(57)【要約】【課題】部品の共通化を実現する多軸ファイバジャイロを提供する。【解決手段】複数の光源２と、複数の光ファイバループ４と、複数の第１光カプラ３と、複数の第２光カプラ７と、複数の位相変調器６と、複数の偏光子９と、多芯フェルール付き受光素子８と、複数の光源２を時分割制御する時分割制御回路とを備えた。【選択図】図１
2008309695.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光源と、該光源と同数であり上記複数の光源からの光を任意の座標軸に左回り光及び右回り光として伝搬する光ファイバループと、上記光源と同数であり各々の光源からの光をそれぞれ２分岐して上記複数の光ファイバループに入射させると共に上記複数の光ファイバループを周回した光を干渉させる複数の第１光カプラと、上記光源と同数であり上記複数の第１光カプラからの各干渉光を受光用に分岐する複数の第２光カプラと、上記複数の光ファイバループを伝搬する左回り光と右回り光に位相差を生じさせる位相変調器と、上記光源と同数であり上記複数の第２光カプラからの光を直線偏光にする複数の偏光子と、上記複数の第２光カプラからの各干渉光を受光する多芯フェルール付き受光素子と、上記複数の光源を時分割制御する時分割制御回路とを備えたことを特徴とする多軸ファイバジャイロ。
【請求項２】
光源と、該光源からの光を任意の座標軸に左回り光及び右回り光として伝搬する複数の光ファイバループと、上記光源からの光を光ファイバループと同数の光源ラインに分岐する前段光カプラ群と、上記複数の光源ラインと同数であり各々の光源ラインからの光をそれぞれ２分岐して上記複数の光ファイバループに入射させると共に上記複数の光ファイバループを周回した光を干渉させる複数の第１光カプラと、上記複数の光源ラインと同数であり上記複数の第１光カプラからの各干渉光を受光用に分岐する複数の第２光カプラと、上記複数の光ファイバループを伝搬する左回り光と右回り光に位相差を生じさせる位相変調器と、上記複数の光源ラインと同数であり上記複数の第２光カプラからの光を直線偏光にする複数の偏光子と、上記複数の第２光カプラからの各干渉光を受光する多芯フェルール付き受光素子とを備え、さらに上記複数の光源ラインは、上記光源ラインの長さを順次異ならせる遅延ラインを備えたことを特徴とする多軸ファイバジャイロ。
【請求項３】
上記位相変調器は、上記複数の光ファイバループの各々の一部の光ファイバが共通の振動子に巻き付けられて形成されたことを特徴とする請求項１又は２記載の多軸ファイバジャイロ。
【請求項４】
上記振動子に巻き付けられる光ファイバは、テープファイバであることを特徴とする請求項３記載の多軸ファイバジャイロ。
【請求項５】
上記位相変調器は、上記複数の光ファイバループの各々の一部の光ファイバが共通の変調信号線に接続される振動子に巻き付けられて形成されたことを特徴とする請求項１又は２記載の多軸ファイバジャイロ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、部品の共通化を実現する多軸ファイバジャイロに関する。
【背景技術】
【０００２】
ファイバジャイロは、光ファイバを巻き回して形成された光ファイバループに光を左右逆回りに伝搬させ、サニャック効果によって両光間に生じる位相差を検出することで、光ファイバループに沿った角速度を検出するものである。その角速度を微分積分して角加速度、角度を検出することもできる。
【０００３】
図５に示されるように、ファイバジャイロ５１は、光源５２と、該光源５２からの光を２分岐すると共に戻り光を干渉させる第１光カプラ５３と、該第１光カプラ５３の分岐光を軸の左右回りに伝搬する光ファイバループ５４と、該光ファイバループ５４の一部の光ファイバ５４ａが振動子５５に巻き付けられた位相変調器５６と、上記第１光カプラ５３から戻る干渉光を受光用に取り出す第２光カプラ５７と、該第２光カプラ５７からの干渉光を受光する受光素子５８と、上記第１光カプラ５３と上記第２光カプラ５７との間に挿入された偏光子５９と、上記光源の駆動回路、上記振動子の駆動回路、上記受光信号の処理回路等を実装した制御基板６０とを備える。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１７３８６０号公報
