JPH06103189B2 - 光干渉角速度計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、リニア位相ランプ方式による零位法セロダ
イン変調方式の光干渉角速度計に関する。

「従来の技術」 広ダイナミックレンジおよび低ドリフトの光干渉角速度
計として、光ファイバコイルの一端側および他端側に、
それぞれ光導波路に対して一対の電極が形成されて構成
されたバイアシング位相変調器およびランプ位相変調器
を設け、そのバイアシング位相変調器およびランプ位相
変調器に位相変調用のバイアシング電圧および鋸歯状波
電圧を印加して、それぞれ光ファイバコイルを伝搬する
二つの光の間に位相差を与えるとともに、光検出器の出
力から光ファイバコイルを伝搬して干渉する二つの光の
間の位相差を検出し、その検出出力によって、その位相
差が所定値になるように上記の鋸歯状波電圧の極性と周
波数を制御するものが考えられている。

第７図は、従来の、このようなリニア位相ランプ方式に
よる零位法セロダイン変調方式の光干渉角速度計の一例
である。

光源11からの光１が光結合器13および偏光子14を通じて
光分岐結合器15に供給されて二つの光5a,5bに分岐さ
れ、その二つの光5a,5bが、一方の光5aは光ファイバコ
イル17の一端17aから、他方の光5bは光ファイバコイル1
7の他端17bから、それぞれ光ファイバコイル17に供給さ
れて、一方の光5aは右回り光として、他方の光5bは左回
り光として、それぞれ光ファイバコイル17を伝搬し、こ
の光ファイバコイル17を伝搬した二つの光7a,7bが、一
方の光7aは光ファイバコイル17の他端17bから、他方の
光7bは光ファイバコイル17の一端17aから、それぞれ光
分岐結合器15に供給されて互いに干渉し、その得られた
干渉光９が偏光子14および光結合器13を通じて光検出器
19に供給されて電気信号に変換される点は、一般の光干
渉角速度計と同じである。

そして、光分岐結合器15と光ファイバコイル17の一端17
aとの間にバイアシング位相変調器21が配されるととも
に、光分岐結合器15と光ファイバコイル17の他端17bと
の間にランプ位相変調器22が配され、バイアシング電圧
発生部を構成する信号発生部30からバイアシング位相変
調器21にバイアシング電圧Biが印加されてバイアシング
位相変調器21において光ファイバコイル17の一端17aか
ら光ファイバコイル17に供給される光5aおよび光ファイ
バコイル17の他端17bから光ファイバコイル17を伝搬し
て光ファイバコイル17の一端17aから光分岐結合器15に
供給される光7bの位相が偏移されるとともに、鋸歯状波
電圧発生部40からランプ位相変調器22に鋸歯状波電圧Ra
が印加されてランプ位相変調器22において光ファイバコ
イル17の他端17bから光ファイバコイル17に供給される
光5bおよび光ファイバコイル17の一端17aから光ファイ
バコイル17を伝搬して光ファイバコイル17の他端17bか
ら光分岐結合器15に供給される光7aの位相が偏移され、
光検出器19の出力Vaが位相差検出制御部50に供給されて
位相差検出制御部50において光分岐結合器15において干
渉する二つの光7a,7bの間の位相差Δφが検出され、位
相差検出制御部50の出力Veが鋸歯状波電圧発生部40に供
給されて、上記の位相差Δφが所定値になるように、す
なわち、上記の位相差Δφからバイアシング位相変調器
21にバイアシング電圧Biが印加されることによって生じ
る位相差を除いた、光ファイバコイル17に入力角速度Ω
が加えられることによって生じるサニャック位相差Δφ
ｓとランプ位相変調器22に鋸歯状波電圧Raが印加される
ことによって生じる位相差Δφｒの和の位相差Δφｏが
ゼロまたは２πラジアンの整数倍になるように、一般に
はゼロになるように、鋸歯状波電圧Raの極性と周波数が
制御される。

バイアシング電圧Biは、光5a,5bが光ファイバコイル17
を伝搬するのに要する時間τを半周期とする、すなわち
fm＝1/2τの周波数の正弦波電圧または矩形波電圧で、
これによるバイアシング位相変調器21における位相変調
は、光ファイバコイル17を伝搬して干渉する二つの光7
a,7bの間に±π/2ラジアンの位相差を与えて光干渉角速
度計の動作点を設定するものである。

