JPH032517A - 集積光学位相変調器をセロダインにより駆動し所定パラメータを測定する装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、セロダイン（ｓｅｒｒｏｄｙｎｅ）変調技術
により駆動される集積光学位相変調器の応用、特に、集
積位相変調器を用いパラメータ、例えば、光ファイバジ
ャイロスコープの回転角及び回転速度を測定する装置及
びその方法に関する。

（従来技術の説明） 集積光学位相変調器は、光学デバイスの分野では周波数
シフトに広く使用されている。このような変調器の応用
例として、光信号に所望な位相シフト（移相）を行う為
にこの変調器を鋸歯状波形で駆動することが挙げられる
。

上記移相は、クローズド（ｃｌθｓｅｃ＋）ループ又は
オープンループ系にして行われる。

セロダイン駆動の変調器の応用例として、特に、光フア
イバジャイロ、通信回路、コヒーレント光に基づくセン
サ等がある。光フアイバジャイロ（スコープ）への応用
例を以下に示す。但し、他の応用例があることに注意さ
れたい。

光フアイバジャイロに於いて、フヒーレントな光ビーム
は、２つのビームコンポーネントに分割される。このビ
ームコンポーネントは、光フアイバコイルの各端に放出
され、再結合されるまで反対方向に伝搬し、光学検出用
コイルを横切った後、例えば、検知器でのフリツプ（縞
）のパターン（模様）のような干渉現象を形成する。

例えば、上記コイルの平面と直交するコンポーネントを
有する回転を受けると、サグナック効果として知られる
非往復（１つのビームに働き他方には働かない）位相シ
フトが２つの反対方向伝搬ビーム間に生じ、干渉現象の
変化、例えば、縞模様にシフトが生じる。この縞模様の
シフトの大きさと方向とは、各々軸の回りのコイルに掛
かる回転速度と回転方向に比例する。

先ず、サグナック効果は、直線路及び回転路での光の挙
動を扱う単純なケースを考察することにより理解されよ
う。

最初に、同じ速度で高速道路を１台が他の１台に追従す
る２台の車両を考えてみる。この時後方の車両に居る人
間が前方の車両に居る人間に向って第１の野球ボールを
投げる。又、その際、後方の車両が走行道路側面に立っ
ている別の人間を通過する瞬間、前方のトラックに居る
人間に第２の野球ボールを投げる。第１の野球ボールは
、後方車両から前方車両まで空気を介して車両の共通速
度とボールが放たれた初期速度を加えた速度で投げられ
る。初期速度が等しく空気摩擦損失を無視すれば、第２
の野球ボールは明らかに第１のボールより初期速度分あ
る為遅れて到達する。

次に、同じ２台の車両が同じ経路を同じ一定速度で再度
走行する場合を考えてみる。この場合、夜間とする。

後方車両にいる人間がフラッシュライトを有し前方車両
の人間が光検出器を有している場合である。同様にして
、道路にいる人間もフラッシュライトを有する。

後方車両が走行道路にいる人間のそばを通過する時、両
方のフラッシュライトがオンとなる。等方媒体に於ける
光速度が基準フレームと独立ならば、検出器を持ってい
る前方車両の人間は、同時に、検出器で２つのビームを
受光することとなる。

第２の例では、光フアイバジャイロと比較するため光以
外の同じ場合を考察してみる。（その方が、サグナック
効果を素人に対し十分に理解されよう）。

非常に小柄な人間がレコードプレイヤの回転ディスクの
縁に立っており、このレコードプレイヤには、」１記人
間の居る場所を除く線周囲の順縁に沿って長い金属管を
有しているとする。又、その人間が２つのピストルを持
ち、上記金属管の２つの開口部の間に立っているとする
。もし彼が同時に開口部に向って銃を撃ち、すぐその場
を出て開口部の間の空間に標的を挿入すると、同時にそ
の金属管から出る２つの銃弾が観察することが出来、標
的に同時に当たることが観察される。

一方、」１記金属管が光ファイバであり、又、ピストル
と標的との代わりに２台のフラッシュライ１−と１台の
光検出器を使えば、ディスクの回転方向に沿って伝搬す
るフラッシュライト（照明器）からの光ビームは、その
検出器までの距離からして反対方向から到達するビーム
よりイ）長い時間かかって」１記検出器に到達する。元
来、いずれかの基準フレームと光とは独立しているので
、ディスクの回転方向に沿うビームは、回転反対方向の
ビームよりも長い距離走行しなければならない。又、各
々のビームに対する距離は、光ファイバの長さとは特定
のビームの遷移時間中のディスクの移動量分界なる。こ
れら相異は、両ビームを再結合させ、種々の積極的（ｃ
ｏｎｓ　　ｒｕｃｔｉｖｃ）を 及び消極的（ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ）干渉を起こしデ
ィスクの速度及び方向に各々応じて大きさと方向とが変
わる干渉縞を作る。

２つのビーム間の位相差は、位相変調器に結合する検出
器の出力を使用するコイル内のビー１、に更に非往復位
相ソフトを行わせることにより零にすることが出来る。

概念的には、「コイルを零にする」ことは、スケールが
読み取れる零位置になるまで患者の重量が違った重りを
摺動することにより零とする不均衡を生むような医者の
スケールを使用することに似ている。光ファイバジャイ
ロスコープでは、医者のスケールとは異なり、患者の重
量即ちジャイロの軸の回りの角回転速度は、連続して変
化しても良い。

サグナック効果は、縞のシフトの大きさと方向を検出し
、又、変調器を駆動してシフ）・を零にするのに必要な
位相補償を与える駆動信号を出す制御回路により自動的
に補償できる（即ち零にすることが出来る）。角速度に
正比例させるために必要な位相補償度が測定可能である
。