【特許文献２】特開２０００−４６５６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ファイバジャイロは、航空機、船舶、自動車等の移動体に搭載して移動体の角速度や角度を検出することに用いられる。また、ファイバジャイロは、ロボットや機械の可動部に搭載してその可動部の動きや姿勢を認識することに用いられる。
【０００６】
このとき、ピッチ角、ヨー角、ロール角のように３軸の情報が必要な場合がある。このような場合、従来は、図５の１軸用ファイバジャイロを３基、搭載している。２軸の情報で十分な場合は２基搭載し、４軸以上の情報が必要な場合は、４基以上搭載することになる。
【０００７】
このように、Ｎ軸（Ｎは２以上の自然数）の情報を検出するために、同じファイバジャイロをそのままＮ基用いたのでは、ファイバジャイロのコストはそのままＮ倍となり、重量や体積もそのままＮ倍となる。しかし、各ファイバジャイロに含まれるいくつかの部品を共通化することができれば、コストや重量・体積をＮ倍より小さく抑えられる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、部品の共通化を実現する多軸ファイバジャイロを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために本発明は、複数の光源と、該光源と同数であり上記複数の光源からの光を任意の座標軸に左回り光及び右回り光として伝搬する光ファイバループと、上記光源と同数であり各々の光源からの光をそれぞれ２分岐して上記複数の光ファイバループに入射させると共に上記複数の光ファイバループを周回した光を干渉させる複数の第１光カプラと、上記光源と同数であり上記複数の第１光カプラからの各干渉光を受光用に分岐する複数の第２光カプラと、上記複数の光ファイバループを伝搬する左回り光と右回り光に位相差を生じさせる位相変調器と、上記光源と同数であり上記複数の第２光カプラからの光を直線偏光にする複数の偏光子と、上記複数の第２光カプラからの各干渉光を受光する多芯フェルール付き受光素子と、上記複数の光源を時分割制御する時分割制御回路とを備えたものである。
【００１０】
また、本発明は、光源と、該光源からの光を任意の座標軸に左回り光及び右回り光として伝搬する複数の光ファイバループと、上記光源からの光を光ファイバループと同数の光源ラインに分岐する前段光カプラ群と、上記複数の光源ラインと同数であり各々の光源ラインからの光をそれぞれ２分岐して上記複数の光ファイバループに入射させると共に上記複数の光ファイバループを周回した光を干渉させる複数の第１光カプラと、上記複数の光源ラインと同数であり上記複数の第１光カプラからの各干渉光を受光用に分岐する複数の第２光カプラと、上記複数の光ファイバループを伝搬する左回り光と右回り光に位相差を生じさせる位相変調器と、上記複数の光源ラインと同数であり上記複数の第２光カプラからの光を直線偏光にする複数の偏光子と、上記複数の第２光カプラからの各干渉光を受光する多芯フェルール付き受光素子とを備え、さらに上記複数の光源ラインは、上記光源ラインの長さを順次異ならせる遅延ラインを備えたものである。
【００１１】
上記位相変調器は、上記複数の光ファイバループの各々の一部の光ファイバが共通の振動子に巻き付けられて形成されてもよい。
【００１２】
上記振動子に巻き付けられる光ファイバは、テープファイバであってもよい。
【００１３】
上記位相変調器は、上記複数の光ファイバループの各々の一部の光ファイバが共通の変調信号線に接続される振動子に巻き付けられて形成されてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００１５】
（１）部品の共通化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】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１７】
