JP2818040B2 - 光ファイバジャイロ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回転角速度検出に使用
する光ファイバジャイロに係り、特に、広いダイナミッ
クレンジを有するセロダイン変調方式のクローズドルー
プ型光ファイバジャイロに関する。

【０００２】

【従来の技術】図３には従来形の一例としてのセロダイ
ン変調方式光ファイバジャイロの構成が一部模式的に示
される。図中、10は光源、12,18 は光分配結合器、14は
偏光器、16は電気光学効果を有する結晶基板、20は位相
変調器、22はセロダイン変調器、24は回転軸に垂直に巻
かれた偏波面保存単一モード光ファイバで形成されてい
るループ、26は受光器、30は信号発生装置、40は光ファ
イバジャイロ用信号処理装置、50a は鋸歯状波信号周波
数設定装置、60a は電圧制御発振（ＶＣＯ）式鋸歯状波
信号発生装置、A1は位相変調器駆動信号、A2は光電変換
出力信号、そしてA0はジャイロ出力信号すなわち回転角
速度出力を示す。このジャイロ出力信号A0はセロダイン
変調器用の駆動信号として用いられる。

【０００３】なお、光分配結合器18と位相変調器20とセ
ロダイン変調器22は、例えばニオブ酸リチウム(LiNbO₃)
等の電気光学結晶基板16上にチタン(Ti)を拡散した光導
波路と、該光導波路近傍に設けた電極に電圧を印加する
ことで該光導波路の屈折率を変化させる手段とから構成
されている。図３の構成において、光源10から出射され
た光ビームは光分配結合器12において２分され、２分さ
れた一方の光ビームは偏光器14によって偏光され、一定
の偏波のみが透過し、この偏波ビームは光分配結合器18
において２つの光ビームに２分される。この２分された
一方の光ビームは、位相変調器20によって一定周波数の
位相変調を受け、光ファイバループ24を反時計回り方向
に伝搬した後、セロダイン変調器22によって鋸歯状波信
号によるセロダイン変調を受け、光分配結合器18に再入
射する。同様にして、光分配結合器18において２分され
た他方の光ビームは、セロダイン変調器22によってセロ
ダイン変調を受け、光ファイバループ24を時計回り方向
に伝搬した後、位相変調器20によって位相変調を受け、
光分配結合器18に再入射する。光分配結合器18に再入射
した２つの光ビームは結合され、この結合されたビーム
は偏光器14によって一定の偏波のみが透過し、この偏波
ビームは光分配結合器12において２つの光ビームに２分
される。この２分された一方の光ビームは受光器26に導
かれ、光ファイバループ24を互いに逆方向に伝播した２
つの光の間の位相差に依存した干渉光強度に対応する電
気信号（光電変換出力信号A2）に変換される。

【０００４】位相変調器20は、信号発生装置30から発生
される一定周波数の正弦波もしくは方形波の信号A1によ
って駆動され、この信号A1は信号処理装置40にも入力さ
れている。信号処理装置40は、受光器26の出力（光電変
換出力信号A2）を信号発生装置30からの信号A1に応答し
て一定周波数で同期検波する。この信号処理装置40の出
力ΔＶは、以下の式で表される。

【０００５】 ΔＶ＝Ｋ・sin Δφ …………………………………………………(1) ここで、Δφは上記２つの光の間の位相差、Ｋは定数を
示す。鋸歯状波信号周波数設定装置50a は、式(1) で表
される出力ΔＶを積分する機能を有しており、ＶＣＯ式
鋸歯状波信号発生装置60a は、鋸歯状波信号周波数設定
装置50a の出力Ｖの大きさに応じた周波数をもつアナロ
グの鋸歯状波信号A0（回転角速度出力）を発生する。

