
き低消費電力化及び光源の寿命を延長させることができ
低消費電力化及び光源の寿命を延長させることができ
る。しかも受光 器の出力信号の交流成分の振幅を監視す
ることにより故障の判定を行うことができる。
【実施例】以下、本発明の一実施例を添付図面に基づい
て詳述する。図1は本発明の前提となった光回転角速度
センサの概略図である。同図において、光回転角速度セ
ンサは、光学系20と信号処理回路21とで構成されて
いる。光学系20は、レーザ光を前後両方向(図の左右
両方向)に出射するLD(La−ser diode)
と、一端がLD22の前方出射側(図の右側)に光ファ
イバ23を介して接続されレーザ光を分岐/結合する光
カプラ24と、光カプラ24に接続されレーザ光を左右
両方向に伝搬させるセンシングループ25と、センシン
グループ25の他端に接続されセンシングループ25内
を伝搬するレーザ光の位相をずらす位相変調器26と、
LD22の前方出射側の反対側、すなわち後方出射側
(図の左側)に接続され、かつ、LDと一体的に形成さ
れ、センシングループ25で左右両方向に伝搬したレー
ザ光を、光カプラ24、LD22を介して受光してセン
サ信号に変換する受光器としてのPD(Photodi
ode)27とで形成されている。ここで位相変調器2
6はシリンダ型のPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)に光
ファイバを巻き付けたものであり、センシングループ2
5用のコイルは楕円コア型の偏波面保存型光ファイバ
(又はシングルモード光ファイバにデポラライザを組み
合わせたもの)であり、光カプラ24は光ファイバを融
着延伸したものでセンシングループ25用のコイルの両
端に直接加工されて形成される。尚、LD22とPD2
7とで光源モジュール28を形成している。ここで、光
源モジュールについて図2及び図3を参照して説明す
る。図2(a)は図1に示した光源モジュールの回路図
であり、図2(b)はその外観図である。同図(a)及
び(b)に示すように光源モジュール28は矢印P 1 方
向にレーザ光を出射すると共に、矢印P 2 方向のレーザ
光を受光するようになっており、3個の端子28a〜2
8cを有している。光源モジュール28は前述したよう
に内部にLD22とPD27とを内蔵しており、LD2
2のカソードとPD27のカソードとが共通に、例えば
端子28aに接続され、LD22のアノードは端子28
bに接続され、PD27のアノードは端子28cに接続
されている。尚、端子28bは例えば図示しない光源駆
動回路に接続され、端子28cは信号処理回路21に接
続され、端子28aは接地される。LD22は矢印P 1
方向及び矢印P 1 とは逆の矢印P 3 方向、すなわち前後
両方向にレーザ光を出射し、PD17はLD22から出
射される前後出射光のうち矢印P 3 方向の後方出射光を
受光するようになっている。このような光源モジュール
28は市販されており、例えばコンパクトディスク用レ
ーザに使用されている。LD22から矢印P 1 方向に出
射したレーザ光をコンパクトディスクに照射して得られ
る反射光や回折光等の戻り光を他のPD(共に図示せ
ず)で受光して信号を取り出す。PD27は、LD22
から出射される後方出射光を受光して電気信号に変換し
て図示しない制御回路に送出し、矢印P 1 方向の出射光
の光量を安定化させるのに用いられる。ところで図3は
光源モジュールのLDからの出射光をLDに戻したとき
のレーザ特性の変化を検出する回路図である。同図にお
いて、LD22の前方に一対のレンズ29a、29bが
配置され、レンズ29bの焦点位置にミラー30が上下
方向に移動可能に設けられている。ミラー30が破線で
示す位置にあるときは、LD22から前方に出射したレ
ーザ光はレンズ29aで集光された後発散しながら前方
に進む。ミラー30が実線で示す位置にあるときは、L
D22から前方に出射したレーザ光はレンズ29bで集
光され、ミラー30で反射して、同一光路を逆方向に進
みLD22に戻ると共にPD27で受光されるようにな
っている。図4は図3に示した回路図において、ミラー
30の位置と注入電流I 1 に対するPDの出力電流I 2
の変化との関係を示す図であり、横軸がLDの注入電流
I 1 (mA)を示し、縦軸がPDの出力電流I 2 (m
A)を示している。同図より、LD22から出射したレ
ーザ光がミラー30で反射して再びLD22に戻った場
合(戻り光有り)のPD27の出力電流I 2 が、ミラー
30で反射されない場合(戻り光無し)のPD27の出
力電流I 2 に比較してΔI 2 だけ大幅に増加しているの
がわかる。このようにレーザ光がレーザ自身に戻ってく
るとレーザ特性が変化する現象を「自己結合効果」と呼
んでいる。本願はこの「自己結合効果」を利用すると共
に、光源モジュール28のPD27をセンシングループ
25からの左右両伝搬光の検出に利用して光回転角速度
を求めるものである。図1に戻って、センシングループ
25が、センシングループ25内の(紙面に垂直な)軸
の回りに角速度Ωで回転すると、センシングループ25
内を伝搬する左右両回り光に位相差が生じ、PD27に
達するレーザ光の大きさが変化する。このPD27から
のセンサ信号が信号処理回路21に入力される。信号処
理回路21は、前述のように位相変調器26に一定周波
数の正弦波fmを印加する発振器13と、PD27から
出力される位相変調周波数及びその高調波信号を各周波
数成分に分離する同期検波器14と、同期検波器14で
得られた信号をデジタル信号に変換するA/D変換器1
5と、デジタル信号より角速度Ωを演算するCPU16
とで形成されている(図16参照)。ところで、従来は
LD22の出射光量の制御に用いられるPD27をセン
サ信号の検出に使用するため、以下のような方法でLD
22の出射光量の制御が行われる。光回転角速度センサ
の光学系20のPD27は、矢印P 2 及びP 3 方向のレ
ーザ光を受光しており(図2(b))、このPD27か
ら出力されるセンサ信号P(t)は数1で表される。
て詳述する。図1は本発明の前提となった光回転角速度
センサの概略図である。同図において、光回転角速度セ
ンサは、光学系20と信号処理回路21とで構成されて
いる。光学系20は、レーザ光を前後両方向(図の左右
両方向)に出射するLD(La−ser diode)
と、一端がLD22の前方出射側(図の右側)に光ファ
イバ23を介して接続されレーザ光を分岐/結合する光
カプラ24と、光カプラ24に接続されレーザ光を左右
両方向に伝搬させるセンシングループ25と、センシン
グループ25の他端に接続されセンシングループ25内
を伝搬するレーザ光の位相をずらす位相変調器26と、
LD22の前方出射側の反対側、すなわち後方出射側
(図の左側)に接続され、かつ、LDと一体的に形成さ
れ、センシングループ25で左右両方向に伝搬したレー
ザ光を、光カプラ24、LD22を介して受光してセン
サ信号に変換する受光器としてのPD(Photodi
ode)27とで形成されている。ここで位相変調器2
6はシリンダ型のPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)に光
ファイバを巻き付けたものであり、センシングループ2
5用のコイルは楕円コア型の偏波面保存型光ファイバ
(又はシングルモード光ファイバにデポラライザを組み
合わせたもの)であり、光カプラ24は光ファイバを融
着延伸したものでセンシングループ25用のコイルの両
端に直接加工されて形成される。尚、LD22とPD2
7とで光源モジュール28を形成している。ここで、光
