(57)【要約】【課題】  補助的な光ジャイロを有しながらも小型で安価な光ファイバジャイロを提供する。【解決手段】  光ファイバジャイロ１は、主要な検出系である第１の光ジャイロ１１と補助的な検出系である第２の光ジャイロ３１と、から構成されている。第１の光ジャイロ１１は、両端面から光を出射させる半導体レーザ１２と、光ファイバをボビンに多重巻きして光ファイバコイル部１６ｂを形成してなる感知コイル１６を有し、半導体レーザ１２の両端面１２ａ，１２ｂから出射した光を互いに反対方向に周回させる第１の光ファイバループ１３と、を備えている。一方、第２の光ジャイロ３１は、一端面から光を出射させるＳＬＤ３２と、ＳＬＤ３２の一端面から出射した光を２方向に分配する光分配器３３と、光分配器３３により２方向に分配された光が一対の光結合器１７，１８を介して感知コイル１６に導かれるように構成された第２の光ファイバループ３４と、を備えている。【選択図】図１
2010054220.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体の角速度を検出する第１の光ジャイロと、前記移動体の角速度を補助的に検出する第２の光ジャイロと、を備え、
前記第１の光ジャイロは、両端面から光を出射させる第１の光源と、
光ファイバを多重巻きして構成された感知コイルを含み、前記第１の光源の前記両端面から出射した光を互いに反対方向に周回させ、前記第１の光源とともにレーザ共振回路を構成する第１の光ファイバループと、
該第１の光ファイバループ内を互いに反対方向に周回する２つの光によるビート周波数から角速度を検出するための第１の光検出部と、を有し、
前記第２の光ジャイロは、一端面から光を出射させる第２の光源と、
該第２の光源の前記一端面から出射した光を２方向に分配する光分配器と、
該光分配器により２方向に分配された光が一対の光結合器を介して前記第１の光ファイバループを構成する前記感知コイルの両端部にそれぞれ導かれるように構成された第２の光ファイバループと、
該第２の光ファイバループ内を互いに反対方向に周回する２つの光の位相差から角速度を検出するための第２の光検出部と、を有することを特徴とする光ファイバジャイロ。
【請求項２】
前記第１の光源および前記第２の光源の駆動を制御する制御回路部を有し、該制御回路部が、前記第１のジャイロが動作不良の状態にあることを検出した際に、前記第１の光ジャイロの駆動を停止し、前記第２の光ジャイロを駆動させるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバジャイロ。
【請求項３】
前記制御回路部が、前記第1の光源が出射する光量の低下から、前記第１のジャイロが動作不良の状態にあることを検出するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバジャイロ。
【請求項４】
前記制御回路部が、ロックイン現象の発生から、前記第１のジャイロが動作不良の状態にあることを検出するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバジャイロ。
【請求項５】
前記第１の光源から出射する光の波長と前記第２の光源から出射する光の波長とが互いに異なり、
前記第２の光ジャイロを構成する前記光結合器が、２つの入力ポートから入力した光を１つの出力ポートから出力させるように構成されている波長多重分波合波器であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光ファイバジャイロ。
【請求項６】
前記第２の光源が、スーパールミネッセンスダイオードであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光ファイバジャイロ。
【請求項７】
前記第１の光ファイバループは、リング共振周波数Ｆrlgと、角速度の測定範囲の下限値に相当するビート周波数ΔＦbeat_minと、角速度の測定範囲の上限値に相当するビート周波数ΔＦbeat_maxとが、（１）式の関係を満たすように構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光ファイバジャイロ。
２ΔＦbeat_max＜Ｆrlg≦１０ΔＦbeat_min    ・・・（１）式
ただし、Ｆrlgは以下の通りである。
Ｆrlg＝Ｃ／ｎＬ
ここで、Ｃは光速、ｎは光ファイバの屈折率、Ｌは第１の光ファイバループを構成する光ファイバの全長である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザの両端面から出射した光を互いに反対方向に光ファイバループ内を周回させることにより回転角速度を検出する光ファイバジャイロに関し、詳しくは補助的な光ジャイロを備えた光ファイバジャイロに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