【０００６】位相差Δφは、光ファイバループ24に対し
て該ループに垂直な軸の周りに或る角速度を与えた時に
生じる周知のサニャック(Sagnac)効果による光の位相差
φsと、セロダイン変調器22が誘起する位相差φm とか
ら成る。位相差φs は、 φs ＝４πＲＬΩ／Ｃλ ……………………………………………(2) で表され、また位相差φm は、セロダイン変調に際して
互いに逆方向まわりに伝搬する２つの光の伝播遅延によ
って生じる当該位相差φm の不連続部分を位相差に関す
る出力の周期性を利用して連続性をもたせるために、鋸
歯状波信号による位相量振幅を２πにするという条件の
下で、 φm ＝２πτ／Ｔm ＝２πｎＬｆm ／Ｃ …………………………(3) で表される。ここで、Ｒは光ファイバループ24の半径、
Ｌは光ファイバループ24を形成する光ファイバの長さ、
Ωは入力回転角速度、Ｃは真空中における光速、λは真
空中における光の波長、τは光ファイバループ24を光が
伝搬するのに要する時間、Ｔmは鋸歯状波信号A0の周
期、ｎは光ファイバループ24を形成する光ファイバの屈
折率、そしてｆm は鋸歯状波信号A0の周波数を示す。

【０００７】セロダイン変調方式光ファイバジャイロに
おいては、入力回転角速度Ωが変化した場合、信号処理
装置40の出力ΔＶを鋸歯状波信号周波数設定装置50a に
より積分して負帰還となるようにＶＣＯ式鋸歯状波信号
発生装置60a に印加し、それによって式(1) の位相差Δ
φ（つまり信号処理装置40の出力ΔＶ）が常に所定の値
（通常は０）に維持されるように制御が行われている。
そこで、Δφ＝φs ＋φm ＝０とすると、式(2) および
式(3) から、 Ω＝ｎλｆm ／２Ｒ …………………………………………………(4) となり、鋸歯状波信号の周波数を計数することによって
広いダイナミックレンジに亘る入力回転角速度を検出す
ることができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のセロダ
イン変調方式クローズドループ型光ファイバジャイロに
おいては、セロダイン変調器22に印加する鋸歯状波信号
A0をアナログ的なＶＣＯ式鋸歯状波信号発生装置60a で
発生していたので、発生周波数の可変範囲が限定される
という不都合があった。

【０００９】そのため、しばしば必要とされる10⁶ オー
ダーに及ぶ広いダイナミックレンジを得るには、異なる
周波数範囲をそれぞれ有する複数個の鋸歯状波信号発生
装置を用いてその切り換えを行わねばならず、その境界
領域での不連続性を補正する必要があり、その制御が極
めて煩雑であった。また、温度の変化等によって鋸歯状
波信号の振幅が変動し易く、そのためにジャイロ出力の
直線性（リニアリティ）やスケールファクタの安定性が
劣化する等の問題点もあった。

【００１０】本発明は、かかる従来技術における課題に
鑑み創作されたもので、鋸歯状波信号の周波数変化に際
してレンジ切り換え無しで広いダイナミックレンジをカ
バーできると共に、温度の変化等が有った場合でもジャ
イロ出力の良好な直線性およびスケールファクタの安定
性を維持することができる光ファイバジャイロを提供す
ることを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明によれば、回転軸と共動する光ファイバルー
プに光を互いに逆方向に同時に伝搬させ、両方向に伝播
した光に対して一定周波数の信号により位相変調を行う
と共に可変周波数の鋸歯状波信号によりセロダイン変調
を行い、該変調された両方向の光の干渉光を検出してそ
の光強度に応じた光電変換出力信号を出力する光学系
と、該出力された光電変換出力信号から前記一定周波数
の信号に同期した成分を抽出し、前記互いに逆方向に伝
播した光の位相差に応じたディジタルの誤差データを出
力する信号処理部と、該出力された誤差データに基づい
て前記セロダイン変調用鋸歯状波信号の周波数をディジ
タル的に設定する鋸歯状波信号周波数設定部と、該ディ
ジタル的に設定された周波数データに基づいて前記鋸歯
状波信号を発生する鋸歯状波信号発生部とを具備し、該
鋸歯状波信号発生部は、前記ディジタル的に設定された
周波数データに前回の加算データを加算する加算手段
と、該加算手段がオーバーフローした時にその内容をイ
ンクリメント／デクリメントしてディジタルの鋸歯状波
信号を発生するカウンタ手段と、該ディジタルの鋸歯状
波信号をアナログの鋸歯状波信号に変換するＤ／Ａコン
バータとを有し、それによって前記セロダイン変調用鋸
歯状波信号の周波数を変化させて前記信号処理部の出力
を所定の値に制御するようにしたことを特徴とする光フ
ァイバジャイロが提供される。