鋸歯状波電圧Raは、第８図の左側または右側に示すよう
に正または負になるもので、これによるランプ位相変調
器22における位相変調は、光ファイバコイル17を伝搬し
て干渉する二つの光7a,7bの間に最大で2kπラジアン
（ｋ＝±1,±２……）になる、一般には最大で±２πラ
ジアンになる位相差Δφｒを与えて上記のようにサニャ
ック位相差Δφｓを打ち消すものである。

すなわち、光分岐結合器15において干渉する二つの光7
a,7bの間の位相差Δφからバイアシング位相変調器21に
バイアシング電圧Biが印加されることによって生じるも
のを除いたものは、上述したように Δφｏ＝Δφｓ＋Δφｒ ……（１） で表されるが、そのサニャック位相差Δφｓは、周知の
ように で表される。ただし、Ｒは光ファイバコイル17の半径、
Ｌは光ファイバコイル17における光ファイバ長、λは光
ファイバコイル17を伝搬する光5a,5bの波長、Ｃは真空
中における光速である。

そして、ランプ位相変調器22においては、光ファイバコ
イル17の他端17bから光ファイバコイル17に供給される
光5bが、その時の鋸歯状波電圧Raの値に応じた位相偏移
φｂを受け、さらに時間τを経て、光ファイバコイル17
の一端17aから光ファイバコイル17を伝搬して光ファイ
バコイル17の他端17bから光分岐結合器15に供給される
光7aが、その時の鋸歯状波電圧Raの値に応じた位相偏移
φａを受けるが、入力角速度Ωが右回り方向に加えられ
てサニャック位相差Δφｓが負になるときには、位相差
検出制御部50の出力Veによって鋸歯状波電圧Raが第８図
の左側に示すように正にされ、上記の位相偏移φａおよ
びφｂが第９図の左側に示すような関係になって、ラン
プ位相変調器22に鋸歯状波電圧Raが印加されることによ
って生じる位相差Δφｒが第10図の左側にも示すように
正になり、入力角速度Ωが左回り方向に加えられてサニ
ャック位相差Δφｓが正になるときには、位相差検出制
御部50の出力Veによって鋸歯状波電圧Raが第８図の右側
に示すように負にされ、上記の位相偏移φａおよびφｂ
が第９図の右側に示すような関係になって、上記の位相
差Δφｒが第10図の右側にも示すように負になる。

したがって、鋸歯状波電圧Raの周期をＴ、周波数をｆ_Ｒ
とすると、第９図から明らかなように となり、光ファイバコイル17における光の屈折率をｎと
すると、 の関係があるので、 となる。したがって、（１）式で表される位相差Δφｏ
がゼロになるように、すなわち Δφｒ＝−Δφｓ ……（６） となるように鋸歯状波電圧Raの極性と周波数ｆ_Ｒが制御
されることによって、 となり、 で表される。ただし、入力角速度Ωが負方向である右回
り方向に加えられて鋸歯状波電圧Raが正になるときには
ｋが＋１になり、入力角速度Ωが正方向である左回り方
向に加えられて鋸歯状波電圧Raが負になるときにはｋが
−１になる。

したがって、鋸歯状波電圧Raの極性と周波数ｆ_Ｒから入
力角速度Ωの方向と大きさを計測することができる。

「発明が解決しようとする課題」 上述したランプ位相変調器22のような位相変調器は、一
般に、ニオブ酸リチウムなどからなる電気光学結晶にチ
タンの拡散などによって光導波路を形成するとともに、
変調用の電圧を印加する一対の電極を形成して構成する
が、このような位相変調器における光の位相偏移量は、
電気光学結晶の電気光学定数γと印加電圧Vpとの積γVp
に比例し、しかも、その電気光学定数γは、温度依存性
があり、電気光学結晶のカット方向によって多少異なる
が、500ppm/℃程度の温度係数を有する。したがって、
位相変調器における光の位相偏移量は、印加電圧Vpが同
じでも温度によって変化する。

