光ファイバージャイロスコープ

ジャイロスコープとは？

光ファイバージャイロスコープ（FOG）は、高精度で正確な回転センサーです。 航空機、宇宙船、船舶などの航法・誘導システムに使用されます。 光ファイバーのコイル内を進むレーザ光の干渉を測定することで、回転を感知します。

ジャイロスコープの基礎知識

ジャイロセンサーは、方位や角速度を感知することができる装置です。 最もシンプルなジャイロスコープの基本形は、子供のおもちゃとして親しまれている、フレームに固定された回転する車輪です。 角運動量によって、車輪の周りのフレームが回転しても、車輪の向きは一定に保たれます。

ジャイロスコープは、20世紀に入って飛行機、そしてロケットという空を飛ぶ乗り物が開発されたことで、おもちゃの域を超えた存在になりました。 その理由は、空を飛ぶ乗り物には、地上の乗り物や、船にはない航法上の要件があるからです。 つまり、3次元的に自由に回転し、動くことができるということです。 そのため、パイロットは3軸の車両姿勢を常に把握し、航空機を制御する必要があります。 

無人のロケットやミサイルには、さらに必要なものがあります。 これらの機体は、人間のパイロットが監視しなくても、自分の向きや位置を知る必要があります。 それを解決するのが、慣性誘導装置（IGS）です。 IGSは、ジャイロスコープで方位と角運動を感知して、機体を連続的に制御し、出発点からどれだけ移動したかを計算します。

ファイバー光学ジャイロスコープのメリット

最初のジャイロスコープは機械式で、モーターで回転するローターとさまざまなセンサーで角速度や方位情報を読み取り、人間のパイロットやIGSに供給するものでした。 この機械式ジャイロは、比較的大きく重いものでした。 また、振動による性能の低下や、頻繁な校正が必要でした。 

機械式ジャイロスコープの限界を克服するために開発されたのが、干渉式光ファイバージャイロスコープ（IFOG）です。 これは機械的なローターではなく、光ファイバーのコイル、干渉光源、光検出器を用いて回転を感知します。 これにより、より小型・軽量で精度の高いシステムを実現することができます。

IFOG内部では、光源を2つのビームに分割してからファイバーコイルに入射します。 2つのビームはファイバーの反対側の端に結合され、一方は時計回りに、もう一方は反時計回りに進行するようになります。

コイルが軸回転している場合、2つのビームは相対的に位相がずれることになります。 これをサニャック効果と呼びます。 2つのビームはファイバーから出るときに再結合されます。 位相がずれると、合成されたビームに干渉縞（明暗のパターン）が発生します。 このパターンを検出器で感知し、回転の角速度を決定します。 通常、3軸の回転を同時に検知するために、3つのコイルを他の2つのコイルと直角に取り付けて使用するのが一般的です。

IFOGの構成

IFOGコイルは、高複屈折の偏光保持光ファイバーを中心軸に巻いた後、保護材で包んで作られるのが一般的です。 封止方法には、大きく分けて湿式と乾式の2種類の 異なる方法があります。 湿式IFOGコイルは、油や水などの液体を用いて光ファイバーを保護して支持し、乾式IFOGコイルは、セラミックやガラスなどの固体を用いて光ファイバーを保護して支持します。 

湿式IFOGコイルは温度安定性に優れ、より幅広い環境で使用することができます。 しかし、より複雑で製造が困難です。 乾式IFOGコイルはシンプルで製造が容易ですが、温度変化に対して敏感です。

IFOG光源は、通常、低出力の連続波レーザ、スーパールミネッセント半導体レーザ、増幅型自然放出光源を使用します。 検出器は通常、フォトダイオードや光電子増倍管です。 

IFOGの構成は無限にあり、特にコイルの巻き方とパッケージの選択肢は無限大です。 その他の要素としては、コイル内のファイバーの全長、様々な光学コーティング、耐放射線性などの特徴（特に宇宙用）があります。 

しかし、これらの異なる設計形態は、システムの中心にある光ファイバーコイルという点では、ほぼ同じ要件を持っています。 特に、IFOGの性能を適切に発揮するために重要なパラメータがあります。 最も重要なものは、挿入損失、偏光消光比（PER）、波長依存損失です。 また、巻線精度や封止の品質も重要です。

そのためには、ファイバーの製造からコイル状に巻き取るまでの工程を厳密に管理する必要があります。 特に、ファイバーコイルは完全に対称に（反対方向に進むビームが同じ条件になるように）巻くことが不可欠です。 また、巻ファイバーの機械的ストレスを最小限に抑えることも重要です。

これらの作業を繰り返し行うには、かなりの専門知識とプロセス経験が必要です。 Coherentは、光ファイバーケーブルの引き抜きからコイルへの巻き取りまで、完全に垂直統合されたIFOGコイルの製造能力を保持しており、高性能なIFOGコイルを一貫して製造するために必要なレベルのプロセス制御を保証しています。

IFOGの「ベスト」なタイプはひとつではありません。 要求される性能レベル、使用環境、許容できるサイズ、重量、消費電力はすべて、特定の用途においてコストとトレードオフされなければなりません。 

IFOGの活躍

IFOGには、従来のジャイロスコープや他の非機械的な技術に比べた場合、いくつかの大きなメリットがあります。 そのひとつは、IFOGの感度が高く、非常に小さな回転運動、つまり角速度を1秒間に数ナノラジアンの分解能で検出することができることです。 これは、機械式ジャイロスコープと比較して数段優れている点です。 そのため、より精度の高いナビゲーションやガイダンスを実現することができます。

また、IFOGは振動や電磁波の影響を受けにくく、寿命が長く、メンテナンスの必要性が低いという特徴があります。 そのため、さまざまな「過酷」な環境や、機器へのアクセスが制限されるような場所で活躍します。 宇宙用、海上・水中の車両や機器に搭載される慣性計測システムなども含まれます。 

また、IFOGは感度と精度が高いため、静止した構造物を安定させるためにもよく使われています。 たとえば、IFOGは、橋やビル、アンテナプラットフォームなどの構造物の回転運動を測定し、そのデータを制御システムにフィードバックすることで、あらゆる運動を補償することができます。 これにより、特に強風時や地震時に構造物の安定性を維持することができます。

まとめると、IFOGは高精度で正確な回転センサーの一種であり、幅広い応用が可能なものです。 電磁波の影響を受けにくく、振動にも比較的強く、長寿命でメンテナンスの必要性が低く、比較的小型で軽量であることが特徴です。 そのため、航空機、船舶、地上車両などのナビゲーション、誘導、制御システムなどに最適です。 さらに、インダストリアルオートメーションやロボット工学の分野でも活躍しています。