サニャック（Ｓａｇｎａｃ）効果を利用して物体の回転角速度（角速度）を計測する光ファイバジャイロが、航空機やロケットなどの分野を中心に多用されている。従来の光ファイバジャイロは、干渉型光ファイバジャイロと一般的に呼ばれ、一端面から光を出射させる光源と、光源が出射した光を２分岐する光結合器（光ファイバカプラ）と、２分岐された光を互いに反対方向に周回させる光ファイバループとを備えている。そして、光ファイバループ内を互いに反対方向に周回する２つの光にサニャック効果がもたらす位相の変化（位相差）から角速度を計測するものである。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
これに対して、近年、両端面から光を出射させる半導体レーザを光ファイバループ内に配置させることにより、半導体レーザとともに光ファイバループがレーザの共振回路を構成する光ジャイロ（以下では、適宜、半導体リングレーザジャイロという）が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
図３は、特許文献２が開示する半導体リングレーザジャイロとしての光ジャイロ５０の構成を示す概略図である。光ジャイロ５０は、半導体光アンプ（ＳＯＡ）５１と、半導体光アンプ５１の両端面５１Ａ，５１Ｂにループ状に連結された光ファイバ５２と、を備えている。この半導体光アンプ５１は、その両端面５１Ａ，５１Ｂからレーザ光ＣＷ，ＣＣＷを出射させるともに、光ファイバ５２中を互いに反対方向に一周したレーザ光ＣＷ，ＣＣＷを誘導放出によって増幅し、その増幅したレーザ光ＣＷ，ＣＣＷを再び光ファイバ５２へ出射させるものである。
【０００５】
光ファイバ５２中を伝搬するレーザ光ＣＷ，ＣＣＷの一部は、結合器５３により光ファイバ５４に導かれた後、結合器５５によって重ね合わされる。重ね合わされたレーザ光ＣＷ，ＣＣＷは、光ファイバ５６を介して光検出器５７に導かれる。光検出器５７では、重ね合わされたレーザ光ＣＷ，ＣＣＷを２乗検波し、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷ間の発振周波数の差に起因して生じるビート信号を検出する。このレーザ光ＣＷ，ＣＣＷ間の発振周波数の差は、光ファイバ５２が半導体光アンプ５１とともにレーザの共振回路を構成していることにより生じるものである。すなわち、テーブル６０の回転にともなうサニャック効果に起因して右回りと左回りのレーザ共振器長が変わることによって生じるものである。
【０００６】
光検出器５７により検出されたビート信号は、スペクトルアナライザ５８に入力され、ビート周波数ｆＢが検出される。そして、検出されたビート周波数ｆＢと角速度Ωとの関係を示す次式から回転体（光ファイバループ）の角速度が検出器５９において算出される。
ｆＢ＝（４Ａ／ｎλＰ）Ω
ただし、Ａは、光ファイバ５２によって囲まれる領域の面積であり、ｎは、光ファイバ５２の屈折率であり、λは、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷの波長であり、Ｐは、レーザ光ＣＷ，ＣＣＷのパス長であり、Ωは、角速度である。
【０００７】
【特許文献１】特開平６−７４７７５号公報
【特許文献２】特開２００７−７１６１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記構成をなす半導体リングレーザジャイロは、ビート周波数から角速度を検出することから、本質的には検出感度の高い角速度の計測が可能である。しかしながら、本発明者が半導体リングレーザジャイロの小型化を目的に光ファイバループの小径化を検討したところ、例えば光ファイバのループ径が１００ｍｍ程度（いわゆる手のひらサイズ）では角速度の検出が困難または不能になるという問題が発生した。
【０００９】
また、半導体リングレーザジャイロには、製品寿命等により光源の光量が低下した場合に、正確な角速度の検出が困難になるおそれがあるという問題がある。この点、同一構成の検出装置をバックアップ用に備えることが考えられるが、その場合には検出装置のコストおよび容積が倍増するという問題がある。
【００１０】
また、半導体リングレーザジャイロは、角速度が小さい環境下においては、いわゆるロックイン現象が生じ、角速度の検出が困難になるという問題がある。このロックイン現象を回避するために、機械式ディザ機構を設け、光ファイバループを機械的に振動させることが周知な手段として考えられるが、光ファイバに機械的な振動を与えることは検出信号のノイズ成分を増加させるおそれがあるという問題がある。また、機械式ディザ機構を設ける場合には、機械式ディザ機構を設置するスペースを要するという問題がある。
【００１１】
そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、小型でありながら角速度の検出感度に優れ、かつ、検出装置のコストと容積を余り大きくすることなく補助的な光ジャイロを備えた半導体リングレーザ型の光ファイバジャイロを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
すなわち、上記課題を解決するために、本発明に係る光ファイバジャイロの特徴は、移動体の角速度を検出する第１の光ジャイロと、前記移動体の角速度を補助的に検出する第２の光ジャイロと、を備え、前記第１の光ジャイロは、両端面から光を出射させる第１の光源と、光ファイバを多重巻きして構成された感知コイルを含み、前記第１の光源の前記両端面から出射した光を互いに反対方向に周回させ、前記第１の光源とともにレーザ共振回路を構成する第１の光ファイバループと、該第１の光ファイバループ内を互いに反対方向に周回する２つの光によるビート周波数から角速度を検出するための第１の光検出部と、を有し、前記第２の光ジャイロは、一端面から光を出射させる第２の光源と、該第２の光源の前記一端面から出射した光を２方向に分配する光分配器と、該光分配器により２方向に分配された光が一対の光結合器を介して前記第１の光ファイバループを構成する前記感知コイルの両端部にそれぞれ導かれるように構成された第２の光ファイバループと、該第２の光ファイバループ内を互いに反対方向に周回する２つの光の位相差から角速度を検出するための第２の光検出部と、を有することである。
【００１３】
この場合、前記第１の光源および前記第２の光源の駆動を制御する制御回路部が、前記第１のジャイロが動作不良の状態にあることを検出した際に、前記第１の光ジャイロの駆動を停止し、前記第２の光ジャイロを駆動させるように構成することができる。そして、前記制御回路部が、前記第1の光源が出射する光量の低下から、前記第１のジャイロが動作不良の状態にあることを検出するように構成することができる。また、前記制御回路部が、前記第1の光ジャイロのロックイン現象の発生から、前記第１のジャイロが動作不良の状態にあることを検出するように構成することができる。
【００１４】
また、この場合、前記第２の光源を、スーパールミネッセンスダイオードとすることができる。
【００１５】
ところで、第１の光ジャイロ（半導体リングレーザジャイロ）における角速度Ωとビート周波数ΔＦbeat（ｆＢ）との関係は、光ファイバループの形状を半径Ｒの円と仮定した場合には、前掲の式を展開することにより、ΔＦbeat＝（２Ｒ／ｎλ）Ωで表される。したがって、光ファイバループの形状が円の場合には、ビート周波数は光ファイバループの半径には依存するものの、光ファイバの全長（光ファイバループを構成する光ファイバの長さ）には依存しないことになる。しかしながら、光ファイバループの小径化にともなって光ファイバの全長が短くなるにしたがい、レーザ光のリング共振スペクトル（縦モード）の線幅ＦＷＨＭ（Ｆｕｌｌ  Ｗｉｄｔｈ  Ｈａｌｆ  Ｍａｘｉｍｕｍ）が広くなる。リング共振スペクトルの線幅が広くなると、リング共振スペクトルの側帯波として観測されるビート信号がリング共振スペクトルに埋もれてしまう。このため、光ファイバの全長が所定の長さよりも短い場合には、ビート信号を検出できないことが明らかになった。そこで、本発明では、小径でありながら光ファイバの全長を長くするために、光ファイバを多重巻きして構成された感知コイルを第１の光ファイバループ内に設けている。光ファイバの全長を長くすることにより、リング共振スペクトルの線幅が狭小化され、リング共振スペクトルの側帯波として観測されるビート信号の検出が可能となる。これにより、小型でありながら角速度の検出感度に優れた光ファイバジャイロを実現することができる。
【００１６】
また、かかる発明では、第１の光ジャイロに設けられた感知コイルを、第２の光ジャイロ（干渉型光ファイバジャイロ）の感知コイルとして共用する構成としている。これにより、検出装置のコストおよび容積を余り大きくすることなく補助的な光ジャイロを備えた半導体リングレーザジャイロを実現することができる。
【００１７】
そして、補助的な光ジャイロを備えたことにより、第１の光源および第２の光源の駆動を制御する制御回路部が、第１のジャイロの動作不良を検出した際に、第１の光ジャイロ（第１の光源）の駆動を停止し、第２の光ジャイロ（第２の光源）を駆動させるように光ファイバジャイロを構成することができる。具体的には、第１の光ジャイロの第１の光源が製品寿命等に至り出射光量が所定値よりも低下した場合に、第２の光ジャイロを応急的に作動するバックアップ用の光ジャイロとして駆動させることができる。また、干渉型光ファイバジャイロは、前述の低角速度域でのロックイン現象が生じない。そこで、第１の光ジャイロがロックイン現象が発生する環境下に置かれた場合に、第１の光ジャイロから第２の光ジャイロに切り替えて第２の光ジャイロを補完的に駆動させることができる。これにより、機械式ディザ機構を設けることなく継続して角速度の検出が可能となる。