集積光学位相変調器を含む種々の変調器は、公知である
。このような変調器は、チタンで拡散しないリヂウムニ
オブ酸塩（ｎｉｏｂａｌ：ｅ）クリスタル、又は、−船
釣には、電圧誘起電界により変化する回折指数を有する
ことが可能な光学材料からなる。この電界は、零入力（
ｑｕｉｅｓｃｅｎｔ）（非付勢）指数（又は、この零入
力指数の」二又は以下のある選択指数値でもよい）より
上又は下側に回折指数を」二げるか下げる為に異なる極
性で」１記光学材料に印加される。単一の変調器は、１
つのコンポーネントビームがコイルに入り他のコンポー
ネントビームがコイルを出る時の１つのコンポーネント
ビームの位相をシフ）・する位置にあるようにするため
、コイルの一端又はその近傍に位置する。変調器がコイ
ルの中央に位置するならば、その効果は両方に存在する
ビームに対し同時であり何等効果は引き起こさない。し
かしながら、所望な非往復的効果は、それだけでは所望
な効果を引き起こさない変調器の非対称の位置決めによ
り引き起こされるだけでなく、変調器に印加する電圧が
傾斜的に変化しそのため同時にコイルの別々の端を入る
一対の光パケット（ｐａｃｋｅＬ）は、位相変調器が異
なる回折指数を持つ特異なる時間で変調器を伝搬すると
いう事実によっても生じる。従って、異なる遅延度合を
有することとなる。

光フアイバジャイロ用位相変調器に対する閉塞ループの
駆動回路は、概念的には、両方のビームが同一の長さの
コイルを常に”見る”か、同一の長さのコイルを見せ掛
けで横断するようにさせ、且つ、同時にこのループから
出るようにする為に、両ビームに対し位相変調器が（ジ
ャイロの回転方向に応じて）コイルを異なる度合いで“
長くする”又は“短くする”ようにするものであるとし
て考察してもよい。勿論、」１記パラグラフで述べたよ
うに、コイルの長さは、実際には変化しない。

むしろ、上記効果は、ループの小部分の（変調器により
占有される）回折指数を連続的に変化させることにより
達成される。この結果、２つのビームに異なる度合いの
遅延をかけることとなる。閉塞ループでコイルを最終的
には零にするのに必要な変調電圧のレベルと方向とは、
光フアイバジャイロの回転速度に正比例する。ランプ電
圧を使用して変調器を駆動させると、その電圧のスロー
プは、ジャイロの回転速度の変化に比例して変化するよ
うに設定されることが行なわれる。この時、正のスロー
プは負のスロープによって指示されるものと反対方向の
回転を指示する。

もし変調器の回折指数が制限なく増加又は減少でき、両
極性の大きさが不定である電圧源が人手できれば、必要
な限りコイルを零にするため変調度を増加又は減少させ
ることが可能である。（このことは、上記医者のスケー
ルの例では、スケールの測定能力を越えて増加する患者
の重量に似ている）。勿論、上記のことは例外であり、
通常は、一定振幅の鋸歯状波形が位相変調器に印加され
、その周波数が回転速度を示し、その極性の変化するス
ロープが回転方向を指示している。（例えば、周波数シ
フトを行うために使用される鋸歯状波形の最初の従来例
として米国特許第２．９２７．２８０号（１９６０年３
月１日発行）を参照されたい。本特許には、クライスト
ロンの鋸歯状波形変調（効率的１００％）対従来技術の
正弦波変調方法（不要な周波数を除去するためにフィル
タを使用することが必要なため効率が約３４％）の効率
を開示している。しかしながら、なにも特殊な鋸歯状波
形駆動回路は詳細に開示していない。）（従来技術の問
題点） 変調器に対し鋸歯状波形を使用することは、波形の周期
が不連続となるという問題が発生ずる。

そのうち最も問題となる課題は、不連続それ自身の継続
期間と不連続継続時間が零とならない原因となる不要な
高調波の存在である。

勿論、両方を最小限に抑えることは望ましいことである
。（光フアイバジャイロに於いて）一定のフライバック
期間がコイルを零にするのに必要な位相シフトと回転速
度との間の正比例関係に悪影響を及ぼずことは、「鋸歯
状波形による位相変調されたフィードバックを持つ閉塞
ループの光ファイバ　ジャイロスコープ」という名称で
オプティック　レタース、第１Ｏ巻、Ｎｏ、６の１９８
５年６月に出たニー、エバーグ及びジー、シフナーによ
って書かれた書簡で研究されている。この書簡では、は
ぼ理想的な鋸歯状波形のフライバック期間は期間全体の
およそ２パーセントであることを示唆している。（本書
簡の第６図、添付見出し、及び第３０１頁から第３０２
頁に関するテキストを参照のこと。） 所謂、理想に近い２％のフライバック期間を有するこの
ような閉塞ループ制御回路に於いて使用される鋸歯状波
形発生器は、具体的には、コンデンサ、放電スイッチ、
及び変調電圧の大きさを示すフィードバック信号に応動
する放電可能な積分器を形成する演算増幅器（オペアン
プ）に並列に接続された位相変調器からなる。積分器の
コンデンサに掛かる電圧（電荷）（又、変調器に現れる
）は、積分器の出力が鋸歯状波形の所望一定振幅に対応
する選択レベルを越えていると比較器によって検出する
毎に放電される。この回路構成では、鋸歯状波形の周波
数が、上記ジャイロの回転速度に正比例する。又、デジ
タル周波数カウンタを、角速度、又は、角度に変換出来
る周波数を読み取るように接続出来る。

従来技術で使用される別の鋸歯状波形発生器は、米国特
許第３．９５２．３０６号（１９７６年４月２０日発行
）に示す一部ピーク振幅周波数可変鋸歯状波形を発生す
る発生器の閉塞ループ版である。この回路は、棉引発生
器の出力（例えば、鋸歯状波形発生器）を使い、キャパ
シタ（コンデンサ）を充電して可変周波数鋸歯状波形の
ランプを与える電流源と、放電回路を介しコンデンサが
放電される周波数を制御する電圧制御型マルチバイブレ
ータとの両方を駆動する。又、コンデンサの鋸歯状出力
電圧は、負荷に低いインピーダンスを与える為にバッフ
ァアンプに送られる。

（上記米国特許第３．９５２．３０６号で記述されるこ
とは、電流源を使用してコンデンサに直線的に充電し、
スレショルドレベルを設定し、コンデンサを放電するた
めのユニジャンクショントランジスタを使用するセロダ
イン方法である。該電流源は、鋸歯状波形の周波数を変
化させるために可変としている。しかしながら、Ｉ　Ｏ
ｋ　Ｈｚまでの周波数では満足することが判明したが、
ユニジャンクショントランジスタでの遅延発生により、
１０　ｋ　Ｈｚ以上の周波数では、振幅の変動が周波数
を掃引したとき起きた。）（上記特許のコラム■、ライ
ン（線）２０から２８までに示す開示内容を参照の事。