【００１２】

【作用】上述した構成によれば、鋸歯状波信号発生部に
入力されるディジタルの鋸歯状波信号周波数設定データ
は、加算手段において累算され、該加算手段のオーバー
フローにより生じるキャリーの数をカウンタ手段がカウ
ントしてディジタルの鋸歯状波信号データを生成し、こ
のデータをＤ／Ａコンバータがアナログ信号に変換して
鋸歯状波信号が発生され、それによってセロダイン変調
が行われるようになっている。

【００１３】つまり、鋸歯状波信号発生部を直接合成デ
ィジタルシンセサイザ方式にしてクローズドループを構
成したので、アナログ鋸歯状波信号の周波数変化に際し
てレンジの切り換えを行うことなくダイナミックレンジ
を拡大することができる。また、加算手段とカウンタ手
段の協働作用によりアナログ鋸歯状波信号の振幅が安定
化するよう制御がなされるので、温度の変化等が有った
場合でもジャイロ出力の直線性を良好に保ち、スケール
ファクタの安定性を維持することができる。

【００１４】なお、本発明の他の構成上の特徴および作
用の詳細については、添付図面を参照しつつ以下に記述
される実施例を用いて説明する。

【００１５】

【実施例】図１および図２に本発明の一実施例としての
光ファイバジャイロの構成が一部模式的に示される。図
１に示す信号発生装置30および信号処理装置40と図２に
示す光学系の構成については、図３に示す各要素と同様
であるのでその説明は省略する。

【００１６】図１において、50は鋸歯状波信号周波数設
定装置、60は直接合成ディジタルシンセサイザ方式の鋸
歯状波信号発生装置を示す。鋸歯状波信号周波数設定装
置50は、光ファイバジャイロ用信号処理装置40から出力
されるディジタルの誤差データD1とフィードバック・ル
ープゲインを決定する係数を指示するディジタルデータ
D2に応答するディジタル乗算手段52と、該ディジタル乗
算手段の出力データD3を前回の鋸歯状波信号周波数設定
データD5に加算する加算手段54と、該加算手段から出力
される新たな鋸歯状波信号周波数設定データD4を外部か
らのクロック信号A11 に基づいてラッチするラッチ手段
56とから構成されている。一方、鋸歯状波信号発生装置
60は、鋸歯状波信号周波数設定装置50から出力される鋸
歯状波信号周波数設定データD4を前回の加算データD6に
加算する加算手段62と、該加算手段から出力される加算
データD7を外部からのクロック信号A14 に基づいてラッ
チするラッチ手段64と、加算手段62のオーバーフローに
より生じるキャリー（キャリー信号A13)を鋸歯状波信号
周波数設定装置50内の加算手段54から出力されるアップ
／ダウン切り換え信号A12 に応答してカウントするアッ
プ／ダウンカウンタ66と、該カウンタから出力されるデ
ィジタルの鋸歯状波信号D8をアナログの鋸歯状波信号A1
5 に変換するＤ／Ａコンバータ68とから構成されてい
る。このアナログの鋸歯状波信号A15 は、ジャイロ出力
信号すなわち回転角速度出力を示すと共に、セロダイン
変調器22の駆動信号として用いられる。