つまり、第12図に示すように鋸歯状波電圧Raのピーク電
圧Vpが±Vpに固定されていたとしても、ランプ位相変調
器22の電気光学定数γが温度によって変化するから、ラ
ンプ位相変調器22の位相変移量は第13図に点線で示すよ
うに変化してしまう不都合がある。第13図において鋸歯
状波Ａは温度の上昇によって電気光学定数γが基準温度
15゜の場合の値より大きい方向に変化した場合のランプ
位相変調器22の位相偏移を示す。電気光学定数γの値が
大きくなることにより位相偏移量の絶対値は大きくなる
方向に変化する。

これに対し鋸歯状波Ｂは電気光学定数γが基準温度15℃
の場合の値より小さくなった場合のランプ位相変調器22
の位相偏移を示す。電気光学定数γの値が小さくなるこ
とによりランプ位相変調器22の位相偏移量の絶対値は小
さくなる方向に変化する。

この最大位相偏移量の変動により、光ファイバコイル17
を互いに逆廻りする２つの光7a及び7bにランプ位相変調
器22が与える位相差Δφγは第14図に拡大して示すよう
にΔφγ′に変化する。このΔφγ′は図示する例のよ
うに温度変化によって最大位相偏移量が＋Δφに増加す
る方向にずれた場合は、実線で示す正規の位相偏移φ_7a
及びφ_7bに対し、変動後の点線で示す位相偏移φ_7a′及
びφ_7b′は正規の位相偏移φ_7a及びφ_7bより傾斜が急に
なっているためΔφγ＜Δφγ′の関係となる。

この結果、（１）式に示したΔφ_ｏ＝Δφ_ｓ＋Δφγの
Δφ_ｏはΔφ_ｏ≠０となる。最大位相偏移量のずれが−
Δφの方向に変動した場合にはΔφγ′は正規のΔφγ
に対しΔφγ＞Δφγ′の関係となり、Δφ_ｏは同様に
Δφ_ｏ≠０となる。また負の鋸歯状波の場合も最大位相
偏移量が2Kπからずれると、同様にしてΔφ_ｏ≠０とな
る。

従ってランプ位相変調器22の位相偏移量が±2Kπからず
れることにより、入力角速度Ωと鋸歯状波電圧Raの周波
数ｆ_Ｒとの関係が（７）式ないし（８）式の関係からず
れて、光干渉角速度計の出力にスケールファクタエラー
を生じる不都合がある。

第11図は、従来の光干渉角速度計における、このスケー
ルファクタエラーの実測値を示し、15℃において最大位
相偏移が±２πラジアンになるように鋸歯状波電圧Raの
波高値が設定された場合で、光干渉角速度計の温度が15
℃に対して±70℃ずれると、最大位相偏移が±２πラジ
アンから±3.5％程度ずれ、スケールファクタエラーが
±0.13％程度にもなる。

そこで、この発明は、リニア位相ランプ方式による零位
法セロダイン変調方式の光干渉角速度計において、ラン
プ位相変調器の定数の温度による変化によって光干渉角
速度計の出力に生じるスケールファクタエラーを全温度
範囲にわたって著しく小さくすることができるようにし
たものである。

「課題を解決するための手段」 この発明においては、ランプ位相変調器22の位相偏移量
が±2Kπラジアンからずれたことを検出し、この検出信
号によって鋸歯状波電圧Raのピーク電圧Vpの値を増加方
向或いは減少方向に補正し、この補正によってランプ位
相変調器22の位相偏移量を常に±2Kπラジアンの状態に
維持する制御を行なうように構成するものである。

ランプ位相変調器22の位相偏移量が±2Kπラジアンから
ずれたことを検出する手段としてはバイアシング電圧信
号を基準信号として光検出器の検出信号を同期検波する
同期検波回路によって構成することができる。

その理由を第３図を用いて予め説明する。光検出器に２
つの光がバイアシング電圧信号Biによって＋π/2と−π
/2の位相差を与えられて入力されるとき、（１）式に示
したΔφ_ｏ＝Δφ_ｓ＋ΔφγのΔφ_ｏがΔφ_ｏ＝０であ
った場合（ランプ位相変調器の最大位相偏移量が±2Kπ
に合致している場合）には入力光2Cの位相はΔφ_ｏ＝０
を中心に＋π/2と−π/2の間を往復し、その干渉光の強
度（光電変換した電気信号と同じ）ＩはI₀/2を維持す
る。つまり一定の強度を維持する。