【００１８】
本発明の他の特徴は、前記第１の光源から出射する光の波長と前記第２の光源から出射する光の波長とが互いに異なり、前記第２の光ジャイロを構成する前記光結合器が、２つの入力ポートから入力した光を１つの出力ポートから出力させるように構成されている波長多重分波合波器であることである。
【００１９】
かかる発明によれば、第１および第２の光源が発する光を、結合損失を抑えて効率的に感知コイルに導くことができる。
【００２０】
また、本発明の他の特徴は、前記第１の光ファイバループは、リング共振周波数Ｆrlg（＝Ｃ／ｎＬ）と、角速度の測定範囲の下限値Ωminに相当するビート周波数ΔＦbeat_min（ビート周波数の下限値ΔＦbeat_min）と、角速度の測定範囲の上限値Ωmaxに相当するビート周波数ΔＦbeat_max（ビート周波数の上限値ΔＦbeat_max）とが、（１）式の関係を満たすように構成されていることである。ここで、（１）式は、２ΔＦbeat_max＜Ｆrlg≦１０ΔＦbeat_minであり、Ｃは光速、ｎは光ファイバの屈折率、Ｌは光ファイバの全長（第１の光ファイバループを構成する光ファイバの長さ）である。なお、半径ｒの円筒状ボビンに光ファイバを多重巻きして感知コイルを形成した場合のビート周波数の下限値ΔＦbeat_minは、ΔＦbeat_min＝２ｒΩmin／ｎλ１（λ１は第１の光源から出射する光の波長）で表される。一方、ビート周波数の上限値ΔＦbeat_maxは、ΔＦbeat_max＝２ｒΩmax／ｎλ１で表される。
【００２１】
かかる発明によれば、第１の光ファイバループのリング共振周波数Ｆrlgが角速度の測定範囲の上限値Ωmaxに相当するビート周波数ΔＦbeat_maxの２倍より大きくなるように設定されている。これにより、ビート信号（ビート周波数に発生するビート信号）とリング共振スペクトルの側帯波とが重なることなく、角速度の測定範囲の上限まで精度よくビート信号を検出することが可能となる。また、リング共振周波数Ｆrlgが角速度の測定範囲の下限値Ωminに相当するビート周波数ΔＦbeat_minの１０倍以下となるように設定されている。これにより、リング共振スペクトルの側帯波がリング共振スペクトルに埋もれることなく、角速度の測定範囲の下限まで精度よくビート信号を検出することが可能となる。すなわち、角速度の測定範囲の下限から上限まで連続して角速度を精度よく検出することが可能な半導体リングレーザジャイロを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
〔全体の構成〕
以下、本発明の一実施形態に係る光ファイバジャイロ１について図１を参照して説明する。図１は、光ファイバジャイロ１の全体構成を模式的に示す概念図である。光ファイバジャイロ１は、角速度の主要な検出系を構成する第１の光ジャイロ１１と、補助的な検出系を構成する第２の光ジャイロ３１と、光源の駆動を制御する制御回路部４１とを備えている。なお、図中破線は電気信号線を示している。
【００２３】
（第１の光ジャイロの構成）
第１の光ジャイロ１１は、半導体リングレーザジャイロであり、両端面から光を出射させる第１の光源としての半導体レーザ１２と、半導体レーザ１２の両端面から出射した光を互いに反対方向に周回させる第１の光ファイバループ１３と、第１の光ファイバループ１３を図示右回りに周回する光ＣＷ１（以下、ＣＷ１光という）および図示左回りに周回する光ＣＣＷ１（以下、ＣＣＷ１光という）の一部をそれぞれ分岐させる光分岐器２０と、光分岐器２０により分岐されたＣＷ１光およびＣＣＷ１光によるビート信号の周波数（ビート周波数）から角速度を検出するための第１の光検出部２２とを備えている。
【００２４】
半導体レーザ１２は、本実施形態では、波長８５０ｎｍ（この波長をλ１とする）の光を発光するＧａＡｓ系の材料で形成されたファブリペロー型半導体レーザであり、スペクトル線幅は１０ＭＨｚ前後である。半導体レーザ１２の両端面１２ａ，１２ｂ（左側端面１２ａ，右側端面１２ｂ）には反射防止膜が成膜されている。これにより、半導体レーザ１２は、両端面１２ａ，１２ｂでの反射光を少なくした状態で両端面１２ａ，１２ｂから光を出射させることができる。また、半導体レーザ１２には、出射光量をモニタする光量センサ１２ｃが付属されている。
【００２５】
第１の光ファイバループ１３は、本実施形態では、コア径が５μｍ、屈折率が１．４５、長さが３４０ｍの単一モード光ファイバを用いて形成されている。第１の光ファイバループ１３は、半導体レーザ１２の左側端面１２ａに一端が結合された第１の結合光ファイバ１４と、半導体レーザ１２の右側端面１２ｂに一端が結合された第２の結合光ファイバ１５と、光ファイバをコイル状に多重巻きしてなる感知コイル１６と、第１の結合光ファイバ１４の他端および第２の結合光ファイバ１５の他端と感知コイル１６とをそれぞれ連結する第１および第２の光結合器１７，１８とを備えている。