源モジュールについて図2及び図3を参照して説明す
る。図2(a)は図1に示した光源モジュールの回路図
であり、図2(b)はその外観図である。同図(a)及
び(b)に示すように光源モジュール28は矢印P 1 方
向にレーザ光を出射すると共に、矢印P 2 方向のレーザ
光を受光するようになっており、3個の端子28a〜2
8cを有している。光源モジュール28は前述したよう
に内部にLD22とPD27とを内蔵しており、LD2
2のカソードとPD27のカソードとが共通に、例えば
端子28aに接続され、LD22のアノードは端子28
bに接続され、PD27のアノードは端子28cに接続
されている。尚、端子28bは例えば図示しない光源駆
動回路に接続され、端子28cは信号処理回路21に接
続され、端子28aは接地される。LD22は矢印P 1
方向及び矢印P 1 とは逆の矢印P 3 方向、すなわち前後
両方向にレーザ光を出射し、PD17はLD22から出
射される前後出射光のうち矢印P 3 方向の後方出射光を
受光するようになっている。このような光源モジュール
28は市販されており、例えばコンパクトディスク用レ
ーザに使用されている。LD22から矢印P 1 方向に出
射したレーザ光をコンパクトディスクに照射して得られ
る反射光や回折光等の戻り光を他のPD(共に図示せ
ず)で受光して信号を取り出す。PD27は、LD22
から出射される後方出射光を受光して電気信号に変換し
て図示しない制御回路に送出し、矢印P 1 方向の出射光
の光量を安定化させるのに用いられる。ところで図3は
光源モジュールのLDからの出射光をLDに戻したとき
のレーザ特性の変化を検出する回路図である。同図にお
いて、LD22の前方に一対のレンズ29a、29bが
配置され、レンズ29bの焦点位置にミラー30が上下
方向に移動可能に設けられている。ミラー30が破線で
示す位置にあるときは、LD22から前方に出射したレ
ーザ光はレンズ29aで集光された後発散しながら前方
に進む。ミラー30が実線で示す位置にあるときは、L
D22から前方に出射したレーザ光はレンズ29bで集
光され、ミラー30で反射して、同一光路を逆方向に進
みLD22に戻ると共にPD27で受光されるようにな
っている。図4は図3に示した回路図において、ミラー
30の位置と注入電流I 1 に対するPDの出力電流I 2
の変化との関係を示す図であり、横軸がLDの注入電流
I 1 (mA)を示し、縦軸がPDの出力電流I 2 (m
A)を示している。同図より、LD22から出射したレ
ーザ光がミラー30で反射して再びLD22に戻った場
合(戻り光有り)のPD27の出力電流I 2 が、ミラー
30で反射されない場合(戻り光無し)のPD27の出
力電流I 2 に比較してΔI 2 だけ大幅に増加しているの
がわかる。このようにレーザ光がレーザ自身に戻ってく
るとレーザ特性が変化する現象を「自己結合効果」と呼
んでいる。本願はこの「自己結合効果」を利用すると共
に、光源モジュール28のPD27をセンシングループ
25からの左右両伝搬光の検出に利用して光回転角速度
を求めるものである。図1に戻って、センシングループ
25が、センシングループ25内の(紙面に垂直な)軸
の回りに角速度Ωで回転すると、センシングループ25
内を伝搬する左右両回り光に位相差が生じ、PD27に
達するレーザ光の大きさが変化する。このPD27から
のセンサ信号が信号処理回路21に入力される。信号処
理回路21は、前述のように位相変調器26に一定周波
数の正弦波fmを印加する発振器13と、PD27から
出力される位相変調周波数及びその高調波信号を各周波
数成分に分離する同期検波器14と、同期検波器14で
得られた信号をデジタル信号に変換するA/D変換器1
5と、デジタル信号より角速度Ωを演算するCPU16
とで形成されている(図16参照)。ところで、従来は
LD22の出射光量の制御に用いられるPD27をセン
サ信号の検出に使用するため、以下のような方法でLD
22の出射光量の制御が行われる。光回転角速度センサ
の光学系20のPD27は、矢印P 2 及びP 3 方向のレ
ーザ光を受光しており(図2(b))、このPD27か
ら出力されるセンサ信号P(t)は数1で表される。
【数1】 p(t)=I 0 {1+cos(ψ s +mcos2πfmt)} ただし、I 0 はセンシングループ25用のコイルの伝搬
光出力、mは定数、fmは変調周波数、ψ s はサニャッ
ク位相差をそれぞれ示す。信号処理回路21は、数1中
の直流出力信号成分I 0 (矢印P 3 方向のレーザ光によ
る電流に相当する)を電圧に変換した後、この電圧が一
定になるようにLD22に注入する電流I 1 を調整する
ようになっている。次に図1に示した光回転角速度セン
サの作用を述べる。図1及び図2においてLD22から
矢印P 1 方向に出射したレーザ光は、光ファイバ23を
介して光カプラ24に入射して分岐され、一方のレーザ
光は光カプラ24を介してセンシングループ25に導か
れる。センシングループ25内を伝搬した左右両回りレ
ーザ光は、光カプラ24に再び入射して結合され光ファ
イバ23を介してLD22へ矢印P 2 方向に入射され
る。この矢印P 2 方向のレーザ光はLD22を通過し、
PD27はこの矢印P 2 方向のレーザ光と矢印P 3 方向
のレーザ光とを受光する。センシングループ25を含む
系全体が角速度Ωで回転すると、位相変調器26のPZ
Tに周波数fmの正弦波が印加されるとPD27からの
センサ信号にはfm、2fm、4fm…等の高調波成分
が含まれる。fmはsinΩに比例し、2fmと4fm
とはcosΩに比例するので、fm成分と2fm成分の
比を求めることにより、光回転角速度が求められる。ま
た信号処理回路21は、2fm成分と4fm成分との比
を一定にする機能を有しており、位相変調器26の変調
度を制御するようになっている。以上において、光回転
角速度センサはPD27で検出したセンサ信号より角速
度情報を得るようにしたので、従来用いられていたセン
サ信号検出用の受光器及び光カプラの数をそれぞれ2台
から1台に減少することができ、製造工程が短縮され
る。また光学系の部品が減少することにより損失が低下
するため、光源の光量を低減することができ低消費電力
化及び光源の寿命を延長させることができる。また、光
カプラ24の入力ポートより信号を抽出しているため、
センシングループ25用のコイル内の両回りレーザ光が
光カプラ24内で透過と反射とを1回ずつ行うので、相
反性が成立し、光回転角速度のバイアスが生じることが
なく信頼性が向上する。以下、図5〜図10は本発明の
前提となった他の光回転角速度センサの概略図である。
尚、図1と共通の部材には共通の符号を用いた。図5に
おいて、図1に示した光回転角速度センサとの相違点
は、LD22と光カプラ24との間に偏光子32を設け
て光学系31を形成した点である。これにより、LD2
2からS偏向またはP偏向のいずれか一方のレーザ光を
センシングループ25内に伝搬させて光回転角速度を求
めることができる。図6において、図1に示した光回転
角速度センサとの相違点は、LD22に偏光子32を接
続し、この偏光子32に、Y分岐光導波路としての光カ
プラ(Y−カプラ)40と位相変調器41とをLiNb
O 3 基板上にTiを拡散させて形成した導波路を接続
し、光学系42を形成した点である。光カプラ40と位
相変調器41とを一体化することにより、部品点数を削
減して低コスト化することができると共に光回転角速度
センサを小型化することができる。図7において、図1
に示した光回転角速度センサとの相違点は、位相変調器
41及び偏光子43を、光カプラ40に接続すると共に
半導体基板上に形成した点である。ここで、図1に示し