これに対し（１）式のΔφ_ｏが第３に2aで示すようにΔ
φ_ｏ＞０の方向にずれたとすると、入力光2aの位相は＋
Δφ_ｏを中心に振れるため、干渉光の強度Ｉは強度I₁と
I₂の間（I₁＜I₂）を往復する。I₁＜I₂であるがために干
渉光の強度は波形3aに示すように、二値的に変動する。
Δφ_ｏがΔφ_ｏ＜０の方向にずれた場合は入力光2bの位
相は−Δφ_ｏを中心に振れるため、干渉光の強度ＩはI₃
とI₄の間（I₃＞I₄）を往復する。I₃＜I₄であるために干
渉光の強度は波形3aに示すように二値的に変動する。波
形3aと3bは干渉光の強度がI₁＜I₃、及びI₂＜I₄であるこ
とから位相の関係は逆転する。つまり第３図に示すバイ
アシング電圧信号Biに・点を付した位相をバイアシング
電圧信号Biの基準位相にすると、干渉光の強度3aと3bの
位相は全く逆の位相関係となる。従って干渉光の強度3a
を電気信号と見なしてバイアシング電圧信号Biで同期検
波したとき、同期検波出力が図示するようにバイアス電
圧Vbより増加したとすると、これと逆相の干渉光の強度
3bを同期検波した場合にはバイアス電圧Vbより減少する
方向の同期検波出力が得られる。

この結果、光検出器から出力される干渉光の光電変換出
力をバイアシング電圧信号Biを基準位相信号として同期
検波することにより、その同期検波出力がバイアス電圧
Vbである間はランプ位相変調器の位相偏移量が±2Kπに
合致している状態であることが解る。

これに対し、同期検波出力がバイアス電圧Vbからプラス
方向及びマイナス方向に変動したときはランプ位相変調
器の位相偏移量が±2Kπからずれたことが解る。

更に具体的に説明するならば入力角速度Ωが右廻りで鋸
歯状波電圧Raが正極性のとき、位相差検出力がバイアス
電圧Vpよりプラス側にずれたとすると、Δφ_ｏ＝−Δφ
_ｓ＋ΔφγよりΔφγが正規の値より大きくなる方向に
ずれて、Δφ_ｏ＞０であることが解る。この場合はラン
プ位相変調器の最大位相偏移量は2Kπラジアンから＋Δ
φ方向にずれていることに対応する。

鋸歯状波電圧Raが正極性で、同期検波出力がバイアス電
圧Vpよりマイナス方向にずれた場合は、Δφ_ｏ＝−Δφ
_ｓ＋Δφγより、Δφγが小さくなる方向にずれて、Δ
φ_ｏ＜０であることが解る。この場合はランプ位相変調
器の最大位相偏移量は2Kπラジアンから−Δφ方向にず
れたことに対応する。

鋸歯状波電圧Raの極性が負極性の場合は、これらの関係
は逆となる。つまり同期検波出力がバイアス電圧Vpより
プラス側にずれた場合には、Δφ_ｏ−Δφ_ｓ−Δφγよ
り、Δφγが正規の値より小さくなる方向にずれて、Δ
φ_ｏ＞０であることが解り、この場合はランプ位相変調
器の最大位相偏移量は−2Kπラジアンから絶対値が小さ
くなる方向にずれたことに対応する。

同様に同期検波出力がバイアス電圧Vpよりマイナス側に
ずれた場合にはΔφ_ｏ＝Δφ_ｓ−Δφγより、Δφγが
正規の値より大きくなる方向にずれて、Δφ_ｏ＜０であ
ることが解り、この場合はランプ位相変調器の最大位相
偏移量は−2Kπラジアンから絶対値が大きくなる方向に
ずれたことに対応する。

同期検波回路はよく知られているように、基準信号の周
波数（パルス幅）と同じ周波数成分を同期検波する。従
って同期検波回路はバイアシング電圧信号Biと半サイク
ルの期間τと等しい図10に示すPbの期間τで同期検波動
作を行い、その同期検波出力の極性と大きさによって温
度変動に起因するランプ位相変調器の最大位相偏移量の
ずれ量とずれの方向を知ることができる。