図１に示されるように、本発明の第１の実施形態に係る多軸ファイバジャイロ１は、３個の光源２と、各々の光源２からの光を２分岐すると共に戻り光を干渉させる３個の第１光カプラ３と、各々の第１光カプラ３の分岐光を左右回りに伝搬する３個の光ファイバループ４と、これら３個の光ファイバループ４の各々の一部の光ファイバ４ａが共通の振動子５に軸方向に３段に巻き付けられた３段式位相変調器６と、上記３個の第１光カプラ３から戻る干渉光を受光用に取り出す３個の第２光カプラ７と、これら３個の第２光カプラ７が取り出した干渉光を受光する３芯フェルール付き受光素子８と、上記３個の光源２を時分割制御する時分割制御回路（図示せず）と、上記第１光カプラ３と上記第２光カプラ７との間に挿入された偏光子９と、上記光源の駆動回路、上記振動子の駆動回路、上記受光信号の処理回路（いずれも図示せず）、上記時分割制御回路等を実装した制御基板１０と、該制御基板１０の振動子駆動回路と上記共通振動子５を接続する変調信号線１１とを備えたものである。
【００１８】
光源２は、ＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）などの半導体発光素子からなる。制御基板１０に実装される各光源の駆動回路は、同じく制御基板１０に実装される時分割制御回路によって制御され、各光源２を順次、所定の時間間隔で駆動することにより、互いに異なる時間帯に１個の光源２のみを発光させるようになっている。
【００１９】
第１光カプラ３は、１×２入出力ポートを有するファイバカプラである。一端の１入出力ポートは、光源側に向けられ、偏光子９に接続される。反対端の２入出力ポートは、それぞれ光ファイバループ４の両端に接続される。第１光カプラ３は、各々の光源２からの光を２分岐して光ファイバループ４の左右回りに送り出すと共に、光ファイバループ４を左右回りで伝搬（周回）し第１光カプラ３に戻ってきた光を結合し、干渉させることにより、左回り光と右回り光による干渉光を光源側に取り出すものである。
【００２０】
光ファイバループ４は、例えば、偏波面保存光ファイバをループ状に巻き回して形成され、そのループ面に直交する軸の左右回りに光を伝搬させることができる。３個の光ファイバループ４は、例えば、互いにループ面を直交させて設けることで、直交３軸の角速度検出に適用することができる。
【００２１】
３段式位相変調器６は、３個の位相変調器を一体化したものであり、３個の光ファイバループ４の各々の一部の光ファイバ４ａを１個の共通振動子５に軸方向に３段に巻き付けて形成したものである。制御基板１０に実装される振動子駆動回路は、変調信号線１１を介して共通振動子５を駆動するようになっている。共通振動子５は、例えば、ＰＺＴ（ピエゾセラミック）からなる。共通振動子５が振動することにより、共通振動子５に巻き付けられた３個の光ファイバ４ａが同時に伸縮し、各光ファイバ４ａを伝搬する光の位相が変調される。これにより、左回り光と右回り光との間に位相差を生じさせる。ただし、本実施形態では、３個の光源２が互いに異なる時間帯に駆動されるので、３個の光ファイバ４ａを同時に光が伝搬することはない。
【００２２】
なお、図１では、３段式位相変調器６を説明するために、共通振動子５を従来技術の振動子５５よりもサイズが大きく図示されているが、本実施形態の多軸ファイバジャイロ１の共通振動子５は従来技術の振動子５５と同程度のサイズに作製することができる。これは、共通振動子５のサイズ（長さ）に比べ、一部の光ファイバ４ａの周囲領域は小さいことによる。
【００２３】
第２光カプラ７は、１×２入出力ポートを有するファイバカプラである。一端の１入出力ポートは、光ファイバループ側に向けられ、偏光子９に接続される。反対端の２入出力ポートは、一方が光源２に接続され、他方が３芯フェルール付き受光素子８の各フェルール１２に接続される。第２光カプラ７は、光源２からの光を第１光カプラ３に送り出し、第１光カプラ３から戻る干渉光を受光用に取り出して３芯フェルール付き受光素子８に送り出すものである。
【００２４】
３芯フェルール付き受光素子８は、ＰＤ（フォトダイオード）などの半導体受光素子と、この半導体受光素子の発光面に臨む３芯のフェルール１２とを一体化したものである。これにより、３芯フェルール付き受光素子８は、３個の第２光カプラ７が取り出した各干渉光を受光することができる。ただし、本実施形態では、３個の光源２が互いに異なる時間帯に駆動されるので、３軸分の干渉光が同時に受光されることはない。