たPD27の出力信号を調べた結果、LD22の後方出
力光による信号成分に対し約1/100〜1/1000
程度の角速度情報が含まれていることが判った。つま
り、光カプラ24を通過して戻った干渉光はLD22の
発光領域を通過して後方のPD27に到達していたので
ある。LD22の後方出力光による信号成分は直流であ
るため、交流分を選択的に増幅することにより角速度情
報のみを分離、抽出することができる。このような系は
光カプラ24を1個用いることでセンシングループ25
両回り光に対し光学的な相反系となるため、SCR(S
ingle Coupler Reciprocal)
方式と称する。図7において、同一の半導体基板に光カ
プラ40、位相変調器41、偏光子43及び導波路44
が形成された光IC45の一端(図の左側)にLD22
が接続され、この光IC45の他端に光結合部46が接
続されている。導波路44はLiNbO 3 基板にTiが
拡散されて形成され、偏光子43はこの導波路44上に
アルミニウムを蒸着して形成されている。位相変調器4
1は導波路44上にSiO 2 の緩衝層が形成され、この
緩衝層の上にAu電極が設けられて形成されている。
尚、偏光子43の部分に用いられる金属にはアルミニウ
ムを用いたが、これに限定されず、他の金属を用いても
よく、SiO 2 /TiO 2 等の多層膜を用いてもよい。
さらに導波路44はTi拡散導波路であるが、ピロリン
酸、安息香酸等を用いて形成するプロトン交換導波路と
することもできる。この場合、導波路44自体が偏光子
43の機能を有するので、改めて偏光子43を形成する
必要はない。光IC45に後端(図の左側)にはLD2
2を介してPD27が設けられ、光結合部46にはセン
シングループ25の光ファイバが接続されている。LD
22と光IC45との結合、光IC45とセンシングル
ープ25の光ファイバとの結合は各々端面の直接対向接
続であり、間隙には屈折率整合を兼ねたUV硬化樹脂が
充填されて硬化され、相互に機械的に固定されている。
センシングループ25には楕円コア型偏波面保存光ファ
イバが用いられている。光IC45のサイズは幅約2m
m、長さ約20mm、厚さ約1mm程度の大きさを有し
ている。LD22から出射した光は、偏光子43を通過
し、光カプラ40で等分配される。等分配された一方の
光は位相変調器41を通過してセンシングループ25に
入射する。センシングループ25を通過した両回り光
は、光カプラ40で合成されて干渉し、偏光子43、L
D22を通過してPD27に入射し、このPD27から
角速度情報が取り出される。このようにSCR方式とす
ることにより、従来と比較して部品数を削減することが
でき、素子間の接続作業が不要となり、小型化、低価格
化が図れると共に安定性、信頼性が向上する。位相変調
器41の高速動作が可能となり、センシングループ25
の長さを短くすることができる(従来のセンシングルー
プの長さは200mで、本光回転角速度センサのセンシ
ングループ25の長さは約50m)。図8において、図
7に示した光回転角速度センサとの相違点は、LD22
とPD27とを同一の半導体基板上に形成した点であ
る。同図において、光カプラ40、位相変調器41、偏
光子43及び導波路44が同一の半導体基板上に形成さ
れた光IC45と、LD22a及びPD27aがGaA
s基板上に形成された送受光素子47とが接続されてい
る。LD22aから出射した光は、偏光子43を通過
し、光カプラ40で等分配され、光結合部46を通過し
てセンシングループ25に入射する。センシングループ
25を通過した両回り光は光カプラ40で合成されて干
渉し、偏光子43、LD22aを通過してPD27aに
入射し、角速度情報として出力されるようになってい
る。図9において、図8に示した光回転角速度センサと
の相違点は、光IC45とLD22との間に集光レンズ
48を設けた点である。集光レンズ48にはセルフォッ
クレンズを用いたが、これに限定されるものではなく、
円筒ガラスの両端に凸状の曲面を形成したドラムレンズ
や、球、半球等マイクロレンズ等を用いてもよい。集光
レンズ48を用いることにより、LD22から出射した
レーザ光を効率的に光IC45の導波路44に入射させ
ることができる。尚、センシングループ25の光ファイ
バと光結合部46における光ファイバ端末の位置決めに
はシリコンV溝を用いたが、ガラスやセラミック等のU
溝やV溝、キャピラリを用いてもよい。図10におい
て、図1及び図9に示した光回転角速度センサとの相違
点は、信号処理回路21aを、LD22a及びPD27
aが形成された同一の半導体基板上に形成した点であ
る。LD22a、PD27a及び信号処理回路21aを
同一の半導体基板上に形成したOEIC49は、GaA
s基板上に形成されており、PD22aからの角速度情
報を増幅し、演算、整形及びA/D変換等を行うように
なっている。OEIC49は、Si基板上の一部にGa
Asを結晶成長させ、このGaAs部分にLD22aを
形成し、Si基板の部分にPD27a及び信号処理回路
21aを形成してもよい。光IC45とセンシングルー
プ25の光ファイバとの結合、光IC45とOEIC4
9との結合は、各々端面の直接対向接続であり、間隙に
は機械的固定と屈折率整合を兼ねたUV硬化樹脂を充
填、硬化させることによって行った。このようにOEI
C49と、光IC45とを結合することにより、各素子
の接続箇所が減少して製造工程が減少し、小型化するこ
とができる。図11は本発明の光回転角速度センサの概
略図である。図1に示した光回転角速度センサとの相違
点は、光カプラ40、偏光子43、位相変調器41、L
D22a及びPD27aを、同一の半導体基板上に形成
した点である。LD22a、PD27a、光カプラ4
0、位相変調器41、偏光子43、光導波路44及び光
増幅器50が同一のGaAs基板上に設けられて光IC
51を形成し、この光IC51がセンシングループ25
に結合されて光回転角速度センサを形成している。LD
22aから出射した光は、偏光子43を通過し、光カプ
ラ40で等分配され、一方の光は位相変調器41を通過
して光カプラ40を通過し、センシングループ25内に
入射する。センシングループ25内を通過した両回り光
は、逆の経路(光カプラ40〜偏光子43〜LD22
a)を通過し、光増幅器50を通過してPD27aに入
射し、電気信号に変換されて角速度情報が出力されるよ
うになっている。この光増幅器50により角速度情報の
S/N比を約10dB向上させることができた。図12
は本発明の光回転角速度センサの他の実施例の概略図で
ある。図12において、図11に示した実施例との相違
点は光IC60を用いると共に、光IC60の両端面が
直角ではなく、角度θだけ傾斜している点である。同図
に示すように、半導体基板上に光カプラ61が形成され
た光IC60の端面が角度θだけ傾斜しており、この光
IC60の一方の端面(図の右側)に光結合部62が接
続されている。この光結合部も端面が角度θだけ傾斜し
ており、センシングループ25を保持すると共に、セン
シングループ25を導波路63に結合している。光IC
60の両端面が傾斜していることで導波路63の端面で
の反射光が再び導波路63に戻ることによる雑音を減少
させることができる。この角度θは約15゜が好まし
い。ところで、PD27への入射光の強度Pはセンシン
グループ25の回転角速度をΩとし、kを定数とすると
数2で表される。
光出力、mは定数、fmは変調周波数、ψ s はサニャッ
ク位相差をそれぞれ示す。信号処理回路21は、数1中
の直流出力信号成分I 0 (矢印P 3 方向のレーザ光によ
