JPH04369421A - 光ファイバジャイロ - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は運動体、例えば航空機、
船舶、自動車等の回転角速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６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】で表わされる。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、信号発信器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　
，Ｊ１　，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７に示す。この図７はセロダイン方式は前述の図６
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２π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の出力をセロダイン波とす
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、左及び右回りの光は
異なるタイミングで位相が変化する。このときの受光器
上での左右両光間の位相差をθＳ　とすると、θＳ　は
、

【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＋θ
Ｓ　）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（Δθ＝−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、セロダイン波を
生成する積分器は、実際の回路では純粋の積分動作とは
ならず大ゲイン大時定数のローパスフィルタの動作をす
る。そのため、図８に示すように微小な入力角速度にお
いては正確なセロダイン波を生成せずスケールファクタ
誤差が生じ、さらに微小な入力角速度においては２πに
達することができずセロダイン波を発生することができ
なくなる。即ち、セロダインループゲインで決まるセロ
ダイン出力が２π電圧に達しない微小な入力角速度で不
感領域が発生してしまうという問題がある。本発明は上
記問題点を鑑み、微小入力角速度におけるスケールファ
クタ誤差及び不感領域を無くし高精度な光ファイバジャ
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を駆動する積分器１２、リセット回路１４、２
π基準器１５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、積分器１２、リセッ
ト回路１４、２π基準器１５の前段に交番振動を付加す
るディザ信号印加回路１７を設けたものである。

【００１５】

【作用】位相差に対応した周期を有するセロダイン波に
一定の周期で交番的に変動するディザ信号を印加し、等
価的に常時入力角速度信号が加えられた状態を作り出す
ことにより、スケールファクタ誤差の発生及び不感領域
の発生を防ぐことができる。

【００１６】

【実施例】以下図１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。この図１において
図６に対応する部分には同一符号を付しその詳細説明は
省略する。この図１例では従来の図６例に加えて積分器
１１及び積分器１２の間に新たにディザ信号印加回路１
７を設ける。このディザ信号印加回路１７を含んだ、積
分器１１、積分器１２、２π基準器１５、リセット回路
１４及びカウンタ１３の構成例を図２に示す。図２にお
いて２０は加算器、２１は信号発生器、２２は２πコン
パレータ、２３は−２πコンパレータ、２４はＯＲ回路
、２５はアップカウンタ、２６はダウンカウンタ、２７
はアップカウンタ２５とダウンカウンタ２６の出力値の
差をとる差カウンタである。また１０ａは同期検波器１
０よりの出力が供給される入力端子である。

【００１７】積分器１１からの信号に信号発生器２１よ
り発生されたディザ信号を加算器２０で加え、積分器１
２へ送る。積分器１２で積分された出力はリセット回路
１４へ送られ、そこで、２πコンパレータ２２及び−２
π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。積分器１２の出力が２πになると２πコンパ
レータ２２の出力がハイレベルとなりＯＲ回路２４から
リセット信号が出力され、積分器１２をリセットする。 同様に、積分器１２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ＯＲ回路２４か
らリセット信号が出力され積分器１２をリセットする。

【００１８】また、２πコンパレータ２２及び−２πコ
ンパレータ２３の出力は、それぞれアップカウンタ２５
とダウンカウンタ２６へ送られ、その出力パルス数が計
数される。アップカウンタ２５により正の入力角速度に
対応したパルス数が計数され、ダウンカウンタ２６によ
り負の入力角速度に対応したパルス数が計数され、さら
に差カウンタ２７でその差がとられ、正味の入力角速度
に対応したパルス数が計数される。さらにその計数値は
図示しない処理部に所定のサンプリング時間で取り込ま
れ、入力角速度に比例した値を得ることができる。