【００２５】
偏光子９は、第１カプラ３と第２光カプラ７とを接続する光ファイバの一部をコイル状に形成すると共に、コアの複屈折を大きくしたファイバ型の偏光子である。
【００２６】
制御基板１０は、光源駆動回路、振動子駆動回路、受光信号処理回路、時分割制御回路等を実装したものである。光源駆動回路、振動子駆動回路、受光信号処理回路は、慣用のものであり、詳しくは述べない。時分割制御回路は、互いに異なる時間帯に１個の光源２のみを駆動するよう、３個の光源２を時分割制御するものである。
【００２７】
各光源２の発光時間間隔は、制御基板１０に実装される各回路及び図示しない演算処理部が各光源２の発光制御及び受光素子８からの受光信号を処理できる十分な時間に設定する。例えば、本実施形態では、３個の光源２は、０．１μｓのパルス幅を有するパルス光をそれぞれ同時に発光することなく順次発光するように、駆動・制御される。
【００２８】
図１の多軸ファイバジャイロ１における軸ごと（各座標軸）の角速度検出原理は、図５のファイバジャイロと同じであるので、詳しくは述べない。多軸ファイバジャイロ１は、例えば、ピッチ角、ヨー角、ロール角の角速度を検出するために、次のような動作を行う。
【００２９】
まず、時分割制御回路は、ピッチ角用の光ファイバループ４に光を伝搬させるために、１個の光源２（ピッチ角用）を駆動する。このとき、他の２個の光源２（ヨー角用、ロール角用）は駆動されない。これにより、ピッチ角用の光源２から出射された光は、第１光カプラにより分岐され当該光ファイバループ４を左右回りに伝搬し、第１光カプラ３により光ファイバループ４を周回した左回り光と右回り光が結合され干渉し、その干渉光が第２光カプラ７から取り出されて３芯フェルール付き受光素子８で受光される。他の２個の光ファイバループ４には光が伝搬していないので、このとき受光される干渉光は、ピッチ角用の光ファイバループ４から得られたもののみである。よって、受光信号処理回路は、受光信号からピッチ角の角速度を検出する。
【００３０】
ヨー角、ロール角についても同様に、時分割制御回路がヨー角用又はロール角用の光源２のみを駆動することにより、３芯フェルール付き受光素子８では当該光ファイバループ４のみから得られた干渉光を受光し、受光信号処理回路は、受光信号からヨー角、ロール角の角速度を検出することになる。
【００３１】
このように時分割制御回路により３個の光源２を順次発光させることで、各光ファイバループ４を周回した左右回りの光の各干渉光を、同一の３芯フェルール付き受光素子８を用いて時分割で受光でき、ピッチ角、ヨー角、ロール角の角速度を順次検出することができる。
【００３２】
本実施形態によれば、受光素子が共通化されて１個になっているので、図５のファイバジャイロを３基使用すると受光素子が３個になるのに比べて、受光素子の個数が少ない。
よって、受光素子のコストが低減されると共に、受光素子が占める重量・体積を低減させることができる。
【００３３】
また、本実施形態によれば、３個の位相変調器の振動子が共通化されて１個になり、変調信号線が１本になっているので、図５のファイバジャイロを３基使用すると振動子が３個、変調信号線が３本になるのに比べて、振動子の個数が少なく、変調信号線の本数が少ない。
【００３４】
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。
【００３５】
図２に示した多軸ファイバジャイロ２１は、図１の多軸ファイバジャイロ１と異なり、３個の位相変調器２２は、各光ファイバループ４の光ファイバ４ａが個別の振動子２３に巻き付けられている。制御基板１０からの変調信号線１１は１本であり、３個の振動子２３に共通配線されている。他の部分は、図１の多軸ファイバジャイロと同じである。
【００３６】
この実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、受光素子が共通化されて１個になっているので、受光素子のコストが低減されると共に、受光素子が占める重量・体積を低減させることができる。
【００３７】
次に、本発明の第３の実施形態を説明する。
