JP2905948B2 - 光ファイバジャイロ - Google Patents

光ファイバジャイロ

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JP2905948B2 JP13299091A JP13299091A JP2905948B2 JP 2905948 B2 JP2905948 B2 JP 2905948B2 JP 13299091 A JP13299091 A JP 13299091A JP 13299091 A JP13299091 A JP 13299091A JP 2905948 B2 JP2905948 B2 JP 2905948B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は運動体、例えば航空機、
船舶、自動車等の回転角度及びそれ等の回転角度を測定
する光ファイバジャイロに関する。
【0002】
【従来の技術】回転角速度等の検出等において小型化、
高信頼性化を達成するものとして、近年光のサグナック
効果を利用した光ファイバジャイロが開発され、実用化
が進んでいる。この光ファイバジャイロの中で長尺の光
ファイバループ内を伝播する右回りと左回りの伝播光の
位相差から回転速度を求めるものを干渉型光ファイバジ
ャイロと言い、その中でも特に位相変調方式と、セロダ
イン方式の開発が進められている。
【0003】位相変調方式は、図7に示す如く半導体レ
ーザ、発光ダイオード等の光源1から出力されるレーザ
などの光がカプラ5で分岐され、その一方が偏光子4に
入射され、この偏光子4よりの光がカプラ6で右回り光
と左回り光とに分割され、これらの光が1本の光ファイ
バを複数回巻回して形成した光ファイバループ3の両端
からそれぞれ入射され、それぞれ光ファイバループ3を
通った後、他方の端より出射光として出射され、再びカ
プラ6で合成され偏光子4を経て光−電流変換する受光
器2に入り電流−電圧変換器7でその出力が電圧として
出力される。この構成に於て、光ファイバループ3に角
速度Ωが印加されると、光ファイバループ3を互いに逆
方向に進む光にザグナック効果が生じ、出射光間に角速
度Ωに比例した位相差が生じる。この位相差Δθは、
【0004】
【数1】
【0005】で表される。ここで、Rは光ファイバルー
プ3の半径、Lは光ファイバループ3の長さ、λは光源
1から出る光の波長、Cは光速を示す。さらに、この位
相変調方式では、光ファイバループの一端に位相変調器
8が設けられており、信号発振器9からの信号でこの位
相変調器8が駆動され互いに逆方向に進む光に位相変調
が加えられる。この位相変調器8に印加する信号、つま
り、信号発生器9からの信号の角周波数をωpとする
と、電流−電圧変換器7の出力Iは、
【0006】
【数2】
【0007】となる。ここで、xは位相変調度、J0
1 ,J2 ,‥‥はベッセル関数、Kは比例定数、tは
時間である。出力Iの角周波数成分の内、角周波数ωp
の成分を、同期検波器10で、信号発生器9よりの角周
波数ωpの信号を基準として同期検波することにより、
sinΔθに比例する出力2KJ1 (x)sinΔθを
得ることが出来る。
【0008】このような位相変調方式に比べてさらに広
いダイナミックレンジの達成を目的としてセロダイン方
式が開発されている。このセロダイン方式の具体的構成
を図8に示す。前述図7の位相変調方式に加えて互いに
逆方向に進む光に鋸歯状波(セロダイン波)を重畳させ
るセロダイン変調器16を光ファイバループ3の一端に
設けるとともに、受光器2、電流−電圧変換器7、同期
検波器10により右回り光と左回り光との位相差を検出
してそれを積分する積分器11、さらに積分器11の出
力を積分する積分器12と、2π基準信号を発生する2
π基準器15と、この基準信号と積分器12の出力を比
較し、リセット信号を発生することにより積分器12の
出力を鋸波とするリセット回路14及びこのセロダイン
波をカウントするカウンタ13を備えている。従って、
積分器12、リセット回路14、2π基準器15がセロ
ダイン波発生回路として動作する。このセロダイン方式
の動作を簡単に説明すると、セロダイン変調器16は、
光ファイバループ3の一端に設けられているので、左右
回りの光はことなるタイミングで位相が変化する。この
ときの受光器上での位相差左右両光間の位相差をθ S
すると、
【0009】
【数3】
【0010】である。ここで、TS はセロダイン波の周
期、τはファイバ長で決まる時間差である。この時、電
流−電圧変換器7の出力Iは数2のΔθが(Δθ+
θS )に置き換わったものとなり同期検波器10の干渉
出力は2KJ1 (x)sin(Δθ+θS )となる。こ
れを積分器11,12で積分し、これをセロダイン変調
器16にフィードバックすることにより出射光間の位相
が一致するように、即ちsin(Δθ+θS )=0(Δ