従って同期検波回路の同期検波出力からバイアス電圧Vb
を除去し、バイアス電圧Vbからプラス方向に変化した同
期検波出力と、マイナス方向に変化した同期検波出力
を、正増分検出回路及び負増分検出回路で取出し、この
正増分検出回路及び負増分検出回路で別々に取出した検
出信号を加算回路で一つの系路の信号に集約し、その集
約した信号を積分器で平滑化し、この平滑化した電圧信
号を鋸歯状波電圧発生器の基準電圧に重畳して与え、鋸
歯状波電圧発生器から発生する鋸歯状波のピーク電圧を
修正し、ランプ位相変調器の最大位相偏移量が±2Kπラ
ジアンに維持されるように制御する。

「実施例」 第１図は、この発明の光干渉角速度計の一例である。

光源11、光結合器13、偏光子14、光分岐結合器15、光フ
ァイバコイル17、光検出器19、バイアシング位相変調器
21、ランプ位相変調器22、バイアシング電圧発生部を構
成する信号発生部30、鋸歯状波電圧発生部40および位相
差検出制御部50からなる系が設けられることは、第７図
に示した従来の光干渉角速度計と同じであり、その動作
も、後述するように鋸歯状波電圧Raの波高値が制御され
る点を除いては、第７図に示した従来の光干渉角速度計
と同じである。

ただし、バイアシング電圧Biとしては、光5a,5bが光フ
ァイバコイル17を伝搬するのに要する時間τを半周期と
する、すなわちfm＝1/2τの周波数の第２図に示すよう
な矩形波電圧が用いられる。

また、鋸歯状波電圧発生部40は、この例においては、コ
ンデンサ41と、鋸歯状波電圧発生部40の入力電圧である
位相差検出制御部50の出力電圧Veを電流に変換してコン
デンサ41に供給する電圧電流変換回路42と、コンデンサ
41の放電用のスイッチ43と、コンデンサ41の充電電圧を
正の基準電圧＋Vprと比較する電圧比較回路45と、コン
デンサ41の充電電圧を負の基準電圧−Vmrと比較する電
圧比較回路46と、電圧比較回路45および46の出力の論理
和を得るオアゲート47と、オアゲート47の出力によって
トリガーされてスイッチ43をオンにする単安定マルチバ
イブレータ48とによって構成されて、位相差検出制御部
50の出力電圧Veが正になるときには、コンデンサ41が正
に充電され、その充電電圧が基準電圧＋Vprに達する
と、電圧比較回路45の出力、したがってオアゲート47の
出力が低レベルから高レベルに立ち上がって単安定マル
チバイブレータ48がトリガーされ、スイッチ43がオンに
されてコンデンサ41が放電される動作が繰り返されるこ
とによって、コンデンサ41の両端間に鋸歯状波電圧Raと
して最大値が基準電圧＋Vprに等しい正の鋸歯状波電圧
が得られ、位相差検出制御部50の出力電圧Veが負になる
ときには、コンデンサ41が負に充電され、その充電電圧
が基準電圧−Vmrに達すると、電圧比較回路46の出力、
したがってオアゲート47の出力が低レベルから高レベル
に立ち上がって単安定マルチバイブレータ48がトリガー
され、スイッチ43がオンにされてコンデンサ41が放電さ
れる動作が繰り返されることによって、コンデンサ41の
両端間に鋸歯状波電圧Raとして最小値が基準電圧−Vmr
に等しい負の鋸歯状波電圧が得られる。

この場合、スイッチ43としては電界効果トランジスタな
どのようにオフ状態のときのリーク電流およびオン状態
のときの抵抗が十分小さいスイッチング素子が用いられ
るとともに、スイッチ43がオンにされる時間、すなわち
鋸歯状波電圧Raのフライバック時間が十分短くなるよう
に単安定マルチバイブレータ48の時定数が設定される。