る電流に相当する)を電圧に変換した後、この電圧が一
定になるようにLD22に注入する電流I 1 を調整する
ようになっている。次に図1に示した光回転角速度セン
サの作用を述べる。図1及び図2においてLD22から
矢印P 1 方向に出射したレーザ光は、光ファイバ23を
介して光カプラ24に入射して分岐され、一方のレーザ
光は光カプラ24を介してセンシングループ25に導か
れる。センシングループ25内を伝搬した左右両回りレ
ーザ光は、光カプラ24に再び入射して結合され光ファ
イバ23を介してLD22へ矢印P 2 方向に入射され
る。この矢印P 2 方向のレーザ光はLD22を通過し、
PD27はこの矢印P 2 方向のレーザ光と矢印P 3 方向
のレーザ光とを受光する。センシングループ25を含む
系全体が角速度Ωで回転すると、位相変調器26のPZ
Tに周波数fmの正弦波が印加されるとPD27からの
センサ信号にはfm、2fm、4fm…等の高調波成分
が含まれる。fmはsinΩに比例し、2fmと4fm
とはcosΩに比例するので、fm成分と2fm成分の
比を求めることにより、光回転角速度が求められる。ま
た信号処理回路21は、2fm成分と4fm成分との比
を一定にする機能を有しており、位相変調器26の変調
度を制御するようになっている。以上において、光回転
角速度センサはPD27で検出したセンサ信号より角速
度情報を得るようにしたので、従来用いられていたセン
サ信号検出用の受光器及び光カプラの数をそれぞれ2台
から1台に減少することができ、製造工程が短縮され
る。また光学系の部品が減少することにより損失が低下
するため、光源の光量を低減することができ低消費電力
化及び光源の寿命を延長させることができる。また、光
カプラ24の入力ポートより信号を抽出しているため、
センシングループ25用のコイル内の両回りレーザ光が
光カプラ24内で透過と反射とを1回ずつ行うので、相
反性が成立し、光回転角速度のバイアスが生じることが
なく信頼性が向上する。以下、図5〜図10は本発明の
前提となった他の光回転角速度センサの概略図である。
尚、図1と共通の部材には共通の符号を用いた。図5に
おいて、図1に示した光回転角速度センサとの相違点
は、LD22と光カプラ24との間に偏光子32を設け
て光学系31を形成した点である。これにより、LD2
2からS偏向またはP偏向のいずれか一方のレーザ光を
センシングループ25内に伝搬させて光回転角速度を求
めることができる。図6において、図1に示した光回転
角速度センサとの相違点は、LD22に偏光子32を接
続し、この偏光子32に、Y分岐光導波路としての光カ
プラ(Y−カプラ)40と位相変調器41とをLiNb
O 3 基板上にTiを拡散させて形成した導波路を接続
し、光学系42を形成した点である。光カプラ40と位
相変調器41とを一体化することにより、部品点数を削
減して低コスト化することができると共に光回転角速度
センサを小型化することができる。図7において、図1
に示した光回転角速度センサとの相違点は、位相変調器
41及び偏光子43を、光カプラ40に接続すると共に
半導体基板上に形成した点である。ここで、図1に示し
たPD27の出力信号を調べた結果、LD22の後方出
力光による信号成分に対し約1/100〜1/1000
程度の角速度情報が含まれていることが判った。つま
り、光カプラ24を通過して戻った干渉光はLD22の
発光領域を通過して後方のPD27に到達していたので
ある。LD22の後方出力光による信号成分は直流であ
るため、交流分を選択的に増幅することにより角速度情
報のみを分離、抽出することができる。このような系は
光カプラ24を1個用いることでセンシングループ25
両回り光に対し光学的な相反系となるため、SCR(S
ingle Coupler Reciprocal)
方式と称する。図7において、同一の半導体基板に光カ
プラ40、位相変調器41、偏光子43及び導波路44
が形成された光IC45の一端(図の左側)にLD22
が接続され、この光IC45の他端に光結合部46が接
続されている。導波路44はLiNbO 3 基板にTiが
拡散されて形成され、偏光子43はこの導波路44上に
アルミニウムを蒸着して形成されている。位相変調器4
1は導波路44上にSiO 2 の緩衝層が形成され、この
緩衝層の上にAu電極が設けられて形成されている。
尚、偏光子43の部分に用いられる金属にはアルミニウ
ムを用いたが、これに限定されず、他の金属を用いても
よく、SiO 2 /TiO 2 等の多層膜を用いてもよい。
さらに導波路44はTi拡散導波路であるが、ピロリン
酸、安息香酸等を用いて形成するプロトン交換導波路と
することもできる。この場合、導波路44自体が偏光子
43の機能を有するので、改めて偏光子43を形成する
必要はない。光IC45に後端(図の左側)にはLD2
2を介してPD27が設けられ、光結合部46にはセン
シングループ25の光ファイバが接続されている。LD
22と光IC45との結合、光IC45とセンシングル
ープ25の光ファイバとの結合は各々端面の直接対向接
続であり、間隙には屈折率整合を兼ねたUV硬化樹脂が
充填されて硬化され、相互に機械的に固定されている。
センシングループ25には楕円コア型偏波面保存光ファ
イバが用いられている。光IC45のサイズは幅約2m
m、長さ約20mm、厚さ約1mm程度の大きさを有し
ている。LD22から出射した光は、偏光子43を通過
し、光カプラ40で等分配される。等分配された一方の
光は位相変調器41を通過してセンシングループ25に
入射する。センシングループ25を通過した両回り光
は、光カプラ40で合成されて干渉し、偏光子43、L
D22を通過してPD27に入射し、このPD27から
角速度情報が取り出される。このようにSCR方式とす
ることにより、従来と比較して部品数を削減することが
でき、素子間の接続作業が不要となり、小型化、低価格
化が図れると共に安定性、信頼性が向上する。位相変調
器41の高速動作が可能となり、センシングループ25
の長さを短くすることができる(従来のセンシングルー
プの長さは200mで、本光回転角速度センサのセンシ
ングループ25の長さは約50m)。図8において、図
7に示した光回転角速度センサとの相違点は、LD22
とPD27とを同一の半導体基板上に形成した点であ
る。同図において、光カプラ40、位相変調器41、偏
光子43及び導波路44が同一の半導体基板上に形成さ
れた光IC45と、LD22a及びPD27aがGaA
s基板上に形成された送受光素子47とが接続されてい
る。LD22aから出射した光は、偏光子43を通過
し、光カプラ40で等分配され、光結合部46を通過し
てセンシングループ25に入射する。センシングループ
25を通過した両回り光は光カプラ40で合成されて干
渉し、偏光子43、LD22aを通過してPD27aに
入射し、角速度情報として出力されるようになってい
る。図9において、図8に示した光回転角速度センサと
の相違点は、光IC45とLD22との間に集光レンズ
48を設けた点である。集光レンズ48にはセルフォッ
クレンズを用いたが、これに限定されるものではなく、
円筒ガラスの両端に凸状の曲面を形成したドラムレンズ
や、球、半球等マイクロレンズ等を用いてもよい。集光
レンズ48を用いることにより、LD22から出射した
レーザ光を効率的に光IC45の導波路44に入射させ
ることができる。尚、センシングループ25の光ファイ
バと光結合部46における光ファイバ端末の位置決めに
はシリコンV溝を用いたが、ガラスやセラミック等のU
溝やV溝、キャピラリを用いてもよい。図10におい
て、図1及び図9に示した光回転角速度センサとの相違