） セロダイン変調を使った周波数シフトの場合、ランプ（
ｒａｍｐ）がリセットされると、絶対位相シフトの鋸歯
状波形のピーク値がコヒーレントな光の波長の整数分に
等しくない（２ラヂアンの位相シフト）ならばループ上
の光伝搬遅延期間中に検出器に乱調が起きる。換言ずれ
ば、各鋸歯期間の終了で行われた位相変調の最大振幅は
、ファイバコイルに伝搬する全波長の１又はそれ以上と
等しくなければならない。リセット時の瞬間位相変調度
は、１つのコヒーレントの光の波長より大きいか小さい
値であるならば、互いに別方向に伝搬する光波はコヒー
レントな周期の全く同じ相対点ではリセットされない。

このことは、各コヒーレントのサイクルが他のコヒーレ
ントのサイクルに対して早期又は遅れて始まる変調とな
り、そのため位相誤差を伴う。

位相を零とした点でのこの位相誤差を取り扱う方法とし
ては、受光器を誤差からゲートすることであり、ランプ
時間からの信号を使用してセロダイン変調のランプ波形
の周期を制御することが挙げられよう。

リセット期間からの誤差信号も第２の制御ループでのＶ
２ｐ　ｉスレショルドを制御するのに使用可能である。

この事について、エイチ、シー、レフェブレービー、エ
イチ、グレインドルグ、エイチ、ジエイ。

アルヂッチ、ニス、バトウ、及びエム、パブチョンによ
る「デジタル位相ランプを使用した二重閉塞ループ　ハ
イブリッド　光ファイバ　ジャイロスコープ」を参照さ
れたい。本文献では、新しい期間と古い期間との比を、
その初期値からジャイロ　スケール　ファクタを更新す
るのに使用可能であると記述している。従って、不正確
なセロダイン変調の振幅制御によるスケールファクタの
ドリフトは、上記方法で補償可能である。

エイヂ、シー、レヘプレ他による上記文献では、アナロ
グのランプに代わりファイバセンシングコイルを介する
群伝搬時間に対応するステップ継続時間を持つ位相ステ
ップを使用することが可能であることを示唆している。

２〇− 本発明の目的は、集積光学位相変調器を駆動し所定パラ
メータを測定する新規な装置及びその方法を提供するこ
とにある。

（問題点を解決するための手段及び作用）」：記目的を
達成する為に、本発明に係る上記装置及び方法に於いて
、電荷を電荷量制御信号の大きさに応じその量を変化さ
せて集積光学位相変調器に供給している。このことによ
り、ランプ変調電圧を該集積光学位相変調器に与えてい
る。従って、該位相変調器の持つ固有容量（キャパシタ
ンス）がこの電荷を蓄積（充電）する。又、このランプ
電圧が所定の大きさを越えると、放電する。

この位相変調器自身が上記ランプ変調電圧を与え、この
変調器を伝搬する光に対しランプする位相シフトを行う
。以上が、本発明の第１の特徴である。

上記第１の特徴を有する上記装置及び方法では、抵抗が
、電流源と位相変調器の間に接続されている。これによ
り、駆動回路自身の一定の電気伝搬遅延に関連して起き
る鋸歯状波形自身の周波数変動のために生じる種々の鋸
歯状波形のオーバシュ−ト分が補償される。

上記抵抗の抵抗値は、可変電流源からの電荷を蓄積する
ために使用される容量で除される電気伝搬遅延量と等し
いように選択される。

又、上記目的を達成するために、本発明に係る」１記装
置及び方法では、集積光学位相変調器が周波数可変鋸歯
状発生器の一部として接続されている。位相変調器の回
折指数が鋸歯状波形信号に応動して変調される。この鋸
歯状信号は、集積光学位相変調器の有する固有容量によ
り位相変調器に現れる電圧で与えられる。この固有容量
は、可変電流源に接続されている。可変電流源は、電流
制御信号に応動して電荷量を変えてこの固有容量を充電
するために使用される。この固有容量の電荷を鋸歯状波
形信号とする。この電荷は、上記容量に接続されたスイ
ッチにより周期的に放電される。

このスイッチは、鋸歯状波形信号及び基準信号に応動す
るコンパレータ（比較器）により供給される放電信号に
応動して上記容量を放電させる。コンパレータは、基準
電圧レベルよりも大きい鋸歯状信号を検出すると、上記
放電信号を出す。以上が、本発明に係る上記装置及び方
法の第２の特徴である。

上記第２の特徴を有する装置及び方法では、」１記のよ
うに構成された駆動回路が、閉塞ループ状態で接続され
集積光学位相変調器を駆動し、光フアイバジャイロ用検
出コイルの２つの互いに反対方向に伝搬するビーム間の
位相差を示すフィードバック信号に応動して上記検出コ
イルの零化を制御する。

又、上記第２の特徴を有する駆動回路は、２つの等しい
電流を与える電流スプリッタを入れることにより変更し
てよい。その等しい大きさの電流の一方は、閉塞ループ
で使用され集積光学位相変調器を駆動してコイルの２つ
の反対方向伝搬ビーム間の位相差を示すフィードバック
信号に応動し光フアイバジャイロの零点を制御するのに
使用される。他方の等しい電流は、鋸歯状波形のリセッ
トによっても乱されない電荷蓄積にのみ使用される。

更に、本発明の目的を達成するために上記装置及び方法
では、電荷が集積光学位相変調器から一定の割合で、繰
り返し所定期間、位相変調器に電荷が貯蔵される割合に
応じた周波数で引き出される。所定期間毎の引き出し量
は、周知の電荷量であり、又、貯蔵電荷量は、測定パラ
メータ、例えば、ジャイロの回転角に正比例するので、
所定期間毎の引き出し量は、測定パラメータ、例えば、
角度のような測定パラメータを表わし、これが合計され
て全回転角を示すか、あるいは、時間と比較され回転速
度を得る。以上が、本発明の第３の特徴である。

上記のように本発明に係る上記集積光学位相変調器をセ
ラダイン駆動し、パラメータ、即ち、角度及び速度を測
定する装置及び方法の特徴は、総て、特許請求の範囲に
記載されている如くである。

