(57)【要約】【課題】低速回転時でも精度よく回転角速度を求めることができるジャイロを提供する。【解決手段】本発明のレーザジャイロは、周回している光ファイバ１１と、光ファイバ１１内を互いに逆方向に進行する第１および第２のレーザ光を発生させる半導体光増幅器１２と、第１および第２のレーザ光によって発生するビート信号を検出するフォトダイオード１６とを備え、光ファイバ１１の周回数ｍ（ｍは整数）が以下の式（１）で表される。2009041940.tif 000010［式中、ｃは、光速度（ｍ／秒）を示す。λは、第１および第２のレーザ光の波長（ｍ）を示す。γは、共振器内の反射率を示す。Ｂ0は、所定の形状の面積（ｍ2）を示す。Ω0は、検出すべき最小回転角速度（度／秒）を示す。］【選択図】図３
2009041940.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の形状の外縁に沿うように周回している光路と、
前記光路内を互いに逆方向に進行する第１および第２のレーザ光を発生させるレーザ光励起手段であって、前記光路の両端に結合されて前記光路と共に共振器を形成するレーザ光励起手段と、
前記第１および第２のレーザ光によって発生するビート信号を検出する検出手段とを備え、
前記光路の周回数ｍ（ｍは整数）が、以下の式（１）で表されるレーザジャイロ。
【数１】
2009041940.tif 000008
［式中、ｃは、光速度（ｍ／秒）を示す。λは、前記第１および第２のレーザ光の波長（ｍ）を示す。γは、前記共振器内の反射率を示す。Ｂ0は、前記所定の形状の面積（ｍ2）を示す。Ω0は、レーザジャイロで検出すべき最小回転角速度（度／秒）を示す。］
【請求項２】
前記光路が光ファイバで形成されている請求項１に記載のレーザジャイロ。
【請求項３】
所定の形状の外縁に沿うように周回している光路と、
前記光路内を互いに逆方向に進行する第１および第２のレーザ光を発生させるレーザ光励起手段であって、前記光路の両端に結合されて前記光路と共に共振器を形成するレーザ光励起手段と、
前記第１および第２のレーザ光によって発生するビート信号を検出する検出手段とを備え、
以下の式（２）に基づいて回転角速度Ω（度／秒）を求めるレーザジャイロ。
【数２】
2009041940.tif 000009
［式中、ｆはビート信号の周波数（Ｈｚ）を示す。ｆ0は、ｆ0＝ｃγ0.5／ｎπＬで表される。ここで、ｃは光速度（ｍ／ｓ）であり、γは前記共振器内の反射率であり、ｎは前記共振器の平均屈折率であり、Ｌは前記共振器の長さ（ｍ）である。Ｓは、Ｓ＝Ｂ0ｍπ／４５ｎλＬで表される。ここで、Ｂ0は前記所定の形状の面積（ｍ2）であり、ｍは前記光路の周回数（整数）であり、ｎは前記共振器の平均屈折率であり、λは前記第１および第２のレーザ光の発振波長（ｍ）であり、Ｌは前記共振器の長さ（ｍ）である。］
【請求項４】
前記光路が光ファイバで形成されている請求項３に記載のレーザジャイロ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザジャイロに関する。
【背景技術】
【０００２】
回転する物体の回転角速度を検出するためのジャイロの中でも、光ジャイロは精度が高いという特徴を有する。従来の光ジャイロの一例では、環状の光路を互いに逆方向に進む２つのレーザ光の周波数差を用いて角速度の検出が行われる。このような光ジャイロとして、希ガスレーザを用いた光ジャイロが提案されている（たとえば特許文献１参照）。これらの光ジャイロでは、同じ経路を互いに逆方向に周回するレーザ光を取り出して干渉縞を形成させる。しかし、希ガスレーザを用いた光ジャイロは、駆動に高電圧が必要で消費電力が大きいという課題、および、装置が大きく熱に弱いという課題を有していた。
【０００３】