点は、信号処理回路21aを、LD22a及びPD27
aが形成された同一の半導体基板上に形成した点であ
る。LD22a、PD27a及び信号処理回路21aを
同一の半導体基板上に形成したOEIC49は、GaA
s基板上に形成されており、PD22aからの角速度情
報を増幅し、演算、整形及びA/D変換等を行うように
なっている。OEIC49は、Si基板上の一部にGa
Asを結晶成長させ、このGaAs部分にLD22aを
形成し、Si基板の部分にPD27a及び信号処理回路
21aを形成してもよい。光IC45とセンシングルー
プ25の光ファイバとの結合、光IC45とOEIC4
9との結合は、各々端面の直接対向接続であり、間隙に
は機械的固定と屈折率整合を兼ねたUV硬化樹脂を充
填、硬化させることによって行った。このようにOEI
C49と、光IC45とを結合することにより、各素子
の接続箇所が減少して製造工程が減少し、小型化するこ
とができる。図11は本発明の光回転角速度センサの概
略図である。図1に示した光回転角速度センサとの相違
点は、光カプラ40、偏光子43、位相変調器41、L
D22a及びPD27aを、同一の半導体基板上に形成
した点である。LD22a、PD27a、光カプラ4
0、位相変調器41、偏光子43、光導波路44及び光
増幅器50が同一のGaAs基板上に設けられて光IC
51を形成し、この光IC51がセンシングループ25
に結合されて光回転角速度センサを形成している。LD
22aから出射した光は、偏光子43を通過し、光カプ
ラ40で等分配され、一方の光は位相変調器41を通過
して光カプラ40を通過し、センシングループ25内に
入射する。センシングループ25内を通過した両回り光
は、逆の経路(光カプラ40〜偏光子43〜LD22
a)を通過し、光増幅器50を通過してPD27aに入
射し、電気信号に変換されて角速度情報が出力されるよ
うになっている。この光増幅器50により角速度情報の
S/N比を約10dB向上させることができた。図12
は本発明の光回転角速度センサの他の実施例の概略図で
ある。図12において、図11に示した実施例との相違
点は光IC60を用いると共に、光IC60の両端面が
直角ではなく、角度θだけ傾斜している点である。同図
に示すように、半導体基板上に光カプラ61が形成され
た光IC60の端面が角度θだけ傾斜しており、この光
IC60の一方の端面(図の右側)に光結合部62が接
続されている。この光結合部も端面が角度θだけ傾斜し
ており、センシングループ25を保持すると共に、セン
シングループ25を導波路63に結合している。光IC
60の両端面が傾斜していることで導波路63の端面で
の反射光が再び導波路63に戻ることによる雑音を減少
させることができる。この角度θは約15゜が好まし
い。ところで、PD27への入射光の強度Pはセンシン
グループ25の回転角速度をΩとし、kを定数とすると
数2で表される。
【数2】 P+cos(kΩ) しかし、数2より回転角速度Ωが小さい領域では感度が
悪く、かつ、回転方向の識別ができないため位相変調器
26によりセンシングループ25内を伝搬する両回り光
間に相対的に時間遅れのある位相変調をかけ、PD27
からの出力信号の基本波成分を抽出することにより数3
で表されるように感度の最適化を図ると共に、回転方向
の識別を可能にしている。
悪く、かつ、回転方向の識別ができないため位相変調器
26によりセンシングループ25内を伝搬する両回り光
間に相対的に時間遅れのある位相変調をかけ、PD27
からの出力信号の基本波成分を抽出することにより数3
で表されるように感度の最適化を図ると共に、回転方向
の識別を可能にしている。
【数3】 P+sin(kΩ) 基本波成分を安定に抽出するためには、LD22の出力
安定は必須条件である。そこで本発明のようにLD22
の光出力をPD27によってモニタしている。しかしな
がら、PD27の出力の直流成分を直接取り出すと、ジ
ャイロ信号である交流成分に影響を及ぼすため、特性が
劣化する(ノイズの増加等)ことがある。そこで本発明
者らは図13に示すような光回転角度センサを提案し
た。図13において、図11に示した実施例との相違点
は、PD27で受けた光の交流成分、すなわちジャイロ
信号の振幅をモニタしてLD22の出力を調整する点で
ある。LD22と、LD22の後方出射側に設けられた
PD27と、LD22の前方出射側に設けられた集光レ
ンズ64とで光源モジュール65が構成されている。L
D22から出射した光は集光レンズ64を介して光ファ
イバ32に入射され、偏光子24を通って光カプラ24
で右回り光と左回り光とに分岐される。左右両回り光
は、センシングループ25、位相変調器26を逆回りに
伝搬して再び光カプラ24で結合する。このとき位相変
調器26に交流的な変調信号Smを加えることによって
出力を変調させる。光カプラ24で結合した光は、偏光
子32、集光レンズ64及びLD22を通過してPD2
7で電気信号に変換される。そこでの交流成分、すなわ
ちジャイロ信号Sjの振幅の増減に従い、LD22への
供給電流調整回路66で供給電流を調整することにより
角速度情報の安定化が行われる。すなわち、従来は温度
変化によりPD27の出力信号の振幅が変化し、分解能
が変化したが、PD27の出力信号の振幅Asjを直接
制御するため、温度変化に対しても特性が安定するよう
になった。また、LD22の出力低下や位相変調器26
の破損等の原因でジャイロ信号の振幅が減少した場合の
故障検知機能としてマイクロコンピュータ67でジャイ
ロ信号Sjの振幅Asjを監視し、振幅Asjの減少時
に故障信号を出力することにより光回転角速度センサを
他の機器と組み合わせて使用した際に光回転角速度セン
サの異常を早期に発見することにより、被害を最小限に
抑えることができる。尚、本実施例は単一カプラ方式で
あるが、これに限定されるものではなく2カプラ方式に
も適用できる。図14において、図11に示した実施例
との相違点は、変調方式をセロダイン方式とし、光源に
SLDを用いた点である。ここでセロダイン方式の光回
転角速度センサについて説明する。図17はセロダイン
方式の従来の光回転角速度センサの概略図を示す図であ
る。スーパールミネッセントダイオード(以下SLDと
いう)3aから出射した光は、光カプラ5に入射した後
偏光子6aで偏光され、光カプラ7に入射する。光カプ
ラ7から出射した光はセンシングループ8内を左右両方
向に回転した後再度光カプラ7内で結合し、偏光子6
a、光カプラ5を経て受光器11で受光される。受光器
11からの出力信号は、パルス発生器17のパルス波に
同期した2つの復調器14a、14bに入力され、復調
器14a、14bで復調された信号はそれぞれサーボル
ープ18a、18bに入力される。サーボループ18b
の出力は階段波形発生器13aに入力される。階段波形
発生器13aの出力とパルス発生器17のパルス波とが
共に電圧制御増幅器19に入力される。電圧制御増幅器
19の出力は、サーボループ18aの出力に基づいて位
相変調器9aに入力される。この位相変調器9aには図
18(a)に示すような方形波が加えられる。ここで図
18は図17に示した光回転角速度センサの動作を説明
するための説明図である。同図(a)は位相変調器に入
力される位相変調波の波形を示す図であり、横軸が時間
軸を示し、縦軸が電圧を示している。この方形波が図1
6に示した位相変調方式の光回転角速度センサにおける
正弦波と同様の役割、すなわち位相バイアスを与える役
割を果たす。デジタルセロダイン方式では、サニャック
効果により生じた左右両回り光の間の位相差をキャンセ
ルするため、方形波は階段電圧として加えられる。ここ