【００１９】信号発生器２１より発生されたディザ信号
は例えば正弦波のように一定の周期で交番的に変動する
ものであり、ディザ信号を付加して、等価的に入力角速
度信号が加えられた状態を作り出す。この場合にカウン
タ１３で計数されるパルス数は真の入力角速度からずれ
たものとなるが、ディザ信号が交番的に振動を繰り返す
ものであり、処理部に取り込まれる計数値が結果として
平均的なパルス数となっているため、ディザ信号の変動
分のプラスマイナスが相殺し、検出すべき入力角速度の
みが求められる。また、ディザ信号印加回路自身に温度
や部品偏差による個別バラツキがあっても、それらはキ
ャンセルされるため悪影響を与えることはない。さらに
、ディザ信号印加回路１７を積分器１１と積分器１２の
間に入れることによって、ディザ信号印加自身のオフセ
ットの影響も受けることがない。ディザ信号の周波数の
下限は処理部のサンプリング時間とカウンタの桁数のか
ねあいで決まり、その上限は位相変調周波数ωＰ　で決
定する。又、ディザ信号の振幅の下限は不感領域に相当
する振幅よりある程度大きいものであればよい。

【００２０】本例は上述の如く構成されているので位相
差に対応した周期を有するセロダイン波に一定周期で交
番的に変動するディザ信号が印加され、等価的に常時入
力角速度信号が加えられた状態が作り出され、スケール
ファクタ誤差の発生及び不感領域の発生を防ぐことがで
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、ディザ信号印加回路１７の部分の他
の例を図３に示す。この図３において図２例と異なる点
は、ディザ信号印加回路１７に同期信号発生器２８を備
えたことである。同期信号発生器２８は、信号発生器２
１からの信号周期に同期した信号を発生し、その同期信
号をカウンタ１３及び処理部のタイミング制御回路２９
に送出する。カウンタ１３で計数するタイミングをディ
ザ信号の整数倍とすれば、ディザ信号のプラスマイナス
分を相殺させるのに理想的な状態となる。従って、この
図３例では同期信号発生器２８の同期信号からカウンタ
１３の計数タイミングを制御することとしている。また
、カウンタ１３と処理部のサンプリング周期にずれがあ
るとビート信号が発生することがあり好ましくない。 従って、この例では同期信号発生器２８の同期信号で処
理部のタイミング制御回路２９も同時に制御している。

【００２２】次にこのディザ信号印加回路１７部の更に
他の例を図４に示す。この図４では、ディザ信号印加回
路１７を加算器２０、バンドパスフィルタ３０及びフリ
ップフロップ回路３１より構成し、処理部のタイミング
制御信号２９からのクロック信号によって、ディザ信号
を生成している。即ち、フリップフロップ回路３１で図
５Ｂに示す如きタイミング制御回路２９からの図５Ａに
示す如きクロック信号の周波数に同期した矩形波を作り
出し、バンドパスフィルタ３０を通すことによって、こ
の矩形波から図５Ｃに示す如き正弦波を生成する。同時
にタイミング制御信号２９からのクロック信号によって
、カウンタ１３の計数タイミングを制御している。この
ように、構成することにより、図３例と同様不要なビー
ト信号の発生を防止でき、ディザ信号の相殺も理想的に
行うことが出来る。

【００２３】尚、ディザ信号は正弦波に限らず交番的に
振動を繰り返すものであれば同様に適用可能である。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、その他種々の構成を採り得ることは勿
論である。

【００２４】

【発明の効果】本発明によればセロダイン波発生回路の
前段に交番振動を印加するディザ信号印加回路を設ける
こととしたので、スケールファクタ誤差の発生及び不感
領域の発生を防ぐことができ、高精度な光ファイバジャ
イロとすることができる。さらに、ディザ信号の周波数
、振幅は高精度である必要がないためディザ信号印加回
路は安価な部品で構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明光ファイバジャイロの一実施例を示す構
成図である。

【図２】本発明の要部の例を示す構成図である。

【図３】本発明の要部の例を示す構成図である。

【図４】本発明の要部の例を示す構成図である。

【図５】図４の説明に供する線図である。

【図６】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７】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。

【図８】図７の説明に供する線図である。

【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 １１，１２　　積分器 １３　　カウンタ １４　　リセット回路 １５　　２π基準器 １６　　セロダイン変調器 １７　　ディザ信号印加回路

Claims (1)

【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、前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、前記セロダイン波発生
   回路の前段に交番振動を印加するディザ信号印加回路を
   設けることを特徴とする光ファイバジャイロ。