【００３８】
図３に示した多軸ファイバジャイロ３１は、図１の多軸ファイバジャイロ１と異なり、各光ファイバループ４の光ファイバ４ａが一体にテープ化された３芯テープファイバ３２を備え、位相変調器は、この３芯テープファイバ３２が１個の共通の振動子３３に巻き付けられて形成される。制御基板１０からの変調信号線１１は１本であり、振動子３３に共通配線されている。他の部分は、図１の多軸ファイバジャイロと同じである。
【００３９】
この実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、受光素子が共通化されて１個になっているので、受光素子のコストが低減されると共に、受光素子が占める重量・体積を低減させることができる。
【００４０】
また、振動子３３に巻き付けられ位相変調器を形成する光ファイバ４ａがテープファイバからなるので、振動子３３への巻き付け工程が簡便になり、位相変調器の形成が容易となる。
【００４１】
また、この実施形態によれば、３個の位相変調器の振動子が共通化されて１個になり、変調信号線が１本になっているので、振動子の個数が少なく、変調信号線の本数が少ない。
【００４２】
次に、本発明の第４の実施形態を説明する。
【００４３】
図４に示されるように、本発明の第４の実施形態に係る多軸ファイバジャイロ４１は、１個の光源４２と、該光源４２からの光を３個の光源ライン４３１，４３２，４３３に分岐する前段光カプラ群４４と、各々の光源ライン４３１，４３２，４３３からの光を２分岐すると共に戻り光を干渉させる３個の第１光カプラ３と、各々の第１光カプラの分岐光を互いに異なる軸の左右回りに伝搬する３個の光ファイバループ４と、これら３個の光ファイバループ４の各々の一部の光ファイバ４ａが共通の振動子５に軸方向に３段に巻き付けられた３段式位相変調器６と、上記３個の第１光カプラ３から戻る干渉光を受光用に取り出す３個の第２光カプラ７と、これら３個の第２光カプラ７が取り出した干渉光を同一の受光素子を用いて時分割で受光するための３芯フェルール付き受光素子８と、２個の上記光源ライン４３２，４３３に挿入された長さが順次異なる２個の遅延ライン４５１，４５２とを備えたものである。
【００４４】
多軸ファイバジャイロ４１は、図１の多軸ファイバジャイロ１との相違点のみに着目すると、光源４２が１個であり、前段光カプラ群４４によって光源４２からの出射光を３個の光源ライン４３１，４３２，４３３に分岐するようになっている。また、２個の上記光源ライン４３２，４３３には長さが異なる遅延ライン４５１，４５２が挿入されている。他の部分は、図１の多軸ファイバジャイロ１と同じである。
【００４５】
前段光カプラ群４４は、１×２入出力ポートを有する３個のファイバカプラ４６１，４６２，４６３を組み合わせたものである。１個目のファイバカプラ４６１の一端の１入出力ポートが光源４２に接続され、反対端の２入出力ポートは、それぞれ２個目と３個目のファイバカプラ４６２，４６３の一端の１入出力ポートに接続される。
【００４６】
２個目と３個目のファイバカプラ４６２，４６３の反対端の２入出力ポートには、光源ラインが接続される。ここで、２個目のファイバカプラ４６２の反対側の２入出力ポートには、遅延ラインが挿入されていない第１光源ライン４３１と、第１遅延ライン４５１が挿入された第２光源ライン４３２とが接続され、３個目のファイバカプラ４６３の反対側の２入出力ポートの一方は、第２遅延ライン４５２が挿入された第３光源ライン４３３に接続され、他方は未使用とされる。
【００４７】
光源ライン４３２，４３３に挿入される遅延ライン４５１，４５２の長さは、図示しない演算処理部が受光素子８からの受信信号を処理するのに十分な遅延時間を各遅延ライン４５１，４５２によって作れるように適宜決定される。本実施形態では、第１光源ライン４３１を３０ｍ、第２遅延ライン４５２を６０ｍとした。また、光源４２は、０．１μｓのパルス幅を有するパルス光信号を０．２μｓの間隔を開けて出射するように設定した。
【００４８】