で階段電圧1段分の時間tは、光ファイバコイル内を光
が伝搬する時間τと等しくなるように設定されている。
受光器11上での左右両回り方向の光の位相差は図18
(b)のようになる。図18(b)はセンシングループ
の左右両回り光間の位相差を示す図であり、横軸が時間
軸を示し、縦軸が位相差を示している。尚図中のKは定
数である。サーボループ18aはK・Vsによりサニャ
ック位相差を補償するように電圧Vsに帰還をかける。
予め設定したΔV=Vmax−Vminと比較して階段
電圧にリセットがかけられる。ΔVに相当した位相変化
が2πならばこのリセット周波数は回転角速度に比例す
ることがわかる。ところで、階段電圧のリセット時には
図18(b)に示したように他の部分とは異なる位相差
が現れる。リセット幅φpが2πの場合には、干渉結果
である受光器出力には変化は見られない。リセット幅φ
pが2πからずれると図18(c)のように誤差信号が
得られる。図18(c)は受光器の出力を示す図であ
り、横軸が時間軸を示し、縦軸が電圧を示している。従
ってサーボループ18bにより、この誤差信号が零にな
るようにリセットのタイミングを決めればリセット幅φ
pが=2πの条件が厳密に保たれる。この方式によれ
ば、回転角速度が変調周波数で得られることから広いダ
イナミックレンジ及び高いスケールファクタ安定度が得
られる。ところが図17に示した光回転角速度センサは
光カプラを2台使用するため以下のような問題点があ
る。 (1)高価になる。 (2)組み立てに時間がかかる。 (3)光学系が大きくなる。 (4)信頼性が低下する。 さらに光カプラを1台減らして図17に示す光カプラ7
の出力端で光信号を受けると、左右両回り光の間の相反
性がなくなるため、不要な光学的位相バイアスが発生
し、フィードバック回路が働いて零点ドリフトが大きく
なってしまう。そこで本発明者らは図14に示す光回転
角速度センサを提案した。本実施例の信号処理装置は、
図17に示した回路から1段目の光カプラ5及びPD1
1を除いた構成となっている。光信号はSLD68の後
方出射側に設けたPD27で受光する。PD27より出
力される電気信号は、図17に示した信号処理技術によ
り処理され、位相変調器26にフィードバックを加える
と共に回転角速度Ωを演算し、デジタル信号又はアナロ
グ信号に変換して出力される。本実施例によれば、PD
27で受光される光ジャイロ信号は、偏波面カプラ24
a内で左右両回り光とも透過及び結合を1度ずつ行うの
で相反性が成立する。従って少ない光部品で性能を損な
わない光回転角速度センサを実現することができる。図
15において、図1に示した実施例との相違点は、変調
方式をセロダイン方式とし、光源にSLDを用いると共
に、偏光子及び位相変調器を光ICで構成した点であ
る。SLD68及びPD27からなる光源モジュール6
9は光ファイバ23を介して光IC70に接続されてい
る。光IC70には導波路44a、光合分岐器40a、
偏光子32a及び位相変調器26aが形成されており、
導波路44aはセンシングコイル25に接続されてい
る。光IC70はLiNbO 3 を用いて形成してもよ
い。また図では位相変調器26a用の電極を導波路44
aの一端にしか用いていないが、両端に設けてプッシュ
プルで駆動するように構成してもよい。さらに光源モジ
ュール69と光IC70の導波路44a間を光ファイバ
23で接続しているが、光源モジュール69からの光を
レンズ(図示せず)を介して入射してもよく、直接光I
C70に入射してもよい。以上において、本実施例によ
れば、LD22からの光を光カプラ24で分岐し、その
分岐光を位相変調器26で位相をずらせた後それぞれセ
ンシングループ25に導き、センシングループ25を伝
搬した左右両回り光を光カプラ24で再び結合した後の
信号光を、LD22の出射側の反対側に設けたPD27
で検出して角速度情報を得るようにしたので、簡単な構
成で信頼性が高く、しかも光源の寿命が長い光回転角速
度センサを実現することができる。尚、本実施例では偏
光子を光ファイバ型としたが、これに限定されず光源モ
ジュール内にバルク型の偏光子を挿入してもよい。セン
サ信号の直流成分をLDの光量の制御に用いたが、セン
サ信号の積分値を用いてもよい。又、基板にはLiNb
O 3 又はGaAsを用いたが、これに限定されずSi、
InPなどの半導体、SiO 2 等の誘電体、LiTaO
3 等の強誘電体を用いてもよい。
安定は必須条件である。そこで本発明のようにLD22
の光出力をPD27によってモニタしている。しかしな
がら、PD27の出力の直流成分を直接取り出すと、ジ
ャイロ信号である交流成分に影響を及ぼすため、特性が
劣化する(ノイズの増加等)ことがある。そこで本発明
者らは図13に示すような光回転角度センサを提案し
た。図13において、図11に示した実施例との相違点
は、PD27で受けた光の交流成分、すなわちジャイロ
信号の振幅をモニタしてLD22の出力を調整する点で
ある。LD22と、LD22の後方出射側に設けられた
PD27と、LD22の前方出射側に設けられた集光レ
ンズ64とで光源モジュール65が構成されている。L
D22から出射した光は集光レンズ64を介して光ファ
イバ32に入射され、偏光子24を通って光カプラ24
で右回り光と左回り光とに分岐される。左右両回り光
は、センシングループ25、位相変調器26を逆回りに
伝搬して再び光カプラ24で結合する。このとき位相変
調器26に交流的な変調信号Smを加えることによって
出力を変調させる。光カプラ24で結合した光は、偏光
子32、集光レンズ64及びLD22を通過してPD2
7で電気信号に変換される。そこでの交流成分、すなわ
ちジャイロ信号Sjの振幅の増減に従い、LD22への
供給電流調整回路66で供給電流を調整することにより
角速度情報の安定化が行われる。すなわち、従来は温度
変化によりPD27の出力信号の振幅が変化し、分解能
が変化したが、PD27の出力信号の振幅Asjを直接
制御するため、温度変化に対しても特性が安定するよう
になった。また、LD22の出力低下や位相変調器26
の破損等の原因でジャイロ信号の振幅が減少した場合の
故障検知機能としてマイクロコンピュータ67でジャイ
ロ信号Sjの振幅Asjを監視し、振幅Asjの減少時
に故障信号を出力することにより光回転角速度センサを
他の機器と組み合わせて使用した際に光回転角速度セン
サの異常を早期に発見することにより、被害を最小限に
抑えることができる。尚、本実施例は単一カプラ方式で
あるが、これに限定されるものではなく2カプラ方式に
も適用できる。図14において、図11に示した実施例
との相違点は、変調方式をセロダイン方式とし、光源に
SLDを用いた点である。ここでセロダイン方式の光回
転角速度センサについて説明する。図17はセロダイン
方式の従来の光回転角速度センサの概略図を示す図であ
る。スーパールミネッセントダイオード(以下SLDと
いう)3aから出射した光は、光カプラ5に入射した後
偏光子6aで偏光され、光カプラ7に入射する。光カプ
ラ7から出射した光はセンシングループ8内を左右両方
向に回転した後再度光カプラ7内で結合し、偏光子6
a、光カプラ5を経て受光器11で受光される。受光器
11からの出力信号は、パルス発生器17のパルス波に
同期した2つの復調器14a、14bに入力され、復調
器14a、14bで復調された信号はそれぞれサーボル
ープ18a、18bに入力される。サーボループ18b
の出力は階段波形発生器13aに入力される。階段波形
発生器13aの出力とパルス発生器17のパルス波とが
共に電圧制御増幅器19に入力される。電圧制御増幅器
19の出力は、サーボループ18aの出力に基づいて位