このような課題を解決するジャイロとして、光ファイバと半導体レーザとを用いた光ファイバジャイロが提案されている（たとえば特許文献２参照）。光ファイバジャイロでは、リング状の光ファイバを互いに逆方向に進行する２つのレーザ光のビート周波数から回転角速度を求める。
【特許文献１】特開平１１−３５１８８１号公報
【特許文献２】特開平７−１４６１５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の光ファイバジャイロでは、低速回転時に、測定精度が低下するという問題があった。そのため、従来の光ファイバジャイロでは、低速回転時に精度よく回転角速度を求めることが困難であった。
【０００５】
このような状況において、本発明の目的の１つは、低速回転時でも精度よく回転角速度を求めることができるレーザジャイロを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の第１のレーザジャイロは、所定の形状の外縁に沿うように周回している光路と、前記光路内を互いに逆方向に進行する第１および第２のレーザ光を発生させるレーザ光励起手段であって、前記光路の両端に結合されて前記光路と共に共振器を形成するレーザ光励起手段と、前記第１および第２のレーザ光によって発生するビート信号を検出する検出手段とを備え、前記光路の周回数ｍ（ｍは整数）が、以下の式（１）で表される。
【０００７】
【数３】
2009041940.tif 000003
［式中、ｃは、光速度（ｍ／秒）を示す。λは、前記第１および第２のレーザ光の波長（ｍ）を示す。γは、前記共振器内の反射率を示す。Ｂ0は、前記所定の形状の面積（ｍ2）を示す。Ω0は、レーザジャイロで検出すべき最小回転角速度（度／秒）を示す。］
【０００８】
また、本発明の第２のレーザジャイロは、所定の形状の外縁に沿うように周回している光路と、前記光路内を互いに逆方向に進行する第１および第２のレーザ光を発生させるレーザ光励起手段であって、前記光路の両端に結合されて前記光路と共に共振器を形成するレーザ光励起手段と、前記第１および第２のレーザ光によって発生するビート信号を検出する検出手段とを備え、以下の式（２）に基づいて回転角速度Ω（ｍ／ｓ）を求める。
【０００９】
【数４】
2009041940.tif 000004
［式中、ｆはビート信号の周波数（Ｈｚ）を示す。ｆ0は、ｆ0＝ｃγ0.5／ｎπＬで表される。ここで、ｃは光速度（ｍ／ｓ）であり、γは前記共振器内の反射率であり、ｎは前記共振器の平均屈折率であり、Ｌは前記共振器の長さ（ｍ）である。Ｓは、Ｓ＝Ｂ0ｍπ／４５ｎλＬで表される。ここで、Ｂ0は前記所定の形状の面積（ｍ2）であり、ｍは前記光路の周回数（整数）であり、ｎは前記共振器の平均屈折率であり、λは前記第１および第２のレーザ光の発振波長（ｍ）であり、Ｌは前記共振器の長さ（ｍ）である。］
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、低速回転時でも精度よく回転角速度を求めることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されない。以下の説明では、特定の数値や特定の材料を例示する場合があるが、本発明の効果が得られる限り、他の数値や他の材料を適用してもよい。
【００１２】
従来、理想的なリング共振器を用いたレーザジャイロのビート周波数ｆ（Ｈｚ）は、以下の式（３）で表されると考えられてきた。
ｆ＝ＡΩπ／４５ｎλＬ・・・（３）
［式中、Ａは、共振器内の面積（ｍ2）を示す。Ωは、回転角速度（度／秒）を示す。ｎは、共振器の平均屈折率を示す。λは、レーザ光の発振波長（ｍ）を示す。Ｌは、共振器の長さ（ｍ）を示す。］
【００１３】
しかし、実際のリングレーザジャイロのビート周波数は、式（３）には従わない。それは、実際のリングレーザジャイロは、ＳＯＡと光ファイバとの結合部などの反射源を、共振器内に含むからである。そのため、実際には、レーザジャイロのビート周波数ｆ（Ｈｚ）は、以下の式（４）で表される。