【００２６】
一対の結合光ファイバ１４，１５は、半導体レーザ１２の両端面１２ａ，１２ｂからそれぞれ出射した光を光ファイバループ１３内に導くとともに、光ファイバループ１３内を反対方向に周回する光を半導体レーザ１２の両端面１２ａ，１２ｂから半導体レーザ１２内に導くためのものである。
【００２７】
感知コイル１６は、半径ｒの円筒状のボビン１６ａと、ボビン１６ａに光ファイバを多重巻きしてなる光ファイバコイル部１６ｂと、光ファイバの両端部（感知コイルの両端部）１６ｃ，１６ｄとから構成されている。ボビン１６ａの半径ｒは、本実施形態では、３０ｍｍである。
【００２８】
一対の光結合器１７，１８は、本実施形態では、２本の光ファイバを溶融延伸してなる２入力１出力型の光方向性結合器（いわゆる波長多重分波合波器）である。一対の光結合器１７，１８の一方の入力ポートに、一対の結合光ファイバ１４，１５の他端がそれぞれ結合され、出力ポートに感知コイルの両端部１６ｃ，１６ｄがそれぞれ結合されている。これにより、一対の結合光ファイバ１４，１５を導波する光は、一対の光結合器１７，１８を介して感知コイルの両端部１６ｃ，１６ｄに導かれる。そして、光ファイバコイル部１６ｂを周回した光は、感知コイルの両端部１６ｃ，１６ｄおよび一対の光結合器１７，１８を介して一対の結合光ファイバ１４，１５に導かれる。なお、この一対の光結合器１７，１８については、後に再度説明する。
【００２９】
次に、光分岐器２０は、本実施形態では、２本の光ファイバを溶融延伸してなる２入力２出力型の光方向性結合器である。光分岐器２０は、本実施形態では、結合光ファイバ１５が形成する経路内に配置され、光ファイバループ１３内を周回するＣＷ１光およびＣＣＷ１光の一部（本実施形態では、１０％）を結合光ファイバ１５からそれぞれ分岐させるものである。光分岐器２０の分岐側（光ファイバループ１３の外周側）の両端(入力および出力ポート)には、第１の光検出部２２に連結するループ状の検出用光ファイバ２１が連結されている。これにより、光分岐器２０により分岐された２つの光は、検出用光ファイバ２１内を互いに反対方向に周回した後、第１の光検出部２２に導かれ互いに重ね合わされる。
【００３０】
第１の光検出部２２は、光の信号を電気信号に変換するフォトダイオード（受光素子）と、フォトダイオードからの出力信号を処理する検出回路とを備えている。検出回路は、ＣＷ１光とＣＣＷ１光とを重ね合わせることにより生成されるビート信号を検出し、そのビート信号の周波数に基づいて角速度が算出される。
【００３１】
（第２の光ジャイロの構成）
第２の光ジャイロ３１は、干渉型光ファイバジャイロであり、一端面から光を出射させる第２の光源としてのＳＬＤ（スーパールミネッセンスダイオード）３２と、ＳＬＤ３２から出射した光を２方向に等分配するための光分配器３３と、光分配器３３により等分配された光を互いに反対方向に周回させる第２の光ファイバループ３４と、第２の光ファイバループ３４を図示右回りに周回する光ＣＷ２（以下、ＣＷ２光という）および図示左回りに周回する光ＣＣＷ２（以下、ＣＣＷ２光という）の位相差から角速度を検出するための第２の光検出部３７とを備えている。
【００３２】
ＳＬＤ３２は、本実施形態では、波長９００ｎｍ（この波長をλ２とする）の光を発光する発光ダイオードである。
【００３３】
光分配器３３は、本実施形態では、２本の光ファイバを溶融延伸してなる２入力２出力型の光方向性結合器である。光分配器３３の２つの入力ポートの一方にＳＬＤ３２が結合され、他方に第２の光検出部３７が結合されている。そして、光分配器３３の２つの出力ポートには、第２の光ファイバループ３４の両端がそれぞれ結合されている。
【００３４】
第２の光ファイバループ３４は、一対の連結光ファイバ３５，３６と、一対の光結合器１７，１８と、感知コイル１６と、から構成されている。
【００３５】
一対の連結光ファイバ３５，３６は、本実施形態では、第１の光ファイバループ１３を構成する光ファイバと同一タイプの光ファイバを用いて、光分配器３３の２つの出力ポートと一対の光結合器１７，１８の他方の入力ポートとをそれぞれ連結するように構成されている。
【００３６】
一対の光結合器１７，１８は、前述のように、２入力１出力型の光方向性結合器（波長多重分波合波器）である。一対の光結合器１７，１８は、第１の光源である半導体レーザ１２の波長λ１と第２の光源であるＳＬＤ２の波長λ２とが異なることを利用して、２つの入力ポートからそれぞれ入力された２つの光を、１つ（同一）の出力ポートから出力させるように構成されているものである。具体的には、一対の光結合器１７，１８の一方の入力ポートに第１の光ファイバループ１３を構成する一対の結合光ファイバ１４，１５の他端がそれぞれ結合され、他方の入力ポートに第２の光ファイバループ３４を構成する一対の連結光ファイバ３５，３６の他端がそれぞれ結合されている。これにより、半導体レーザ１２およびＳＬＤ３２が出射した光は、一対の光結合器１７，１８の出力ポートに結合された感知コイルの両端部１６ｃ，１６ｄを介して光ファイバコイル部１６ｂにいずれも結合損失を少なくして効率的に導かれる（合波される）。