【００１７】上記のように構成された光ファイバジャイ
ロにおいて、干渉光強度に対応した受光器26の出力（光
電変換出力信号A2）は、光ファイバジャイロ用信号処理
装置40（例えば特願平１−１２１２３６号参照）によっ
てディジタル的にデモジュレートされ、信号発生装置30
の出力信号の基本波成分(A1)に同期した成分が検出され
る。このようにして検出された成分は、誤差データD1と
して鋸歯状波信号周波数設定装置50に入力される。

【００１８】鋸歯状波信号周波数設定装置50において、
ディジタル乗算手段52は、誤差データD1にフィードバッ
ク・ループゲインを決定する係数(D2)を乗算し、ディジ
タル制御量D3を出力する。加算手段54は、ディジタル制
御量D3に前回の鋸歯状波信号周波数設定データD5を加算
し、新たな鋸歯状波信号周波数設定データD4を出力す
る。ラッチ手段56は、外部からのクロック信号A11 に同
期して新たな鋸歯状波信号周波数設定データD4を１クロ
ック間ラッチし、前回の鋸歯状波信号周波数設定データ
D5を加算手段54に出力する。このようにして発生された
新たな鋸歯状波信号周波数設定データD4は、直接合成デ
ィジタルシンセサイザ方式の鋸歯状波信号発生装置60に
入力される。

【００１９】直接合成ディジタルシンセサイザ方式の鋸
歯状波信号発生装置60において、加算手段62は、新たな
鋸歯状波信号周波数設定データD4と前回の加算データD6
を加算し、新たな加算データD7を出力すると共に、演算
結果がオーバーフローして桁上げが生じた場合にキャリ
ー信号A13 を出力する。ラッチ手段64は、外部からのク
ロック信号A14 に同期して新たな加算データD7を１クロ
ック間ラッチし、前回の加算データD6を加算手段62に出
力する。アップ／ダウンカウンタ66は、新たな鋸歯状波
信号周波数設定データD4の符号を表すアップ／ダウン切
り換え信号A12に基づきキャリー信号A13 の数をインク
リメント／デクリメントしてカウントし、そのカウント
数に基づきディジタルの鋸歯状波信号D8を出力する。Ｄ
／Ａコンバータ68は、ディジタルの鋸歯状波信号D8をア
ナログの鋸歯状波信号A15 に変換する。このアナログの
鋸歯状波信号A15 は、セロダイン変調器22に入力され、
セロダイン変調用の駆動信号として用いられる。

【００２０】以上の構成において、鋸歯状波信号周波数
設定データD4,D5および加算データD6,D7 のビット数を
大きく設定することにより、新たな鋸歯状波信号周波数
設定データD4の値が小さくなれば長い周期で、新たな鋸
歯状波信号周波数設定データD4の値が大きくなれば短い
周期で、それぞれ加算手段62からキャリー信号A13 が出
力される。このキャリー信号A13 の数をアップ／ダウン
カウンタ66においてインクリメントまたはデクリメント
してカウントし、このカウント値をＤ／Ａコンバータ68
を介してアナログ信号に変換すれば、短周期から長周期
の鋸歯状波信号A15 を発生させることができる。従っ
て、広い周波数範囲のセロダイン変調が可能となり、光
ファイバジャイロとしてのダイナミックレンジを拡大す
ることができる。

【００２１】また、周波数を変換する時間はラッチ手段
56のクロック信号A11 とラッチ手段64のクロック信号A1
4 に依存するので、当該クロック信号A11,A14 を高い周
波数で用いれば、アナログの鋸歯状波信号A15 の周波数
（周期）を高速で変更することが可能となり、光ファイ
バジャイロの出力周波数特性を高い周波数にまで引き上
げることができる。従って、温度の変化等により鋸歯状
波信号A15 の周波数が変化した場合でも、ジャイロ出力
の直線性を良好に保ち、スケールファクタの安定性を維
持することができる。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、鋸
歯状波信号発生部を直接合成ディジタルシンセサイザ方
式にしてクローズドループを構成したので、レンジの切
り換えを行うことなくダイナミックレンジを拡大するこ
とができる。また、鋸歯状波信号の振幅が安定化するよ
う制御がなされるので、温度の変化等が有った場合でも
ジャイロ出力の直線性を良好に維持し、またスケールフ
ァクタの安定性を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例としてのセロダイン変調方式
光ファイバジャイロの主要部の構成を示すブロック図で
ある。