本発明は、集積光学位相変調器を直接可変電流源により
充電され鋸歯状波形のレベルが所定レベルを越える毎に
放電スイッチによって周期的にダンプされるコンデンサ
からなるほぼ一定振幅で周波数可変の鋸歯状発生器に接
続することにより、鋸歯状波形の周期全体の２％以下の
フライバック周期が、高い信頼性、高い直線性、及びリ
ンギングが殆ど無い状態で達成されるわけである。

発明者は、フライバック期間又はリセット期間を試験し
た。この時、その値は２マイクロ秒の全鋸歯状波形アク
ティブ期間の０３％を示した。

このような値を示すことは、変調がかなり高い精度を持
って行われていることである。

従来の方法では、演算増幅器（オペアンプ）からなる積
分器を使用すると、オペアンプは放電スイッチと整合さ
れずフライバック期間を遅らせたり又波形のリンギング
が生じていた。又、従来からバッファ増幅器をコンデン
サと負荷との間に配設することにより負荷自身が低いイ
ンピーダンスの場合、負荷により低い出力インピーダン
スがみられることが確認されている。

しかしながら、集積光学位相変調器の場合、発明者は、
この変調器はそれ自身高いインピーダンスの容量負荷で
あるから、コンデンサと負荷との間に低い出力インピー
ダンスの電圧増幅器又はバッファを設けることは、全く
不必要であり悪い影響を及ばず。このような不要なデバ
イスを回路全体から取り除くことと性能を著しく改善す
ることにより、集積光学位相変調器を用いた光位相変調
技術に多大な貢献をすることとなる。

本明細書に開示する技術は、通常のデジタル技術より優
れたものである。

何故ならば、デジタル技術は、オペアンプの使用を意味
し、且つ、検出された縞をデジタルの位相ランプに変換
するデジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）変換器等の使用を意
味する。

一方、本発明では、可変電流源に直接結合された集積光
学位相変調器の有する固有の容量を使用することにより
、所望のセロダイン変調が、鋸歯状波形のオーバシュー
トに対し簡単に補償して簡単にしかも直接に達成される
ものである。

更に、測定パラメータとして鋸歯状波形電圧でなく集積
光学位相変調器固有の容量に充電された電荷に技術の焦
点を変えることにより測定技術高精度化に多大な貢献を
している。従来がら、後者の電荷についてはリセット時
（ブランキング期間）問題にされず鋸歯状波形の電圧と
周波数とを測定の基準として使用していた。このような
基準は高周波数では不精確になることを考慮すれば、上
記測定技術に価値のある貢献をしていることとなる。

又、この不精確となる原因としては、例えば、高速のコ
ンパレータでは低速のコンパレータよリモその電圧の精
度が低いこ七による。

（実施例） 以下、添付図面を参照して本発明に係る集積光学位相変
調器をセロダイン駆動しパラメータを測定する装置及び
その方法の実施例を詳細に説明する。

第１図は、上記集積光学位相変調器及びその周辺回路を
示す。

第１図に於いて、集積オブチック位相変調器Ｉ２を伝搬
する光にランプ位相シフトを与える回路■０が備えられ
ている。この位相変調器１２に加えて、上記回路１０は
、高山カインピーダンス可変電流源１４と、位相変調器
１２の電圧を測定するコンパレータ（比較器）１６と、
可変電流源１４により位相変調器Ｉ２に送られそこでそ
の固有容重により蓄えられた電荷を減衰させるスイッチ
１８とからなる。又、所望ならば、外付けのコンデンサ
２０を付加容量（キャパシタンス）を加えるため位相変
調器１２と並列に備えて良い。

ライン２２上の制御信号により可変電流源に指令を与え
所定選択レベルの電流２４を与える。ライン２６上の基
準信号がコンパレータ】６の一方の入力に与えられ他方
の入力には位相変調器１２からの信号が入る。位相変調
器の電圧がライン２６の基準電圧の大きさを越えると、
コンパレータＩ６はスイッチ１８を閉塞するためライン
２８にダンプ信号を与える。その結果、位相変調器１２
の容量内に蓄えられた電荷を減衰（ｄ　ｕ　ｍ　ｐ　）
させる。この電荷蓄積エネルギは、スイッチ１８の内部
抵抗を介して放出される。

第２図は、第２Ａ図と第２Ｂ図とがらなり、第１図に使
用される同じ参照符号を使用し、本発明を光フアイバジ
ャイロに適用可能な装置の詳細なブロック図である。

第１図に於ける同じ参照符号で示す構成要素に加えて、
第１図に示すオーバシュート補償抵抗３２からなる付加
構成要素がある。しかしながら非接続状態である。所望
ならば、ジャンパ３６を取り除くことによりノード３４
とノード３５との間で接続は可能である。

第２図に於いて、マイナス５ボルトとプラス５ボルトの
間で変化するライン２２上の両極ＤＣ信号がバッファ３
７の非反転入力端子（第２Ａ図の１０で示す）に入る。

バッファ３７は該ＤＣ信号をバッファし高出力インピー
ダンス可変電流源１４に送る。この可変電流源Ｉ４は、
例えば、ノード３４から見れば高インピーダンスを形成
する公知の方法で接続される複数のトランジスタからな
る。図面に示す電流源１４は、ライン２４でノード３４
に於いてプラス、マイナス７３５マイクロアンペアの値
で大きさが上記ＤＣ信号に応動して変わるいずれか一方
の極性の電流を出力する。

この電流は、集積オブヂック位相変調器１２に固有な容
量に送られる。又、所望ならばノード３４に正又は負方
向のランプ電圧を発生する付加容量（コンデンサ）２０
にも送られる。ノード３４での電圧は、コンパレータＩ
６内の一対のライン２６ユとライン２６ｂ上の一対の基
準電圧（＋ＶＲＥＦ、、　−Ｖ　ＲＥＦ）と比較される
ようにランプアップ（斜めに上昇）する（絶対方向で）
。

コンパレータ１６（第２Ｂ図）は、ノード３４に高イン
ピーダンス入力を与え、ランプ電圧を２つのコンパレー
タ４．２．４４の各々の一方の入力端子に与えるバッフ
ァ４０を有する。２つのコンパレータのうち一方は、ノ
ード３４での正又は負方向のランプ信号がライン２６ａ
又は２６ｂの内の基準電圧（十Ｖ　ＲＥＦ、　−Ｖ　Ｒ
ＥＦ）を（絶対的意味で）越えた場合トリガされる。