【００３７】
そして、光ファイバコイル部１６ｂを周回した２つの光は、一対の光結合器１７，１８において波長λ１，λ２に応じて分岐される（分波される）。一対の光結合器１７，１８により分岐された波長λ２の光は、一対の連結光ファイバ３５，３６にそれぞれ導かれ、光分配器３３を介して第２の光検出部３７に導かれる。なお、サニャック効果による半導体レーザ１２の波長λ１の変化量は、波長λ１と波長λ２との差に比べてはるかに小さく、一対の光結合器１７，１８では光の損失は生じない。
【００３８】
第２の光検出部３７は、光の信号を電気信号に変換するフォトダイオード（受光素子）と、フォトダイオードからの出力信号を処理する検出回路とを備えている。検出回路は、ＣＷ２光とＣＣＷ２光とによる干渉光の強度から位相差を検出し、その位相差に基づいて角速度が算出される。
【００３９】
〔作動・効果〕
次に、上記の構成をなす光ファイバジャイロ１の作動・効果について図１を参照して説明する。
【００４０】
まず、第１の光ジャイロ１１を構成する第１の光源としての半導体レーザ１２に制御回路部４１から供給される電流を注入すると、半導体レーザ１２の両端面１２ａ，１２ｂからＣＷ１光およびＣＣＷ１光が出射する。半導体レーザ１２の左側端面１２ａから出射したＣＷ１光は、一方の結合光ファイバ１４および一方の光結合器１７を介して感知コイル１６の一端部１６ｃに導かれ、光ファイバコイル部１６ｂを周回する。光ファイバコイル部１６ｂを周回したＣＷ１光は、感知コイル１６の他端部１６ｄから、他方の光結合器１８および他方の結合光ファイバ１５を介して半導体レーザ１２の右側端面１２ｂから半導体レーザ１２内に入射する。このように、半導体レーザ１２の左側端面１２ａから出射したＣＷ１光が、半導体レーザ１２と光ファイバループ１３とにより構成される光周回路（レーザ共振回路）を右回り（ＣＷ）に周回することにより、レーザ発振する。
【００４１】
一方、半導体レーザ１２の右側端面１２ｂから出射したＣＣＷ１光は、他方の結合光ファイバ１５および他方の光結合器１８を介して感知コイル１６の他端部１６ｄに導かれ、光ファイバコイル部１６ｂを周回する。光ファイバコイル部１６ｂを周回したＣＣＷ１光は、感知コイル１６の一端部１６ｃから、一方の光結合器１７および一方の結合光ファイバ１４介して半導体レーザ２の左側端面１２ａから半導体レーザ１２内に入射する。このように、半導体レーザ１２の右側端面１２ｂから出射したＣＣＷ１光が、半導体レーザ１２と光ファイバループ１３とにより構成される光周回路を左回り（ＣＣＷ）に周回することにより、レーザ発振する。
【００４２】
そして、光ファイバループ１３を周回するＣＷ１光およびＣＣＷ１光の一部が光分岐器２０および検出用光ファイバ２１を介して第１の光検出部２２に導かれる。光ファイバジャイロ１が取り付けられた移動体が回転を伴う移動を開始すると、サニャック効果によりＣＷ１光とＣＣＷ１光の周波数（波長）に差が生じ、ＣＷ１光とＣＣＷ１光とを重ね合わせることによりビート信号が発生する。このビート信号の周波数（ビート周波数）ΔＦbeatから前掲の式（ビート周波数と角速度との関係を示す式）を用いて角速度Ωが算出される。なお、本発明では、光ファイバによって囲まれる領域の面積累計Ａを、半径ｒの感知コイル１６のボビン１６ａの断面積πｒ２とボビン１６ａに多重巻きされた光ファイバのターン数Ｎとの積であるＮπｒ２と近似することができる。また、パス長としての光ファイバの全長Ｌ（第１の光ファイバループ１３を構成する光ファイバの長さ）は、感知コイル１６の光ファイバコイル部１６ｂを形成する光ファイバの長さ２πｒＮで近似することができる。したがって、ビート周波数ΔＦbeatと角速度Ωとの関係は次式で表される。ここで、ｎは光ファイバの屈折率である。
Ω＝（ｎλ１／２ｒ）ΔＦbeat  
【００４３】
ところで、上記の式から判断すると、半導体リングレーザ型の第１の光ジャイロ１１においては、角速度Ωの検出感度は感知コイル１６のボビン１６ａの半径ｒに依存するものの、光ファイバの全長Ｌ（または、ボビン１６ａに多重巻きされた光ファイバのターン数Ｎ）には依存しないことになる。ところが、本発明者の検討によると、ボビン１６ａの径を小さくすることにともない、検出装置の小型化が促進されるものの、ビート信号の検出が全く不能になるという現象が発生した。そこで、原因の解明および対策の検討を進めたところ、感知コイル１６のボビン１６ａに光ファイバを多重巻きすることにより光ファイバの全長Ｌを長くすることが、ビート信号の検出に効果的であることが分かった。これは、光ファイバの全長Ｌが長いほど、リング共振スペクトル（レーザ光の縦モード）の線幅が狭くなることから、リング共振スペクトルの側帯波としても観測される（発生する）ビート信号が、リング共振スペクトルに埋もれることなく検出できることによるものである。