【００１４】
【数５】
2009041940.tif 000005
［式中、Ωは、回転角速度（度／秒）を示す。ｆ0は、ｆ0＝ｃγ0.5／ｎπＬで表される。ここで、ｃは光速度（ｍ／ｓ）であり、γは共振器内の反射率であり、ｎは共振器の平均屈折率であり、Ｌは共振器の長さ（ｍ）である。Ｓは、Ｓ＝Ａπ／４５ｎλＬで表される。ここで、Ａは、共振器内の面積（ｍ2）であり、ｎは共振器の平均屈折率であり、λはレーザ光の発振波長（ｍ）であり、Ｌは共振器の長さ（ｍ）である。なお、共振器が、面積がＢ0（ｍ2）である形状の外縁に沿ってｍ回周回している光路によって形成されている場合、共振器内の面積Ａは、Ｂ0とｍとの積で表される。］
【００１５】
回転角速度とビート周波数との関係について、式（３）で表される理想的な共振器における計算値と、反射源による反射を考慮した式（４）で表される共振器における計算値とを、図１に示す。
【００１６】
図１に示すように、式（４）で表されるビート周波数は、回転角速度が低い領域において、式（３）で表される理想的なビート周波数からずれる。このため、式（３）に基づいて角速度を求めると、回転角速度が低い領域において、算出した回転角速度が実際の回転角速度から大きくずれるという問題があった。また、式（４）のｆ0が大きいと、グラフの傾きが小さくなるため、回転角速度の測定誤差が大きくなるという問題があった。本発明者らはこの問題に対して、２つの解決方法を考案した。
【００１７】
第１の解決方法は、式（４）のｆ0を小さくする方法である。本発明の第１のレーザジャイロは、この方法を用いており、共振器を構成する光路の周回数を一定値以上とする。第２の解決方法は、式（４）に基づいて回転角速度を算出する方法である。本発明の第２のレーザジャイロは、この方法を用いている。なお、第１の解決方法と第２の解決方法とを同時に用いてもよい。以下、本発明の第１および第２のレーザジャイロについて説明する。
【００１８】
［第１のレーザジャイロ］
本発明の第１のレーザジャイロは、光路と、レーザ光励起手段と、ビート信号を検出する検出手段とを備える。
【００１９】
光路は、所定の形状の外縁に沿うように周回している。所定の形状の典型的な一例は、円形であるが、他の形状であってもよい。光路は、光導波路や光ファイバによって構成される。光路の好ましい一例は、コイル状に巻かれた光ファイバである。なお、半導体光増幅器の長さは光路（光導波路や光ファイバ）の長さに比べて充分に短いため、光路の長さが、実質的に共振器の長さとなる（第２のレーザジャイロにおいても同様である）。
【００２０】
レーザ光励起手段は、上記光路内を互いに逆方向に進行する第１および第２のレーザ光を発生させる。また、レーザ光励起手段は、上記光路の両端に結合されてその光路と共に共振器を形成する。
【００２１】
レーザ光励起手段には、半導体光増幅器（ＳＯＡ）として知られている素子を用いることができる。半導体光増幅器には、たとえば、直線状のキャビティーを有する半導体レーザ素子と同じ構造を有する素子を用いることができる。半導体光増幅器の好ましい一例は、多重量子井戸構造を有する活性層を備える。
【００２２】
ビート信号を検出する検出手段は、第１および第２のレーザ光によって発生するビート信号を検出する。検出手段には、フォトダイオードなどの受光素子を用いることができる。
【００２３】
また、第１のレーザジャイロは、共振器内を伝播する第１および第２のレーザ光を引き出して結合させる結合手段を備える。結合手段は、たとえば、カプラと光路（光導波路や光ファイバ）とを含む。
【００２４】
共振器の長さとｆ0との関係について、理論値（計算値）と実測値とを図２に示す。図２に示すように、理論値と実測値とはよい一致を示している。図２から、共振器内に反射源を有する実際のリングレーザでは、ビート周波数ｆが、理想的な式（３）には従わないことが分かる。そのため、本発明では、ｆ0の影響が小さくなるように、レーザジャイロの設計を行う。