θ=−θS )になるようにセロダイン波の周期を変化さ
せる。θS はセロダイン周期に比例するため、Δθもセ
ロダイン周期に比例することになり、カウンタ13でこ
のセロダイン波の周波数を数えることにより回転角速度
Ωを出力することができる。つまり、セロダイン波の周
波数をfS =1/TS とすると。
【0011】
【数4】
【0012】となる。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な従来の光ファイバジャイロにおいて、セロダイン波の
2πからのリセット時間(フライバック時間という)な
どが光ファイバジャイロの性能を制限し、ジャイロのス
ケールファクタエラーを増大させるという問題がある。
即ち、フライバック時間が存在する場合にはΔθ+θS
=0が成立しないため、同期検波器10からの出力が0
にならず誤差を生じるという問題がある。フライバック
時間をなくすためには、セロダイン波を発生する積分器
12の回路の時定数を小さくすることにより電荷を急激
に放電させることが必要になるが時定数を小さくすると
瞬時的に大電流が流れ、実際の回路構成は極めて困難で
ある。従って、フライバック時間を0に近づけるには限
界がある。本発明は上記問題点に鑑み、フライバック時
間の影響を受けず正しい回転角速度出力を得ることがで
きる光ファイバジャイロを提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明による光ファイバ
ジャイロは、例えば図1,図8に示す如く光源1と光フ
ァイバループ3と、この光源1からの光を第1の伝播光
と第2の伝播光とに分配し両者をこの光ファイバループ
3にそれぞれ互いに逆方向に伝播させる光分配器6と、
この第1の伝播光と第2の伝播光に位相偏移を生じさせ
るセロダイン変調器16と、この光ファイバループ3を
伝播した第1の伝播光と第2の伝播光とを同一の導波路
に導いた後これを検出する光検出器2と、この第1の伝
播光と第2の伝播光との位相差に対応した周期を有する
セロダイン波を発生しこのセロダイン変調器16を駆動
するセロダイン波発生回路とを有し、この位相差から回
転角速度を求める光ファイバジャイロにおいて、セロダ
イン波発生回路に積分器12A,12Bを複数設け、こ
れらの積分器12A,12Bを交互に動作させかつ交互
に使用する切り替え手段20A,20B、加算器21、
リセット回路14、2π基準器15を設けたものであ
る。
【0015】
【作用】複数の積分器12A,12Bを切り替え手段2
0A,20Bによって交互に動作させ、一方の積分器1
2A又は12Bが動作中に他方の積分器12B又は12
Aを完全にリセットさせることによって、フライバック
時間のないセロダイン波を発生させることが出来る。
【0016】
【実施例】以下図面を参照しながら本発明光ファイバジ
ャイロの一実施例につき説明しよう。図1は本発明に係
る光ファイバジャイロの主要部の例を示すブロック図で
あく。この図1において図7,図8に対応する部分には
同一符号を付す。本実施例では図8におけるセロダイン
波発生回路を図1に示す如く構成する。即ちセロダイン
波発生回路として2個の積分器12A,12Bを積分器
11の後段に並列に設ける。さらに、各積分器12A,
12Bの出力は各スイッチ20A,20Bを介して、加
算器21にて両者の信号が加算され、セロダイン変調器
16及びリセット回路14へと出力される。図1におい
て、10aは同期検波器10よりの出力が供給される入
力端子を示す。
【0017】リセット回路14は、2πコンパレータ2
2、−2πコンパレータ23、エクスクルーシイブオア
(XOR)回路24、及びフリップフロップ回路25よ
り構成される。加算器21からの出力は、2πコンパレ
ータ22及び−2πコンパレータ23で2π基準器15
からの基準値と比較される。加算器21からの出力が2
πになると2πコンパレータ22の出力がハイレベルと
なり、XOR回路24の出力がハイレベルとなる。同様
に、加算器21からの出力が−2πになると−2πコン
パレータ23の出力がハイレベルとなり、XOR回路2
4の出力がハイレベルとなる。フリップフロップ回路2
5はXOR回路24からの信号が入力タイミングで立ち
上がりと立ち下がりを繰り返す矩形波をQ端子に出力す
る。また、同時に位相の反転した矩形波を端子に出力
する。
【0018】フリップフロップ回路25のQ端子及び
端子からの出力はリセット信号A及びリセット信号Bと
なり、それぞれ積分器12Aと積分器12Bをリセット
すると同時にスイッチ20Aとスイッチ20Bの切り替
え動作を行わせる。積分器12A及び12Bはリセット
信号がハイレベルのときに動作中となり、ローレベルの
ときにリセット状態となる。また、スイッチ20A及び
20Bは、リセット信号がハイレベルの時に積分器12
A及び12Bを加算器21に接続し、フリップフロップ
回路25からの信号がローレベルのときにグランドと加