【００４４】
そして、第１の光ジャイロ１１が良好な感度でビート信号を検出するには、ビート信号とリング共振スペクトルとの関係に注目して、光ファイバの全長Ｌを所定の範囲に制御することが好ましいことが判明した。具体的には、ビート周波数ΔＦbeatとリング共振周波数（１次のリング共振周波数）Ｆrlgとが、２ΔＦbeat_max＜Ｆrlg≦１０ΔＦbeat_min（より好ましくは、２．５ΔＦbeat_max≦Ｆrlg≦１０ΔＦbeat_min）の関係を満たすように光ファイバの全長Ｌを決定することが好ましい。ここで、ビート周波数ΔＦbeat_minは、ビート周波数ΔＦbeatの下限値（ジャイロに要求される角速度の測定範囲の下限値Ωminに相当するビート周波数であり、以下では、ビート周波数の下限値ΔＦbeat_minという）であり、ビート周波数ΔＦbeat_maxは、ビート周波数ΔＦbeatの上限値（ジャイロに要求される角速度の測定範囲の上限値Ωmaxに相当するビート周波数であり、以下では、ビート周波数の上限値ΔＦbeat_maxという）である。また、リング共振周波数ＦrlgはＣ／ｎＬで表される。ここで、Ｃは光速である。なお、ビート周波数の下限値ΔＦbeat_minは、ΔＦbeat_min＝２ｒΩmin／ｎλ１で表され、ビート周波数の上限値ΔＦbeat_maxは、ΔＦbeat_max＝２ｒΩmax／ｎλ１で表される。
【００４５】
ビート周波数の下限値ΔＦbeat_minとリング共振周波数Ｆrlgとが、Ｆrlg≦１０ΔＦbeat_minの関係を満たす場合には、リング共振スペクトルの側帯波としてのビート信号が観測可能なレベルまで、リング共振スペクトルのスペクトル線幅を狭小化させることができる。また、  ビート周波数の上限値ΔＦbeat_maxとリング共振周波数Ｆrlgとが、２ΔＦbeat_max＜Ｆrlgの関係を満たす場合には、ビート周波数に発生するビート信号のスペクトルと、リング共振スペクトルの両側に発生する側帯波のうち、周波数が低い側に発生する側帯波のスペクトルとが、互いに重ならないようにすることができる。このような理由から、上記条件を満たすように光ファイバの全長Ｌが決定された第１の光ジャイロ１１は、ビート周波数の下限値ΔＦbeat_minからビート周波数の上限値ΔＦbeat_maxにわたって連続的に精度よく角速度を検出することができる。 
【００４６】
この効果を検証するために、実際に試作した第１の光ジャイロ１１の性能を評価したところ、図２に示すように、ビート周波数ΔＦbeat（３次のリング共振スペクトルの周波数と側帯波の周波数との差が相当）が６０ｋＨｚから２５０ｋＨｚまで（角速度として、０．２ｒｐｍから０．８ｒｐｍまで）を精度よく検出できることが確認された。この場合のリング共振周波数Ｆrlgは約６００ｋＨｚであることから、２ΔＦbeat_max＜Ｆrlg≦１０ΔＦbeat_minの関係を満たしている。
【００４７】
次に、半導体レーザ１２に付属する光量センサ１２ｃからの信号により、半導体レーザ１２の光量が所定値以下に低下したことにより、第１のジャイロ（半導体レーザ１２）が動作不良の状態（角速度の検出が不能または検出精度が低下した状態）にあることを制御回路部４１が感知した場合には、制御回路部４１は、半導体レーザ１２への通電を停止する。そして、第２の光ジャイロ３１を駆動させるために、第２の光ジャイロ３１の光源であるＳＬＤ３２に通電しＳＬＤ３２を発光させる。ＳＬＤ３２の一端面から出射した光は、光分配器３３により２等分され、一対の連結光ファイバ３５，３６にそれぞれ導かれる。一方の連結光ファイバ３５に導かれたＣＷ２光は、一方の光結合器１７を介して感知コイルの一端部１６ｃに導かれ、光ファイバコイル部１６ｂを周回する。光ファイバコイル部１６ｂを周回したＣＷ２光は、感知コイル１６の他端部１６ｄから他方の光結合器１８、他方の連結光ファイバ３６、および光分配器３３を介して第２の光検出部３７に導かれる。
【００４８】
一方、他方の連結光ファイバ３６に導かれたＣＣＷ２光は、他方の光結合器１８を介して感知コイルの他端部１６ｄに導かれ、光ファイバコイル部１６ｂを周回する。光ファイバコイル部１６ｂを周回したＣＣＷ２光は、感知コイルの一端部１６ｃから一方の光結合器１７、一方の連結光ファイバ３５、および光分配器３３を介して第２の光検出部３７に導かれる。
【００４９】
ここで、光ファイバジャイロ１が移動体とともに回転を伴う移動をしている場合には、第２の光ジャイロ３１において、サニャック効果によりＣＷ２光とＣＣＷ２光とに位相差が生じる。この位相差を第２の光検出部３７が検出し、検出された位相差から角速度Ωが算出される。なお、干渉型光ファイバジャイロにおいては、サニャック効果により生じる位相差の大きさが、第２の光ファイバループを構成する光ファイバの長さに比例する。したがって、干渉型光ファイバジャイロを構成する第２の光ジャイロ３１においても、光ファイバコイル部１６ｂに光を周回させることにより精度のよい角速度の検出が可能となる。