相変調器9aに入力される。この位相変調器9aには図
18(a)に示すような方形波が加えられる。ここで図
18は図17に示した光回転角速度センサの動作を説明
するための説明図である。同図(a)は位相変調器に入
力される位相変調波の波形を示す図であり、横軸が時間
軸を示し、縦軸が電圧を示している。この方形波が図1
6に示した位相変調方式の光回転角速度センサにおける
正弦波と同様の役割、すなわち位相バイアスを与える役
割を果たす。デジタルセロダイン方式では、サニャック
効果により生じた左右両回り光の間の位相差をキャンセ
ルするため、方形波は階段電圧として加えられる。ここ
で階段電圧1段分の時間tは、光ファイバコイル内を光
が伝搬する時間τと等しくなるように設定されている。
受光器11上での左右両回り方向の光の位相差は図18
(b)のようになる。図18(b)はセンシングループ
の左右両回り光間の位相差を示す図であり、横軸が時間
軸を示し、縦軸が位相差を示している。尚図中のKは定
数である。サーボループ18aはK・Vsによりサニャ
ック位相差を補償するように電圧Vsに帰還をかける。
予め設定したΔV=Vmax−Vminと比較して階段
電圧にリセットがかけられる。ΔVに相当した位相変化
が2πならばこのリセット周波数は回転角速度に比例す
ることがわかる。ところで、階段電圧のリセット時には
図18(b)に示したように他の部分とは異なる位相差
が現れる。リセット幅φpが2πの場合には、干渉結果
である受光器出力には変化は見られない。リセット幅φ
pが2πからずれると図18(c)のように誤差信号が
得られる。図18(c)は受光器の出力を示す図であ
り、横軸が時間軸を示し、縦軸が電圧を示している。従
ってサーボループ18bにより、この誤差信号が零にな
るようにリセットのタイミングを決めればリセット幅φ
pが=2πの条件が厳密に保たれる。この方式によれ
ば、回転角速度が変調周波数で得られることから広いダ
イナミックレンジ及び高いスケールファクタ安定度が得
られる。ところが図17に示した光回転角速度センサは
光カプラを2台使用するため以下のような問題点があ
る。 (1)高価になる。 (2)組み立てに時間がかかる。 (3)光学系が大きくなる。 (4)信頼性が低下する。 さらに光カプラを1台減らして図17に示す光カプラ7
の出力端で光信号を受けると、左右両回り光の間の相反
性がなくなるため、不要な光学的位相バイアスが発生
し、フィードバック回路が働いて零点ドリフトが大きく
なってしまう。そこで本発明者らは図14に示す光回転
角速度センサを提案した。本実施例の信号処理装置は、
図17に示した回路から1段目の光カプラ5及びPD1
1を除いた構成となっている。光信号はSLD68の後
方出射側に設けたPD27で受光する。PD27より出
力される電気信号は、図17に示した信号処理技術によ
り処理され、位相変調器26にフィードバックを加える
と共に回転角速度Ωを演算し、デジタル信号又はアナロ
グ信号に変換して出力される。本実施例によれば、PD
27で受光される光ジャイロ信号は、偏波面カプラ24
a内で左右両回り光とも透過及び結合を1度ずつ行うの
で相反性が成立する。従って少ない光部品で性能を損な
わない光回転角速度センサを実現することができる。図
15において、図1に示した実施例との相違点は、変調
方式をセロダイン方式とし、光源にSLDを用いると共
に、偏光子及び位相変調器を光ICで構成した点であ
る。SLD68及びPD27からなる光源モジュール6
9は光ファイバ23を介して光IC70に接続されてい
る。光IC70には導波路44a、光合分岐器40a、
偏光子32a及び位相変調器26aが形成されており、
導波路44aはセンシングコイル25に接続されてい
る。光IC70はLiNbO 3 を用いて形成してもよ
い。また図では位相変調器26a用の電極を導波路44
aの一端にしか用いていないが、両端に設けてプッシュ
プルで駆動するように構成してもよい。さらに光源モジ
ュール69と光IC70の導波路44a間を光ファイバ
23で接続しているが、光源モジュール69からの光を
レンズ(図示せず)を介して入射してもよく、直接光I
C70に入射してもよい。以上において、本実施例によ
れば、LD22からの光を光カプラ24で分岐し、その
分岐光を位相変調器26で位相をずらせた後それぞれセ
ンシングループ25に導き、センシングループ25を伝
搬した左右両回り光を光カプラ24で再び結合した後の
信号光を、LD22の出射側の反対側に設けたPD27
で検出して角速度情報を得るようにしたので、簡単な構
成で信頼性が高く、しかも光源の寿命が長い光回転角速
度センサを実現することができる。尚、本実施例では偏
光子を光ファイバ型としたが、これに限定されず光源モ
ジュール内にバルク型の偏光子を挿入してもよい。セン
サ信号の直流成分をLDの光量の制御に用いたが、セン
サ信号の積分値を用いてもよい。又、基板にはLiNb
O 3 又はGaAsを用いたが、これに限定されずSi、
InPなどの半導体、SiO 2 等の誘電体、LiTaO
3 等の強誘電体を用いてもよい。
【発明の効果】以上要するに本発明によれば、次のよう
な優れた効果を発揮する。 (1)センサ信号検出用の受光器及び光カプラをそれぞ
れ1台ずつ省略することができるので、組み立てが容易
になり、低コスト化でき、しかも信頼性を向上させるこ
とができる。 (2)光学系の損失が低下するため、光源の光量を低下
させることができ、消費電力を低下させ、光源の寿命を
延長させることができる。
な優れた効果を発揮する。 (1)センサ信号検出用の受光器及び光カプラをそれぞ
れ1台ずつ省略することができるので、組み立てが容易
になり、低コスト化でき、しかも信頼性を向上させるこ
とができる。 (2)光学系の損失が低下するため、光源の光量を低下
させることができ、消費電力を低下させ、光源の寿命を
延長させることができる。
【図1】本発明の前提となった光回転角速度センサの概
略図である。
略図である。
【図2】(a)は図1に示した光源モジュールの回路図
であり、(b)はその外観図である。
であり、(b)はその外観図である。
【図3】光源モジュールのLDからの出射光をLDに戻
したときのレーザ特性の変化を検出する回路図である。
したときのレーザ特性の変化を検出する回路図である。
【図4】図3に示した回路図において、ミラーの位置と
注入電流I 1 に対するPDの出力電流I 2 の変化との関
係を示す図である。
注入電流I 1 に対するPDの出力電流I 2 の変化との関
係を示す図である。
【図5】本発明の前提となった他の光回転角速度センサ
の概略図である。
の概略図である。
【図6】本発明の前提となった他の光回転角速度センサ
の概略図である。
の概略図である。
【図7】本発明の前提となった他の光回転角速度センサ
の概略図である。
の概略図である。
【図8】本発明の前提となった他の光回転角速度センサ
の概略図である。
の概略図である。
【図9】本発明の前提となった他の光回転角速度センサ
の概略図である。
の概略図である。
【図10】本発明の前提となった他の光回転角速度セン
サの概略図である。
サの概略図である。
【図11】本発明の本発明の光回転角速度センサの概略
図である。
図である。
【図12】本発明の光回転角速度センサの他の実施例の
概略図である。
概略図である。
【図13】本発明の光回転角速度センサの他の実施例の
概略図である。
概略図である。
【図14】本発明の光回転角速度センサの他の実施例の
概略図である。
概略図である。
【図15】本発明の光回転角速度センサの他の実施例の
概略図である。
概略図である。
【図16】(a)、(b)はそれぞれ従来の位相変調方
