概要
光ファイバジャイロスコープ(Fiber Optic Gyroscope, FOG)は、コイル内を進むレーザー光の干渉の原理を利用して回転を感知するセンサーです。特に、航空機、船舶、自動車、宇宙探査機などの姿勢制御やナビゲーションシステムで広く利用されています。
特徴
FOGの主な特徴は以下の通りです。
- 高精度
FOGは非常に高い角速度測定精度を持っています。これにより、航空機や宇宙探査機など、非常に精密な姿勢制御が求められる応用に適しています。 - 磁気干渉に強い
FOGは光を利用して動作するため、磁気的な干渉を受けにくいです。これにより、磁場が強い環境でも正確な測定が可能です。 - 高信頼性
機械的な可動部品がないため、FOGは高い信頼性を持ち、長期間の使用にも耐えられます。また、耐久性が高く、メンテナンスの頻度も低く抑えられます。 - 高い分解能
FOGは非常に高い分解能を持っており、微小な角速度変化を検出することができます。これにより、精密な動きの検出が可能です。 - 温度安定性
FOGは温度変化に対して安定した性能を示します。これにより、幅広い温度範囲で高い精度を維持することができます。 - 小型・軽量
光ファイバ自体が小型で軽量であるため、FOGも同様に小型化が可能です。これにより、航空機や宇宙探査機などの重量制限がある応用にも適しています。 - 広いダイナミックレンジ
FOGは広いダイナミックレンジを持ち、非常に低速な回転から高速な回転まで幅広く対応できます。これにより、さまざまな応用で利用可能です。 - 高い直線性
FOGは高い直線性を持ち、入力された角速度に対して正確な出力を提供します。これにより、測定結果の信頼性が向上します。 - 組み込みやすさ
光ファイバは柔軟であり、さまざまな形状や構造に組み込むことができます。これにより、設計の自由度が高まり、応用範囲が広がります。
構成
光ファイバジャイロは主に以下の5つの要素から構成されます。
- 光源: 通常はレーザーダイオードなどが使用され、コヒーレントな光を発生させます。
- ビームスプリッタ: 光源からの光を二つの光路に分けます。
- 光ファイバコイル: 長い光ファイバが螺旋状に巻かれたコイルで、光がこのコイルを時計回りと反時計回りに進みます。
- 干渉計: 光ファイバコイルを通過した二つの光路が再び合流し、干渉縞を形成します。
- 検出器: 干渉縞を検出し、その変化を解析して角速度を算出します。
動作原理
- 光源からの光の発生: レーザーダイオードから発生した光がビームスプリッタに送られます。
- 光路の分割: ビームスプリッタによって光は二つの光路に分割され、一方の光は時計回り（CW）、もう一方の光は反時計回り（CCW）に進みます。
- 光ファイバコイルの通過: 分割された光は光ファイバコイルを通過します。このとき、装置全体が回転していると、回転方向に応じて光が進む経路長が変わります。
- 位相差の発生: 回転による経路長の差により、CWとCCWの光間に位相差が生じます。この位相差はSagnac効果により決定されます。
- 干渉縞の形成: 光ファイバコイルを通過した二つの光は再びビームスプリッタで合流し、干渉計で干渉縞を形成します。
- 検出と解析: 干渉縞の変化は光検出器によって検出されます。この干渉縞の変化から位相差が計算され、さらにその位相差から回転速度が算出されます。
応用例
冒頭でも述べたように、FOGは姿勢制御やナビゲーションシステムの分野で広く利用されています。以下はその具体例です。
- 航空機・ヘリコプター
航空機やヘリコプターの姿勢制御、航法システムに利用されています。FOGは高精度で信頼性が高く、磁気的な干渉を受けにくいという特長があります。 - 無人航空機（ドローン）
無人航空機の姿勢制御やナビゲーションに用いられます。特に高精度な位置情報が必要な場合に効果的です。 - 宇宙探査機
宇宙探査機の姿勢制御や航法に使用されています。FOGは極端な環境条件下でも動作するため、宇宙での利用に適しています。 - 自動車
自動運転車や高精度ナビゲーションシステムにおいて、車両の姿勢や方位を正確に測定するために利用されています。これにより、より精度の高い自動運転が実現されます。 - 船舶・潜水艦
船舶や潜水艦の航法システムにおいて、ジャイロコンパスとして使用されています。FOGは長時間の使用でも高い精度を保ちます。 - 地震計
地震の揺れを高精度で測定するための地震計として使用されることがあります。FOGの高感度特性が揺れの微細な変化を捉えるのに適しています。 - インフラモニタリング
建物や橋梁などの構造物のモニタリングに利用されます。構造物の変位や揺れを高精度で測定することができます。 - 医療機器
一部の医療機器、特にイメージング装置や手術用ロボットにおいて、FOGが用いられます。精密な動きの制御が求められる場面で役立ちます。
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