【００２５】
式（４）から、回転角速度Ωが小さいときほど、ｆ0の影響による誤差の割合が大きくなることが分かる。そのため、測定すべき回転角速度Ωの最小値Ω0に応じて、好ましいレーザジャイロの設計値は変化する。本発明の第１のレーザジャイロでは、光路の周回数ｍ（ｍは整数）が、以下の式（１）で表される。
【００２６】
【数６】
2009041940.tif 000006
［式中、ｃは、光速度（ｍ／秒）を示す。λは、第１および第２のレーザ光の波長（ｍ）を示す。γは、共振器内の反射率を示す。Ｂ0は、所定の形状の面積（ｍ2）を示す。Ω0は、レーザジャイロで検出すべき最小回転角速度（度／秒）を示す。］
【００２７】
共振器内の反射は、レーザ光励起手段と光路との結合部などの反射源によって生じる。共振器内の反射率は、反射減衰量測定によって求めることができる。
【００２８】
レーザジャイロの一例として、λ＝１．５６３×１０-6ｍ、Ｂ0＝０．２９３３ｍ2、γ＝２×１０-6、Ω0＝１°／秒であり、コイル状に巻かれた光ファイバを用いたレーザジャイロを仮定する。この場合、ｍ≧１０．２となる。そのため、この場合には、光路の周回数（光ファイバの巻き数）を１１回以上とする必要がある。
【００２９】
なお、測定すべき最小回転角速度は、レーザジャイロの用途によって異なる。
【００３０】
［第２のレーザジャイロ］
本発明の第２のレーザジャイロは、光路と、レーザ光励起手段と、ビート信号を検出する検出手段とを備える。
【００３１】
光路は、所定の形状の外縁に沿うように周回している。所定の形状の典型的な一例は、円形であるが、他の形状であってもよい。光路は、光導波路や光ファイバによって構成される。光路の好ましい一例は、コイル状に巻かれた光ファイバである。
【００３２】
レーザ光励起手段は、上記光路内を互いに逆方向に進行する第１および第２のレーザ光を発生させる。また、レーザ光励起手段は、上記光路の両端に結合されてその光路と共に共振器を形成する。
【００３３】
レーザ光励起手段には、半導体光増幅器（ＳＯＡ）として知られている素子を用いることができる。半導体光増幅器には、たとえば、直線状のキャビティーを有する半導体レーザ素子と同じ構造を有する素子を用いることができる。半導体光増幅器の好ましい一例は、多重量子井戸構造を有する活性層を備える。
【００３４】
ビート信号を検出する検出手段は、第１および第２のレーザ光によって発生するビート信号を検出する。検出手段には、フォトダイオードなどの受光素子を用いることができる。
【００３５】
また、第２のレーザジャイロは、共振器内を伝播する第１および第２のレーザ光を引き出して結合させる結合手段を備える。結合手段は、たとえば、カプラと光路（光導波路や光ファイバ）とを含む。
【００３６】
本発明の第２のレーザジャイロでは、上記式（４）を変形して得られる以下の式（２）に基づいて回転角速度Ω（度／秒）を求める。
【００３７】
【数７】
2009041940.tif 000007
［式中、ｆはビート信号の周波数（Ｈｚ）を示す。ｆ0は、ｆ0＝ｃγ0.5／ｎπＬで表される。ここで、ｃは光速度（ｍ／ｓ）であり、γは共振器内の反射率であり、ｎは共振器の平均屈折率であり、Ｌは共振器の長さ（ｍ）である。Ｓは、Ｓ＝Ｂ0ｍπ／４５ｎλＬで表される。ここで、Ｂ0は上記所定の形状の面積（ｍ2）であり、ｍは光路の周回数（整数）であり、ｎは共振器の平均屈折率であり、λは第１および第２のレーザ光の発振波長（ｍ）であり、Ｌは共振器の長さ（ｍ）である。］
【００３８】
共振器の平均屈折率は、各素子（ＳＯＡや光ファイバなど）の屈折率の、共振器長に対する加重平均から求めることができる。
【００３９】
上記式（２）に基づいて回転角速度を算出することによって、回転角速度が小さいときでも、回転角速度を精度よく算出できる。
【００４０】