遅延ライン４５１，４５２は、光源ライン４３２，４３３を形成する光ファイバの一部をボビンに巻き回すことで、所定の長さの光ファイバを一箇所に集中させて配置したものである。遅延ライン４５１，４５２は、一方向（ＣＷ）に巻いた部分と反対方向（ＣＣＷ）に巻いた部分とにより形成され、一方向に巻いた部分と反対方向に巻いた部分とでは、互いにファイバ長、巻き回数を等しくして、両方向に巻かれた光ファイバの断面積が等しくなるように形成される。これにより、遅延ライン４５１，４５２が回転運動を検出するのを抑えることができる。
【００４９】
多軸ファイバジャイロ４１の動作は、光源４２が所定の時間間隔でパルス光を出射すると、まず遅延ラインが挿入されていない第１光源ライン４３１を伝搬した光が光ファイバループ４を左右回りし、第１光カプラ３で干渉してその干渉光が第２光カプラ７から取り出され、３芯フェルール付き受光素子８で受光される。
【００５０】
次に、第１遅延ライン４５１が挿入された第２光源ライン４３２を伝搬した光が、第１光源ライン４３１を伝搬した光に比べて第１遅延ライン４５１を伝搬する時間だけ遅れて光ファイバループ４を伝搬し、第１光カプラ３、第２光カプラ７を介して干渉光として３芯フェルール付き受光素子８で受光される。その後、第２遅延ライン４５２が挿入された第３光源ライン４３３を伝搬した光が、第１光源ライン４３１を伝搬した光に比べて第２遅延ライン４５２を伝搬する時間だけ遅れて光ファイバループ４を伝搬し、第１光カプラ３、第２光カプラ７を介して干渉光として３芯フェルール付き受光素子８で受光される。
【００５１】
このように、遅延ライン４５１，４５２があるために、各光源ライン４３１，４３２，４３３は異なるタイミングで光を伝搬させる。したがって、３芯フェルール付き受光素子８では、光源４２が１回パルス状に点灯されると、３回のタイミングに分けて干渉光が受光される。受光信号処理回路は、これら３回の受光信号から例えば、ピッチ角、ヨー角、ロール角の順序で角速度を検出する。
【００５２】
この実施形態によれば、光源４２が共通化されて１個になっているので、図５のファイバジャイロを３基使用すると光源が３個になるのに比べて、光源４２の個数が少ない。よって、光源４２のコストが低減されると共に、光源４２が占める重量・体積を低減させることができる。
【００５３】
また、この実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、３個の位相変調器の振動子が共通化されて１個になり、変調信号線が１本になっているので、振動子の個数が少なく、変調信号線の本数が少ない。
【００５４】
本実施形態では、前段光カプラ群４４の３個目のファイバカプラ４６３を省略し、１個目のファイバカプラ４６１の２入出力ポートの他方と第２光カプラ７とを減衰器を介して接続する構成でもよい。例えば、ファイバカプラによる減衰が３ｄＢの場合、３ｄＢ減衰器を用いることで、第３光源ライン４３３を伝搬する光と、第１、第２光源ライン４３１，４３２を伝搬する光とを同レベルにするように調整する。
【００５５】
これまでの実施形態では、３個の光ファイバループを設けた３軸ファイバジャイロを説明したが、２軸以上の任意の座標軸の角速度を検出する多軸ファイバジャイロに本発明は効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１実施形態を示す多軸ファイバジャイロの構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態を示す多軸ファイバジャイロの構成図である。
【図３】本発明の第３実施形態を示す多軸ファイバジャイロの構成図である。
【図４】本発明の第４実施形態を示す多軸ファイバジャイロの構成図である。
【図５】従来のファイバジャイロの構成図である。
【符号の説明】
【００５７】
１、２１、３１、４１  多軸ファイバジャイロ
２  光源
３  第１光カプラ
４  光ファイバループ
５  共通の振動子
６  ３段式位相変調器
７  第２光カプラ
８  ３芯フェルール付き受光素子
９  偏光子
１０  制御基板
１１  変調信号線
【図１】
2008309695.tif 000003
【図２】
2008309695.tif 000004
【図３】
2008309695.tif 000005
【図４】
2008309695.tif 000006
【図５】
2008309695.tif 000007