次に、一対のライン４６．４８のいずれかは、ライン２
８上のダンプ信号をスイッチ１８に与えるＮＯＲゲート
５０に出力（ｌｏｗ　　１ｅｖｅｌ）信号を与える。ラ
イン４６．４８上の再生信号は、アップダウン（ＵＰ／
ＤＯＷＮ）カウンタ又は周波数カウンタに送られる。こ
のカウンタは、この再生周波数を所望のように絶対角又
は角回転速度に関係付ける。

鋸歯状波形の周期よりは時間が短い。しかしながら、ダ
ンプ信号の立ち」二がりから適当なコンパレータが基準
電圧以下を検知し、出力を出さなくするに十分な量の放
電をコンデンサが行うまでかかる時間と少くとも同じで
あるとする。この長すぎる信号を非常に短い信号に変換
する為に、ライン２８上の信号は、最初に（セルフ）リ
セットワンショット回路５２に送られる。このワンショ
ト回路５２は、この信号に応動して、約４０ナノ秒継続
するライン５４に短い継続パルス信号を送る。

このライン５４上の信号パルスにより、高速スイッチ５
６が、低抵抗で、位相変調器１２の電荷を一対のスイッ
チ５８．６０の並列抵抗に入れ貯蔵したエネルギが放出
される。上記のようにコンデンサ２０ら又十分なレベル
の電流を与える為に位相変調器１２が有する容量と並列
に接続しても良い。

換言すれば、コンデンサ２０がなくともライン２４の電
流レベルは、１００マイクロアンペア以下のレベルでよ
いのであるが、これ以下では変調精度の点で作動するに
は困難となるので上記容量を加えるものである。

本発明の重要な事は、回路の伝搬遅延を自動的に修正す
るためにノード３４とノード３５との間に挿入された抵
抗３２を使用していることである。

抵抗値は、ノード３４から、コンパレータ１６、スイッ
チ１８を介し、ノード３５までの幾つかのコンポーネン
ト伝搬遅延を最初に決定することにより算出してよい。

これは、以下により特徴付けられる。

Ｖｅｒｒｏｒ　　−［（ｉ）（△ｔ　ｄｅｌａｙ）　］
／Ｃ１ ここで、 上の式で、ｉは、抵抗３２に流れる電流を△ｔ　ｄｅｌ
ａｙは、ノード３４からノード３５までの伝搬遅延を、
Ｃは、位相変調器の容量とコンデンサ２０との和を表わ
す。

Ｖｅｒｒｏｒ　　＝ｉ　　ｘ　　Ｒなので、所望抵抗（
Ｒ）はコンデンサ値によって除されたデルタ時間遅延（
△ｔ　ｄｅｌａｙ）に等しい。

第２図の実施例に示す回路については、コンパレータと
スイッチとを介してノード３４からノード３５までの時
間遅延は、はぼ２１９ナノ秒である。（位相変調器１２
の固有容量は、２０ｐＦ（ピコファラッド）とする。） 発明者は、使用デバイスが異なれば異なる種々の伝搬遅
延となることを製造者の仕様を参考とすることにより演
算した。可変周波数鋸歯状波形周期に対する割合として
の遅延により生じたオーバシュートの度合いは、鋸歯状
波形周波数が回転速度が増加すると高くなることから増
大する。伝搬遅延が固定され、且つ、鋸歯状波形の周期
が可変であれば、オーバシュートによる誤差は変動し又
高い鋸歯状波形の周波数では更に顕著になる。５００Ｋ
Ｈｚの最大ランプ速度については、この遅延はランプ周
期のほぼ大部分を示す。ところが抵抗３２の存在により
自動的にノード３４からノード３５までノード３４での
電圧をノード３５での電圧よりも高くする（絶対値の意
味で）ことにより電圧が伝搬するのを待っている門生じ
るいずれのランプ電圧のオーバシュートを補償する。こ
の結果、ランプ電圧がトリガポイントにじきに到達する
と、コンパレータは応答する（コンデンサ１２．２０で
表される全容量）。「じきに」とは鋸歯状波形の周波数
とは無関係に電気伝搬遅延に等しい。この効果は、補償
抵抗３２に流れる電流のレベルの増加又は減少により生
じる。これは、鋸歯状波形の増加するスロープ又は減少
するスロープが、ランプ電流のスロープのいずれかの変
化と完全に一致する補償抵抗の電圧を自動的に増加させ
ているからである。鋸歯状波形の周波数の変動は、伝搬
遅延によって表される鋸歯状周期の一部を変える。しか
し、このような変化は、補償抵抗３乏へ流れる電流の増
加又は減少により自動的に補償される。

又、第２図はモニタ６６により回転速度を監視する第２
の方法を示す。

このモニタ６６は、インダクタ６８と、電流電圧変換器
７０と、電圧増幅器７４と、ライン７６とからなる。イ
ンダクタ６８は、連続電流を上記電流電圧変換器７０に
送る。電流電圧変換器７０は、ライン７２の電圧信号を
電圧増幅器７４に送る。電圧増幅器７４は、ライン７６
に増幅出力信号を出す。又、この増幅出力信号は、電圧
周波数（Ｖ／Ｆ）変換器に送られ、回転速度を直接指示
するため供給される。このモニタ６６を使用する回転速
度監視方法、ライン４６．４８上の信号を監視する上記
方法、あるいは他の方法が使用される。

第３図は、ジャイロに限らないが本発明に係る測定技術
を使用した本発明の第３の特徴を示す回路の簡略ブロッ
ク図である。

位相変調器８０では、ライン８２」二の入力光信号に応
動しそこを通過させる。この光入力信号は、位相変調器
８０に固有の容量の板８６．８８間の電圧に応じて変調
された後ライン８４上に出力光信号として送られる。こ
の板８６．８８間の電圧はコ゛シデンサ９０の電圧によ
り直接制御される。

このコンデンサ９０は、可変電流スプリッタ源９２から
電圧電流変換器９６に送られるライン９４上の制御信号
により制御されて送られる電荷を貯蔵する。又、電圧電
流変換器９６は、ライン９４上のコマンド信号をライン
９８」二の電流（ｉ）コマンド信号の形で可変電流スピ
リッタ源９２に送る。コンデンサ９０は、第１図及び第
２図と関連して上記したように位相変調器のみの容量を
使用する場合は省略してもよい。