算器21と接続する。積分器12Aと積分器12B及び
スイッチ20Aとスイッチ20Bはそれぞれフリップフ
ロップ回路25のQ端子とこれと反転した信号が得られ
端子によって作動されるよう構成されているので、
積分器12Aと積分器12Bは交互にリセットされ、交
互に加算器21と接続されることになる。
【0019】図2に本実施例によるタイミングチャート
を示す。図2(a)(b)に示すように積分器12Aの
出力と積分器12Bの出力が交互にXOR回路24の出
力(図2(f)参照)に応じて動作とリセットを繰り返
している。即ちフリップフロップ回路25のQ端子及び
端子に得られる図2(g)及び(h)に示す如きリセ
ット信号A及びBによりスイッチ20A及び20Bと積
分器12A及び12Bが切換えられる。このスイッチ2
0Aとスイッチ20Bはそれぞれ積分器12Aと積分器
12Bとが動作状態にあるときに加算器21へ信号を導
通させているので(図2(c)(d))、加算器21の
出力は連続的な鋸波となる(図2(e))。ここで、ス
イッチの動作時間tsがあるため、加算器21の出力に
はフライバック時間が生じるが、このフライバック時間
は10ns程度であり、従来の積分器の放電時間に要す
る時間によって生じるフライバック時間と比較するとは
るかに短い時間となる。本例においてはその他は図8に
示す如く構成する。
【0020】本例は上述の如く構成されているので2個
の積分器12A及び12Bをスイッチ20A及び20B
で交互に動作させ、一方の積分器12A又は12Bが動
作中に他方の積分器12B又は12Aを完全にリセット
させることによりフライバック時間のないセロダイン波
を発生することができ高精度の光ファイバジャイロを得
ることができる。
【0021】次に、このセロダイン波発生回路の第2の
実施例を図3に示す。(この図3例は)上述図1の例に
おいてはスイッチ20A,20Bを加算器21と積分器
12A,12Bとの導通状態からグランドレベルとの導
通状態に切り換えた場合にスイッチの動作時間tsがあ
るため瞬時に0Vにはならず0Vになるまでには有限時
間がかかる。そのため、積分器12Aと積分器12Bと
の信号のその時間ts分の重ね合わせにより加算器21
から出力されるセロダイン波にはオフセットが生じてし
まう。この図3例はこの点を改良するために積分器12
Aと積分器12Bとの動作開始時間を所定時間遅延させ
ることにより重ね合わせをできるだけなくすようにした
ものである。
【0022】このため、本実施例ではフリップフロップ
回路25のQ端子の後にアンド(AND)回路26と遅
延回路27を、端子の後にAND回路28と遅延回路
29を新たに並列に挿入している。フリップフロップ回
路25のQ端子から出力された信号は遅延回路27及び
AND回路26へと送られる。遅延回路27に入力され
た信号は遅延時間tdだけ遅れてAND回路26に入力
される。従って、AND回路26から出力されるリセッ
ト信号Aは図4(g)に示すように遅延回路によって決
まる遅延時間tdだけXOR回路24の出力に対して立
ち上がりが遅れた矩形波となる。同様に、フリップフロ
ップ回路25の端子から出力された信号も図4(h)
に示すように遅延時間tdだけXOR回路24の出力に
対して立ち上がりが遅れた矩形波となる。その他は図1
と同様に構成する。
【0023】このような構成により、この遅延時間td
分だけ積分器12Aと積分器12Bとの動作開始時間を
遅らせることができるので、この遅延時間tdをスイッ
チ20A,20Bの動作時間tsにほぼ等しい値に設定
すれば,積分器12Aと積分器12Bとの重ね合わせ分
によるオフセットを消去することができる(図4
(e))。また図4(a)及び(b)は夫々積分器12
A及び12Bの出力、図4(c)及び(d)はスイッチ
20A及び20Bの出力、図4(f)はXOR回路24
の出力である。
【0024】次にこのセロダイン波発生回路の第3の実
施例を図5に示す。この図5例につき説明するに、図
1,図3に対応する部分には同一符号を付しその説明は
省略する。図1例に於いては積分器12A,12Bはリ
セット状態でゲインの小さい増幅器となっているため、
図2の(a),(b)に示すように各積分器にそれぞれ
オフセットが生じる。本実施例はこの点を改良したもの
で、積分器12A,12Bがリセット状態にある場合に
積分器への入力信号を遮断することにより、オフセット
の発生を防止したものである。このため、本実施例では
図3例に加えて新たに積分器12A,12Bの前段にも
スイッチ30A,30Bを設けている。スイッチ30
A,30Bは、リセット回路14から送出されるリセッ
ト信号A,B(図6(g)(h))によって切り換え動
作を行うもので、リセット信号がハイレベルのときに積
分器11と積分器12A,12Bを接続しリセット信号
がローレベルときにグランドと積分器12A,12Bを
接続して積分器12A,12Bへの入力を遮断してしま