［本発明のレーザジャイロの一例］
以下、本発明のレーザジャイロの一例について説明する。この一例のレーザジャイロ１０の構成を、図３に模式的に示す。レーザジャイロ１０は、光ファイバ１１、半導体光増幅器１２、カプラ１３、光ファイバ１４、カプラ１５、フォトダイオード１６、および信号処理装置１７を備える。
【００４１】
光ファイバ１１は、仮想の円柱の周囲に巻かれるように、コイル状に巻かれている。その仮想の円柱の断面積は、０．２９３３ｍ2である。光ファイバ１１の周回数は、１１回である。光ファイバ１１の２つの端部は、半導体光増幅器１２の活性層の２つの端面に結合されている。光ファイバ１１と半導体光増幅器１２との結合部が、共振器内の反射源となる。この部分の反射によって、ビート周波数が式（３）の理論値からずれる。
【００４２】
光ファイバ１１と半導体光増幅器１２とによって共振器が構成される。半導体光増幅器１２の発振波長は１．５６３μｍである。半導体光増幅器１２は、光ファイバ１１を含む共振器内を時計回りに周回する第１のレーザ光Ｌ１と反時計回りに周回する第２のレーザ光Ｌ２とを発生させる。
【００４３】
カプラ１３は、共振器を周回する第１および第２のレーザ光Ｌ１およびＬ２の一部を引き出して光ファイバ１４に伝播させる。光ファイバ１４に伝播された第１および第２のレーザ光Ｌ１およびＬ２は、進行方向が同じになるように揃えられてカプラ１５で結合される。その結果、第１のレーザ光Ｌ１と第２のレーザ光Ｌ２とによって生じるビート信号（ビート周波数）が、フォトダイオード１６で検出される。フォトダイオード１６で検出された信号は、信号処理装置１７に出力される。
【００４４】
信号処理装置１７は、演算処理装置とメモリとを備える。メモリには、回転角速度の算出に必要な数値（共振器長や発振波長など）が、予め入力されている。演算処理装置は、メモリに入力された数値と、フォトダイオード１６からの出力とに基づいて、回転角速度を算出する。レーザジャイロ１０が本発明の第２のレーザジャイロである場合、式（２）に基づいて回転角速度が算出される。算出された回転角速度は、必要に応じて信号処理装置１７から外部に出力される。
【００４５】
上記一例のレーザジャイロによれば、１°／秒以上の回転角速度を精度よく検出できる。
【００４６】
以上、本発明の実施形態について例を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の技術的思想に基づいて他の実施形態に適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明のレーザジャイロは、物体の回転の検出が必要な様々な機器に適用できる。代表的な例としては、姿勢制御装置やナビゲーション装置、手ぶれ補正装置に利用できる。具体的には、本発明のジャイロは、ロケットや飛行機などの航空機、自動車やバイクといった移動手段に利用できる。また、本発明のジャイロは超小型で取り扱いが容易であるという利点を生かし、携帯電話や小型のパーソナルコンピュータといった携帯情報端末、玩具、カメラなどに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】回転角速度とビート周波数との関係に関する計算値を示すグラフである。
【図２】共振器の長さとｆ0との関係とについて、理論値および実験値を示すグラフである。
【図３】本発明のレーザジャイロの一例の構成を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０  レーザジャイロ
１１、１４  光ファイバ
１２  半導体光増幅器
１３、１５  カプラ
１６  フォトダイオード
１７信号処理装置
Ｌ１、Ｌ２  レーザ光
【図１】
2009041940.tif 000011
【図２】
2009041940.tif 000012
【図３】
2009041940.tif 000013