可変電流スプリッタ源９２は、同一レベルのライン１０
０．１０２の２つの電流を出力する。換言すれば、出力
電流は半分に分割されライン１００上の半分が貯蔵用に
コンデンサ９０（そして位相変調器８０の容量）に送ら
れ他の半分は別のコンデンサ１０４に貯蔵用に送られる
。

コンデンサ９０と位相変調器８０の容量とは、並列であ
り、ノード１０６の電圧がライン１０８上の基準電圧を
越えるまでライン１００の電流を蓄積する。コンパレー
タ１１０は、ライン１１２上のダンプ信号をスイッチ１
１４に与え、スイッチ１１４は、コンデンサ９０の電荷
を接地側１１４に落とす。この回路部分は第１図第２図
に対１゜記載した方法と同じ方法で作動する。

しかしながら、回路の別の部分は可変電流源９２からの
電流の半分がとられノード１１６での電圧を有するコン
デンサ１０４に貯蔵する。ノード１１６の電圧は、コン
デンサ１０４だけでなくコンデンサ９０と位相変調器８
６の並列容量］こ貯蔵される電荷量を指示する。電荷は
２つの分岐点で同じであるが、ノード１０６での電圧は
、ランプをリセットすることにより導入される不連続性
を経験する必要がなく各分岐点での容量全体の簡単な比
率を使うことにより推定出来る。

換言すれば、電流は定電流源１１８によりコンデンサ１
０４からコンパレータ１２０、ワンショット１ａ及びス
イッチ１２２の制御の元で所定選択期間中引き出される
。コンパレータ１２０、ワンショットマルヂ１２１１及
びスイッチ１２２とは一緒になって電荷が、一定の割合
でワンショット１２】の一定パルス幅の期間、ライン１
２４の所定選択基準電圧をノード１１６の電圧が越える
と常時コンデンサから引き出される。電荷を所定の時間
で制御された割合で引き出すことにより同じ量の電荷が
各サンプリング期間取り出される。

合計すれば、この電荷はジャイロの全回転角度量を示す
。角度情報は自分自身のために純粋に使用可能であるが
、時間と関連させ回転速度を求めるように使用できる。

従って、回転角又は回転速度はスレショルドとは独立し
た方法で測定出来る。このことは電圧基準、コンパレー
タのスレショルドレベルとランプのリセット点等の変動
とは無関係となる。その代わり、電流源に依有すること
と使用コンデンサの安定性に依有する。

従って、本発明の基本概念は、容量により集積光学位相
変調器に充電された電荷が上記ジャイロスコープの回転
角度の目安となることである。

第３図に示す回路は、単一方向の測定技術を示すのみで
あるが、第２図の回路が２方向性である方法と同じ方法
で回路を２方向性にさせるように拡張するよう技術を応
用させることができる。加えて、増幅器１２６が、ライ
ン１１６の電圧をライン１２８に送り上記装置と同じデ
ータ抽出装置に送るのに使用してもよい。

第４図は、本発明に係る上記装置の第３の特徴を示す測
定方法の実施例である。

第４図の実施例は、光フアイバジャイロに適用可能であ
る。しかしながら、本発明の適用はこれに限定されない
ことに注意されたい。

第４図に示す回路は、光フアイバジャイロの零化機能を
具体化したものである。

サンプル／ホールド回路１４０は、ライン１４２の位相
零信号に応動する。位相零信号はライン１４４に送られ
オペアンプ１４６、コンデンサ１４８、及び集積オプチ
ック位相変調器１５０からなる積分器に送られる。ここ
で、集積オブチック位相変調器をオペアンプからなる積
分器の一部として使用する回路構成は、従来技術とこの
位相変調器に放電スイッチを使わない点で異なる。その
代わり、一対の反対極性の定電流源１５２．１５４が電
流を位相変調器１５０及びコンデンサ１４８から取り出
すのに使用される。

本発明の第３の特徴によれば、積分器のノード１５６で
の出力を一対のコンパレータ１５８、■６０を用いて検
出すれば上記取り出しが行われる。

この一対のコンパレータ１５８．１６０は、各々、並列
コンデンサ対１４８．１５０の許容電荷蓄積の上限と下
限を検知する。これら上限又は下限のいずれかを検出す
ると、ライン１６２又は１６４上の信号がオワ（ＯＲ）
ゲート１６６に送られ、オワゲート１６６は、ライン１
６８の出力信号をデジタルワンショット１７０に送る。

ライン１７２の周波数基準信号は、ワンショット（マル
チバイブレータ）１７０に送られる。このワンショット
は、ライン１７４にある所定継続時間の出力パルスをサ
ンプル／ホールド回路１４０に送る。そしてライン１７
４にパルスを受信する前にその大きさまでライン１４４
の信号を保持する。このことはライン１４２のエラー信
号を短い期間消去する為のもので、その期間ライン１７
６．１７８のいずれかの信号に応動しいずれかの定電流
源によりコンデンサ１４８．１５０から電流を取り出す
。

このライン１７６又はライン１７８の信号は、スイッチ
１８０又はスイッチ１８２を閉塞させる。

ライン１７Ｂ、】７８の信号はア１ンド（ＡＮＤ）ゲー
ト１８０．１８２により送り出される。このアンドゲー
ト１８０．１８２は、ワンショット１７０からのライン
１７４の信号とフリップフロップ１８８からの一対の信
号１８４．１８６とにそれぞれ応動する。フリップフロ
ップ１８８は、図示のようにライン１８４．１８６のコ
ンパレータ出力信号に応動する。フリップフロップ１８
−８は、アンドゲート１８０．１８２の一方を、その両
方がライン１７４でパルスを受信する前にイネーブル（
ｅｎａｂｌｅ）するためにライン１８４．１８６に信号
を送る。

上記のように、位相変調をオペアンプ付きの積分器を使
用し、スイッチが鋸歯状波形のリセット期間中の蓄積さ
れた電荷を放電するために位相変調器と並列に使用され
るセロダイン変調技術は公知である。

従来はスイッチング時発生する乱調を回避するためにリ
セット期間ジャイロを消去（ｂ　］　ａｎｋｏｕ　ｔ）
することをしていた。この従来の方法は、リセット期間
ライン１４２のエラーを消去するのに使用される第４図
で示すサンプル／ホールド回路１４０にも使用されてい
る。このブランキング期間角度回転速度のような測定パ
ラメータが一定のままであると仮定する。このことは幾
つかの応用では許される範囲内の不正確である。