う。
【0025】このように構成することにより、積分器1
2A,12Bがリセット状態にある場合に積分器12
A,12Bの出力値を常に0にすることができ、動作状
態になったときにオフセットなしで0から積分していく
ことが出来る。図6に本実施例によるタイミングチャー
トを示す。積分器12Aと積分器12Bの各オフセット
をなくすことにより(図6(a),(b)、スイッチ2
0A及び20Bの出力は図6(c)及び(d)に示す如
くなり加算器21の出力からオフセットを消去すること
ができる(図6(e))。図6(f)はXOR回路24
の出力、図6(g)及び(h)はリセット信号A及びB
である。
【0026】以上のセロダイン波発生回路の各実施例に
おいて、各積分器12A,12Bはリセット開始から次
の動作開始時までにリセットを完了させておけばよい。
言い換えればセロダイン波の最大使用周波数の間に完了
させておけばよいので、従来のセロダイン波発生回路と
して要求されるリセット時間にくらべはるかに緩やかな
仕様(約10-3倍程度)で良いという効果得られる。
尚、上述実施例ではセロダイン波発生回路を2個設けた
例につき述べたが上述同様にして3個以上設けるように
しても良いことは勿論である。また、本発明は上述実施
例に限ることなく本発明の要旨を逸脱することなくその
他種々の構成が取り得ることは勿論である。
【0027】
【発明の効果】本発明によれば、セロダイン波発生回路
に複数有の積分器を設け、これらの積分器を交互に動作
させかつ交互に使用する切り替え手段を設けることとし
たので、フライバック時間をセロダイン波発生回路自身
のリセット時間に関係なく小さくすることができ高精度
な光ファイバジャイロとすることができるとともに、セ
ロダイン波発生回路を簡易な構成とすることが出来ると
いう優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明光ファイバジャイロの要部の例を示す構
成図である。
【図2】図1の説明に供する波形図である。
【図3】本発明光ファイバジャイロの要部の他の例を示
す構成図である。
【図4】図3の説明に供する波形図である。
【図5】本発明光ファイバジャイロの要部の他の例を示
す構成図である。
【図6】図5の説明に供する波形図である。
【図7】従来の光ファイバジャイロの位相変調方式の例
を示す構成図である。
【図8】従来の光ファイバジャイロのセロダイン方式の
例を示す構成図である。
【符号の説明】
1 光源 2 受光器 3 光ファイバループ 4 偏光子 5,6 カプラ 7 電流−電圧変換器 8 位相変調器 9 信号発生器 10 同期検波器 11,12A,12B 積分器 13 カウンタ 15 2π基準器 16 セロダイン変調器 20A,20B スイッチ 21 加算器 22 2πコンパレータ 23 −2πコンパレータ 24 XOR回路 25 フリップフロップ回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 益沢 功 東京都大田区南蒲田2丁目16番46号 株 式会社トキメック内 (72)発明者 佐久間 貞臣 東京都大田区南蒲田2丁目16番46号 株 式会社トキメック内 (72)発明者 高橋 富雄 東京都大田区南蒲田2丁目16番46号 株 式会社トキメック内 (56)参考文献 特開 平3−2517(JP,A) 特開 平4−310820(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01C 19/00 - 19/72

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光源と光ファイバループと、前記光源か
    らの光を第1の伝播光と第2の伝播光とに分配し両者を
    前記光ファイバループにそれぞれ互いに逆方向に伝播さ
    せる光分配器と、前記第1の伝播光と第2の伝播光に位
    相偏移を生じさせるセロダイン変調器と、前記光ファイ
    バループを伝播した第1の伝播光と第2の伝播光とを同
    一の導波路に導いた後これを検出する光検出器と、前記
    第1の伝播光と第2の伝播光との位相差に対応した周期
    を有するセロダイン波を発生し前記セロダイン変調器を
    駆動するセロダイン波発生回路とを有し、上記位相差か
    ら回転角速度を求める光ファイバジャイロにおいて、セ
    ロダイン波発生回路に複数の積分器を設け、これらの積
    分器を交互に動作させかつ交互に使用する切り替え手段
    を設けたことを特徴とする光ファイバジャイロ。
JP13299091A 1991-06-04 1991-06-04 光ファイバジャイロ Expired - Lifetime JP2905948B2 (ja)

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