【図２】本発明の一実施例としてのセロダイン変調方式
光ファイバジャイロの一部の構成を一部模式的に示した
ブロック図である。

【図３】従来形の一例としてのセロダイン変調方式光フ
ァイバジャイロの構成を一部模式的に示したブロック図
である。

【符号の説明】

24…光ファイバループ 40…信号処理装置 50…鋸歯状波信号周波数設定装置 60…鋸歯状波信号発生装置 62…加算手段 64…ラッチ手段 66…カウンタ手段 68…Ｄ／Ａコンバータ A1…一定周波数の信号（位相変調信号） A2…光電変換出力信号 A11,A14 …クロック信号 A12 …アップ／ダウン切り換え信号 A13 …キャリー信号 A15 …可変周波数の鋸歯状波信号（セロダイン変調信
号、回転角速度出力） D1…サニャック効果による光の位相差に応じた信号（誤
差データ） D2…フィードバック・ループゲインを決定する係数を指
示するデータ D3…ディジタル制御量 D4…新たな鋸歯状波信号周波数設定データ D5…前回の鋸歯状波信号周波数設定データ D6…前回の加算データ D7…新たな加算データ D8…ディジタルの鋸歯状波信号

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸と共動する光ファイバループ(24)
   に光を互いに逆方向に同時に伝搬させ、両方向に伝播し
   た光に対して一定周波数の信号(A1)により位相変調を行
   うと共に可変周波数の鋸歯状波信号(A15) によりセロダ
   イン変調を行い、該変調された両方向の光の干渉光を検
   出してその光強度に応じた光電変換出力信号(A2)を出力
   する光学系と、該出力された光電変換出力信号から前記
   一定周波数の信号に同期した成分を抽出し、前記互いに
   逆方向に伝播した光の位相差に応じたディジタルの誤差
   データ(D1)を出力する信号処理部(40)と、該出力された
   誤差データに基づいて前記セロダイン変調用鋸歯状波信
   号の周波数をディジタル的に設定する鋸歯状波信号周波
   数設定部(50)と、該ディジタル的に設定された周波数デ
   ータ(D4)に基づいて前記鋸歯状波信号を発生する鋸歯状
   波信号発生部(60)とを具備し、該鋸歯状波信号発生部
   は、前記ディジタル的に設定された周波数データ(D4)に
   前回の加算データ(D6)を加算する加算手段(62)と、該加
   算手段がオーバーフローした時にその内容をインクリメ
   ント／デクリメントしてディジタルの鋸歯状波信号(D8)
   を発生するカウンタ手段(66)と、該ディジタルの鋸歯状
   波信号をアナログの鋸歯状波信号(A15) に変換するＤ／
   Ａコンバータ(68)とを有し、それによって前記セロダイ
   ン変調用鋸歯状波信号の周波数を変化させて前記信号処
   理部の出力(D1)を所定の値に制御するようにしたことを
   特徴とする光ファイバジャイロ。
2. 【請求項２】 前記鋸歯状波信号周波数設定部(50)は、
   前記信号処理部から出力されたディジタルの誤差データ
   (D1)にフィードバック・ループゲインを決定する係数を
   指示するディジタルデータ(D2)を乗じるディジタル乗算
   手段(52)と、該ディジタル乗算手段の出力データ(D3)を
   前回の鋸歯状波信号周波数設定データ(D5)に加算する手
   段(54)とを具備す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。