しかしながら、従来の方法と異なり、第４図は、」１記
リセット時貯えられた電荷を放電するために位相変調器
にスイッチを設けていないことを示している。その代わ
り、高周波数での電圧コンパレータに対して電流源によ
って達成可能な高い安定性を持つ全く新しい測定方法を
使用している。このような高い周波数では、応答の速い
コンパレータは応答の遅いコンパレータでも達成可能な
精度を落とすことになる。即ち、定電流源１５２．１５
４４使用することにより一定量（束）繰り返しコンデン
サ１４８．１５０の電荷を取り出すと、ライン＋８６．
１８４上のエナーブリング（ｅｎａｂｌｉｎｇ）信号に
関連してライン１７４のパルスの発生がジャイロが回転
する角度量に正比例するように指示する。この量は、ア
ップ／ダウンカウンタ２００で総計される。同様に、ジ
ャイロの回転速度は、ライン１７４ａ上の信号によって
示される時間に対するライン１７４のパルス数をカウン
トすることにより求められる。

従って、位相変調器１５０を電荷という形での角度情報
の倉庫として見れば、本発明に係る新規な測定装置及び
方法はその電荷からの電流を制御して測定することとな
り、より信頼性のあるジャイロ等の回転の指示値が得ら
れる。

（発明の効果） 以」二説明したように、本発明に係る集積光学位相変調
器をセロダイン駆動し、所定パラメータ特に回転及び回
転速度を測定する装置及びその方法は、全く新規なもの
である。又、以下に示す優れた効果を有する。

（１）、集積光学位相変調器が有する固有容量に電荷用
制御信号の大きさに応じてその量を変えて電荷を供給し
ている。量の変化する電荷がランプする変調電圧を表わ
す。このことにより、集積光学位相変調回路を伝搬する
互いに反対方向の光信号に対しランプする位相シフトが
施される。これが光ファイバジャイロスコープの回転量
回転速度等の測定の目安を提供する。その測定値は高い
信頼性を与え変調精度の著しい向上をもたらす。

（２）、１ｉｉ歯状波形信号電圧ではなく集積光学位相
変調器の持つ固有容量に充電された電荷にパラメータ測
定の焦点を充てたことにより、高精度にパラメータが測
定可能となる。

（３）　鋸歯状波形のオーバシュートに対して簡単に補
償可能である。又、位相変調器自身高いインピーダンス
の容量負荷を有するので、後段に電圧増幅器やバッファ
を設ける必要はない。従って、構成が簡略化される。

（４）　光ファイバジャイロスコープやその他の測定装
置に広く応用可能である。

（５）、その他、本発明は優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る集積光学位相変調器の駆動装置
の簡略ブロック図である。 第２図は、第２Ａ図と第２Ｂ図とからなり第１図に示す
駆動装置を更に詳細に示した回路ブロック図である。 第３図は、電流測定法を行う本発明に係る上記装置の他
の実施例を示す回路ブロック図である。 第４図は、電流測定法を行う本発明に係る」１記装置の
他の実施例を示ず回路ブロック図である。 （符号の説明） １０・・光伝搬にランプ位相シフトをする回路１２・・
・集積光学位相変調器　１４−・・高出力インピーダン
ス可変電流源　１６・・コンパレータ　　Ｉ８・・・ス
イッチ　２０・・・コンデンサ　２２・・ライン２４・
・−電流　２６．２８・−・ライン　　２８・・・ライ
ン　３２・抵抗　３４．３５−ノード　４０・・バッフ
ァ　４２．４４・・コンパレータ　４６．４８・・ライ
ン　５０・・ノア（ＮＯＲ）ゲート　５４ライン　５６
．５８．６０・−・スイッチ　６８・・・インダクタ　
７０・・・電流電圧変換器　７２・・ライン　７４・・
電圧増幅器　７６・・・ライン　８０・・・集積光学位
相変調器　８２．８４・・・ライン　８６．８８・板　
９０・・コンデンサ　９２・・・可変電流スプリッタ源
　９４・・・ライン　９６・・・電圧電流変換器　９８
、＋００．１０２・・・ライン　１０４・・コンデンサ
　１２１・・・ワンショット　１２２−・スイッチ　１
１６・・ノード　１１８・・・定電流源　１２６・増幅
器　１２８・・ライン　１４０・・・サンプル／ボール
１回路　１４２．１４４−・・ライン　１４６・オペア
ンプ　１４８・・−キャパシタ　１５０・・・集積光学
位相変調器　＋５２．１５４・−・定電流源１５６・・
・ノード　１５８．１６０・−・コンパレータ１６２．
１６４・・・ライン　１６６・・−オワ（ＯＲ）ゲート
　１６８・・・ライン　＋７０・ワンショット１７２、
＋７４．１７６．１７８・・・ライン　１８０．１８２
・・・アンド（ＡＮＤ）ゲート　１８４．１８６・・ラ
イン信号　１８８−・・フリップフロップ　８０Ａ ８２Ａ・・スイッヂ