【００５０】
以上の作動説明からも理解できるように、本発明に係る光ファイバジャイロ１は、第１の光ジャイロ１１が半導体レーザ１２の寿命劣化等により動作不良の状態になった場合にも、第２の光ジャイロ３１を駆動させることができることから、角速度の検出を継続させることができる。また、光ファイバジャイロ１は、第１の光ジャイロ１１と第２の光ジャイロ３１とが１個の感知コイル１６を共用する構成としたことから、検出装置のコストおよび容積を余り大きくすることなく、補助的な光ジャイロを備えた光ファイバジャイロ１を構成することができる。
【００５１】
〔変形例〕
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更および組み合わせが可能である。
【００５２】
例えば、上記の作動説明では、半導体レーザ１２の光量が低下することにより第１の光ジャイロ１１が動作不良の状態になった際に、応急的（補助的）に第２の光ジャイロ３１を使用する構成について説明したが、第２の光ジャイロ３１の使用形態はこれに限定されるものではない。これに代えて、第１の光ジャイロ１１がロックイン現象（動作不良の他の形態）を起こすレベルの低角速度の環境下に置かれたことが、第１の光検出部２２での検出信号により判別された場合に、第２の光ジャイロ３１を補完的（補助的）に使用するように構成してもよい。これにより、機械式ディザ機構を設けることなく、低い角速度を検出することが可能となる。また、角速度の測定範囲の下限値Ωminよりも小さい角速度の検出または角速度の測定範囲の上限値Ωmaxよりも大きい角速度の検出が必要になった場合に、第２の光ジャイロ３１を使用するように構成してもよい。なお、第１の光ジャイロ１１と第２の光ジャイロ３１とを切り替えることなく、常時、第１の光ジャイロ１１と第２の光ジャイロ３１のいずれをも駆動させる構成としてもよい。
【００５３】
また、上記の実施形態では、半導体レーザ１２の光の波長とＳＬＤ３２の光の波長とを相違させるとともに、一対の光結合器１７，１８として２入力１出力型の方向性結合器（波長多重分波合波器）を使用しているが、これに限定されるものではない。光の損失を考慮する必要がない場合には、半導体レーザ１２から出射する光の波長とＳＬＤ３２から出射する光の波長とを一致させるとともに、一対の光結合器１７，１８として使用される２入力１出力型の方向性結合器（波長多重分波合波器）に代えて２入力２出力型の方向性結合器を使用してもよい。
【００５４】
また、第２の光ジャイロを構成する第２の光源３２としてＳＬＤを使用したが、これに限定されるものではなく、例えば、半導体レーザを使用してもよい。
【００５５】
また、光ファイバループ３を構成する光ファイバとして、単一モード光ファイバを使用したが、これに限定されるものではなく、単一モード光ファイバに代えてマルチモード光ファイバを適用してもよい。また、感知コイル１６のボビン１６ａの形状は、必ずしも円筒状である必要はなく、例えば、断面形状が楕円または多角形である筒状であってもよい。さらに、ボビン６ａを用いることなく、空芯状に光ファイバを多重巻きして感知コイル１６を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の一実施形態に係る光ファイバジャイロ１の全体構成を模式的に示す概念図である。
【図２】第１の光ジャイロの角速度（回転数）とリング共振スペクトルの側帯波の周波数との関係を実測した結果を示す図である。
【図３】従来の半導体リングレーザジャイロの構成を示す概念図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  光ファイバジャイロ
１１  第１の光ジャイロ（半導体リングレーザジャイロ）
１２  第１の光源（半導体レーザ）
１２ａ，１２ｂ  両端面
１２ｃ  光量センサ
１３  第１の光ファイバループ
１４，１５  一対の結合光ファイバ
１６  感知コイル
１６ａ  ボビン
１６ｂ  光ファイバコイル部
１６ｃ，１６ｄ  感知コイルの両端部
１７，１８  一対の光結合器
２０  光分岐器
２１  検出用光ファイバ
２２  第１の光検出部
３１  第２の光ジャイロ（干渉型光ファイバジャイロ）
３２  第２の光源（ＳＬＤ）
３３  光分配器
３４  第２の光ファイバループ
３５，３６  一対の連結光ファイバ
３７  第２の光検出部
４１  制御回路部
【図１】
2010054220.tif 000003
【図２】
2010054220.tif 000004
【図３】
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