式の光回転角速度センサの概略図を示す。
式の光回転角速度センサの概略図を示す。
【図17】光回転角速度センサの他の従来例の概略図を
示す。
示す。
【図18】図17に示した光回転角速度センサの動作を
説明するための説明図を示す。
説明するための説明図を示す。
20 光学系 21 信号処理回路 22 L D(光源) 23 光ファイバ 24 光カプラ 25 センシングループ 26 位相変調器 27 P D(受光器) 28 光源モジュール
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 飯塚 寿夫 茨城県日立市日高町5丁目1番1号 日 立電線株式会社日高工場内 (72)発明者 油原 敏哉 茨城県日立市日高町5丁目1番1号 日 立電線株式会社日高工場内 (72)発明者 清水 亮太郎 茨城県日立市日高町5丁目1番1号 日 立電線株式会社日高工場内 (72)発明者 園部 久雄 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (72)発明者 於保 茂 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所日立研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−277014(JP,A) 特開 平4−52511(JP,A) 特開 平3−255308(JP,A) 特開 昭61−147106(JP,A) 特開 平4−233410(JP,A) 特開 平3−142317(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01C 19/00 - 19/72
Claims (14)
- 【請求項1】 光源からの光を光カプラで分岐し、その
分岐光を位相変調器で位相をずらせた後それぞれセンシ
ングループに導き、該センシングループを伝搬した左右
両回り光を前記光カプラで再び結合した後の信号光を、
前記光源の出射側の反対側に設けた受光器で検出して角
速度情報を得るようにした光回転角速度センサにおい
て、前記受光器に入射する光を増幅する増幅器を、前記
光源と前記受光器との間に設けたことを特徴とする光回
転角速度センサ。 - 【請求項2】 前記光源からの光を、偏光子を介して前
記光カプラに入射したことを特徴とする請求項1に記載
の光回転角速度センサ。 - 【請求項3】 前記偏光子を、光ファイバ型偏光子とし
たことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の光回
転角速度センサ。 - 【請求項4】 前記受光器で検出した信号を、電流・電
圧変換した後、直流出力信号成分の電圧が一定になるよ
うに前記光源に供給する電流を制御する信号処理回路を
備えたことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれ
かに記載の光回転角速度センサ。 - 【請求項5】 前記光カプラを、誘電体、強誘電体又は
半導体からなる基板上に形成したことを特徴とする請求
項1から請求項4のいずれかに記載の光回転角速度セン
サ。 - 【請求項6】 前記偏光子及び/又は前記位相変調器
を、前記光カプラに接続すると共にこれらを同一の基板
上に形成したことを特徴とする請求項2または請求項3
に記載の光回転角速度センサ。 - 【請求項7】 前記基板が、LiNbO 3 、GaAs、
InP、SiO 2 及びLiTaO 3 のいずれかであり、
該基板上に前記光カプラとしてのY分岐光導波路を形成
したことを特徴とする請求項5又は請求項6に記載の光
回転角速度センサ。 - 【請求項8】 前記光源、前記受光器及び前記増幅器
を、同一の半導体基板上に形成したことを特徴とする請
求項1に記載の光回転角速度センサ。 - 【請求項9】 前記信号処理回路を、前記光源、前記受
光器及び前記増幅器が形成された同一の基板上に形成し
たことを特徴とする請求項4に記載の光回転角速度セン
サ。 - 【請求項10】 前記光カプラ、前記偏光子、前記位相
変調器、前記光源及び前記受光器を、同一の半導体基板
上に形成したことを特徴とする請求項4に記載の光回転
角速度センサ。 - 【請求項11】 前記同一の半導体基板が、GaAs、
InP等の化合物半導体又はSiであることを特徴とす
る請求項8から請求項10までのいずれか1項に記載の
光回転角速度センサ。 - 【請求項12】 光源からの光を光カプラで分岐し、そ
の分岐光を位相変調器で位相をずらせた後それぞれセン
シングループに導き、該センシングループを伝搬した左
右両回り光を前記光カプラで再び結合した後の信号光
を、前記光源の出射側の反対側に設けた受光器で検出し
て角速度情報を得ると共に、前記受光器の出力信号の交
流成分の振幅に基づいて前記光源の出力を調整して出力
信号を安定化させることを特徴とする光回転角速度セン
サ。 - 【請求項13】 前記受光器の出力信号の交流成分の振
幅を監視し、故障判定を行うことを特徴とする請求項1
2に記載の光回転角速度センサ。 - 【請求項14】 光源からの光を光カプラで分岐し、そ
の分岐光を位相変調器で位相をずらせた後それぞれセン
シングループに導き、該センシングループを伝搬する左
右両回り光間の位相差と等しい位相バイアスを位相変調
器に加え、前記センシングループを伝搬して位相差を打
ち消された光を前記光カプラで再び結合した後の信号光
を、前記光源の出射側の反対側に設けた受光器で検出し
て角速度情報を得るようにした光回転角速度センサにお
いて、前記受光器に入射する光を増幅する増幅器を、前
記光源と前記受光器との間に設けたことを特徴とする光
回転角速度センサ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP15551693A JP2866276B2 (ja) | 1992-10-22 | 1993-06-25 | 光回転角速度センサ |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP28428392 | 1992-10-22 | ||
JP4-284283 | 1992-10-22 | ||
JP15551693A JP2866276B2 (ja) | 1992-10-22 | 1993-06-25 | 光回転角速度センサ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06186043A JPH06186043A (ja) | 1994-07-08 |
JP2866276B2 true JP2866276B2 (ja) | 1999-03-08 |
Family
ID=26483497
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP15551693A Expired - Fee Related JP2866276B2 (ja) | 1992-10-22 | 1993-06-25 | 光回転角速度センサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2866276B2 (ja) |
-
1993
- 1993-06-25 JP JP15551693A patent/JP2866276B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH06186043A (ja) | 1994-07-08 |
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