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. （１）、ａ）集積光学位相変調器の持つ固有容量が電荷
   を蓄積し、この蓄積電荷量によって前記容量間に電圧信
   号を発生させるように電荷量制御信号の大きさに応じて
   量を変化させて前記集積光学位相変調器に前記電荷を供
   給する第１手段と、ｂ）前記電圧信号と基準信号とを比
   較し、前記電圧信号の大きさが前記基準信号よりも大き
   いと判定する時放電信号を送り出す第２手段と、ｃ）前
   記第２手段からの放電信号に応動し、前記蓄積電荷を放
   電させる第３手段とからなること、を特徴とする集積光
   学位相変調器を伝搬する光にランプ位相シフトを施す装
   置。
2. （２）、前記装置は、更に、前記第１手段と集積光学位
   相変調器との間に接続され、所定電気伝搬遅延と前記容
   量とを掛けたものに等しい値を持つ抵抗を有することを
   特徴とする請求項第１項記載の装置。
3. （３）、ａ）集積光学位相変調器の持つ容量（キャパシ
   タンス）が電荷を蓄積するように、前記位相変調器に電
   荷量制御信号の大きさに応じ量を変化させて前記電荷を
   送り、 ｂ）前記容量に蓄積された電荷量を前記容量の電圧とし
   て指示して監視し、 ｃ）前記電圧の大きさと所定電圧のレベルとを比較し、 ｄ）電荷量が前記所定電圧レベルを越えることを検出し
   た後、蓄積電荷を放電させる工程からなることを特徴と
   する前記集積光学位相変調器を伝搬する光にランプ位相
   シフトを施す方法。
4. （４）、前記電荷量を監視するステップｂ）では、前記
   容量に送られる電流を、前記容量の大きさで除算された
   選択時間遅延を掛算したものに等しい量で増加する電圧
   を監視することを特徴とする請求項第３項記載の方法。
5. （５）、ａ）固有の容量を有し、前記容量が電荷を蓄積
   して電荷蓄積量を示すレベルを有する鋸歯状波形信号を
   出力し、又、該鋸歯状波形信号に応動し、そのスロープ
   によって指示される割合で光路の回折指数を変える可変
   回折指数を有する前記光路を有し、且つ、光ファイバジ
   ャイロスコープの回転量検出コイルの一端に位置し、前
   記検出コイルでの互いに反対方向に伝搬する光信号間の
   位相シフトの大きさ及び方向を示すフィードバック信号
   に応動し、前記検出コイルにおける互いに反対方向に伝
   搬する光信号の位相シフトを補償する集積位相変調器と
   、 ｂ）前記フィードバック信号に応動し、 前記フィードバック信号に対応する量の電荷を前記固有
   容量に供給する可変電流源と、 ｃ）前記固有容量の電荷と放電信号とに応動し、前記固
   有容量の電荷を放電するスイッチと、 ｄ）前記鋸歯状波形信号と基準信号とを比較し、前記基
   準信号よりも大きい鋸歯状波形信号レベルを検出すると
   前記放電信号を前記スイッチに供給する比較器とからな
   ることを特徴とする前記集積光学位相変調器を駆動する
   セロダイン発生装置。
6. （６）、前記セロダイン発生器は、前記可変電流源と前
   記集積光学位相変調器との間に接続され、所定電気伝搬
   遅延と前記固有容量の大きさとを掛けた値に等しい値を
   持つ抵抗を有することを特徴とする請求項第５項記載の
   セロダイン発生器。
7. （７）、前記セロダイン発生装置は、前記固有容量に蓄
   積された電荷量に応動し回転角を示す信号を送り出す角
   度測定手段を有することを特徴とする請求項第５項のセ
   ロダイン発生器。
8. （８）、前記角度測定手段は、前記可変電流源に応動し
   、この電流源から供給された電荷を貯える監視コンデン
   サと、前記監視コンデンサに接続されワンショット信号
   に応動し等しい放電量で前記電荷を放電する監視スイッ
   チと、前記監視コンデンサの監視電圧を監視し、第２の
   基準電圧を越える前記監視電圧に応動して監視放電信号
   を供給する監視比較器と、前記監視放電信号に応動し、
   前記ワンショット信号を供給するワンショット（マルチ
   バイブレータ）と、前記監視スイッチに接続された定電
   流源とからなり、前記可変電流源は、前記固有容量と前
   記監視コンデンサとに等しく電荷を送り、前記監視スイ
   ッチは、前記ワンショット信号に応動して閉塞し、又、
   前記定電流源は、一定ワンショット信号の一周期の間前
   記監視コンデンサからの電荷を取り出すことを特徴とす
   る請求項第７項記載のセロダイン発生装置。
9. （９）、前記セロダイン発生装置は、前記ワンショット
   信号に応動し、前記コンデンサから取り出した全電荷と
   前記ジャイロの回転角との両方を示す角度信号を供給す
   る演算手段とからなることを特徴とする請求項第８項記
   載のセロダイン発生装置。
10. （１０）、ａ）固有の容量を有し、該固有容量が電荷に
    応動し、前記電荷を蓄積し、この蓄積電荷量を示す大き
    さを有する鋸歯状波形信号を出力し、且つ、可変回折指
    数を有する光路を持ち、前記鋸歯状信号に応動し、前記
    鋸歯状信号の傾斜で示す割合で前記光路の回折指数を変
    えるように構成された集積光学位相変調器と、 ｂ）電流制御信号に応動し、電流制御信号に対応する割
    合で前記電荷を前記固有容量に供給する可変電流源と、 ｃ）前記電荷に応動し、且つ、放電信号に応動し、前記
    固有容量を放電させるスイッチと、 ｄ）前記鋸歯状信号と基準信号とを比較し、前記基準信
    号のレベルよりも高い鋸歯状信号レベルを検出すると前
    記放電信号を前記スイッチに送り出す比較器とからなる
    ことを特徴とする変調器。
11. （１１）、前記変調器は、前記可変電流源と集積オプテ
    イック位相変調器との間に接続され、所定電気伝搬遅延
    と前記容量の大きさとを掛けたものに等しい値を持つ抵
    抗を有することを特徴とする請求項第１０項記載の変調
    器。
12. （１２）、前記変調器は、前記固有容量に貯えられた電
    荷の大きさに応動し電荷の増加を示す信号を送り出す測
    定手段を有することを特徴とする請求項１０項に記載の
    変調器。
13. （１３）、前記測定手段は、前記可変電流源に応動し、
    この電流源から送られた監視電荷を貯える監視コンデン
    サと、前記監視コンデンサに接続されワンショット信号
    に応動し前記監視電荷を放電する第２スイッチと、前記
    監視コンデンサでの監視電圧を監視し、第２の基準電圧
    を越える前記監視電圧に応動し、第２の放電信号を与え
    る監視比較器と、前記第２の放電信号に応動し、前記ワ
    ンショット信号を与えるワンショットと、前記第２スイ
    ッチに接続された定電流源とからなり、前記可変電流源
    は、前記固有容量と前記監視コンデンサとに等しく電荷
    を与え、前記第２スイッチは、前記ワンショット信号に
    応動して閉塞し、且つ、前記定電流源は、一定ワンショ
    ット信号周期の間一定の割合で前記監視コンデンサから
    電荷を取り出すことを特徴とする請求項第１２項記載の
    変調器。
14. （１４）、前記変調器は、前記ワンショット信号にに応
    動し、前記監視コンデンサから取り出した全電荷量を求
    める演算手段を有することを特徴とする請求項第１３項
    記載の変調器。