また、この例においては、位相差検出制御部50において
は、光検出器19の出力Vaが周波数混合回路51に供給され
て、信号発生部30から得られる。バイアシング電圧Biの
周波数であるfmに対してfmより十分低い周波数frだけ高
いfca＝fm＋frの周波数の信号Scaと混合されて、周波数
混合回路51の出力Vcとして、光検出器19の出力Va中のfm
の周波数の成分がfrの周波数に変換された成分Vrや、光
検出器19の出力Va中の2fmの周波数の成分がfcb−fm−fr
の周波数に変換された成分などを含むものが得られ、こ
の周波数混合回路51の出力Vcがfrを中心周波数とする帯
域通過フィルタ52に供給されて、帯域通過フィルタ52か
ら、frの周波数の成分Vrのみが、すなわち光検出器19の
出力Va中のfmの周波数の成分がfrの周波数に変換された
もののみが取り出され、この帯域通過フィルタ52の出力
のfrの周波数の成分Vrが交流アンプ53において十分なレ
ベルに増幅されたのち同期検波回路54に供給されて、信
号発生部30から得られるfrの周波数の基準信号Srによっ
て同期検波されて、同期検波回路54から、後述するとこ
ろから明らかなように、 Vd＝Kd・sinΔφｏ ……（９） で表される検波出力が得られ（Kdは定数である）、この
同期検波回路54の出力VdがPIDフィルタ（比例積分微分
フィルタ）55に供給され、PIDフィルタ55の出力Veが位
相差検出制御部50の出力として鋸歯状波電圧発生部40に
供給されて、（１）式で表される位相差Δφｏがゼロに
なるように鋸歯状波電圧Raの極性と周波数ｆ_Ｒが制御さ
れる。

光分岐結合器15から得られる干渉光９の強度Ｉは、光分
岐結合器15において干渉する二つの光7a,7bの間の位相
差Δφｏの関数として、第３図にも示すように、 で表される。ただし、Ioは最大強度である。そして、サ
ニャック位相差Δφｓとランプ位相変調器22に鋸歯状波
電圧Raが印加されることによって生じる位相差Δφｒの
和の位相差Δφｏがゼロであるときには、矩形波電圧で
あるバイアシング電圧Biによるバイアシング位相変調器
21における位相変調によって上記の位相差Δφが第３図
の線2cで示すようにΔφ_ｏ＝０を中心に二値的に変化
し、干渉光９の強度Ｉが同図の線3cで示すように一定に
なるのに対して、温度変動によりランプ位相変調器22の
最大位相偏移量が±2Kπラジアンからずれて位相差Δφ
ｏがゼロでなく正または負であるときには、上記の位相
差Δφ_ｏが第３図の線2aまたは2bで示すようにその正ま
たは負である位相差Δφｏを中心に二値的に変化し、干
渉光９の強度Ｉが同図の線3aまたは3bで示すように位相
差Δφｏの極性と大きさに応じて二値的に変化する。

位相差検出制御部50においては、このように強度Ｉが変
化する干渉光９を検出する光検出器19の出力Va中のバイ
アシング電圧Biの周波数fmの成分がfrの周波数に変換さ
れたうえでfrの周波数の基準信号Srによって同期検波さ
れることによって、等価的に光検出器19の出力Va中のバ
イアシング電圧Biの周波数fmの成分がバイアシング電圧
Biによって同期検波されることになり、同期検波回路54
の出力Vdとして（９）式で表される検波出力が得られ
る。

そして、この発明においては、鋸歯状波電圧発生部40に
対して波高値制御部60が設けられる。

波高値制御部60は、この例においては、正の電圧＋Vpo
が得られる電圧源61と、負の電圧−Vmoが得られる電圧
源62と、光検出器19の出力Vaの信号発生部30から得られ
るバイアシング電圧Biによって同期検波する同期検波回
路63と、同期検波回路63の出力Voが供給されるバッファ
アンプ64と、バッファアンプ64を介して得られる同期検
波回路63の出力Vo中の正の増分を取り出す正増分検出回
路65と、バッファアンプ64を介して得られる同期検波回
路63の出力Vo中の負の増分を取り出す負増分検出回路66
と、正増分検出回路65の出力Vxと負増分検出回路66の出
力Vyを加算する加算回路67の出力Vzを積分する積分回路
68と、電圧源61からの電圧＋Vpoに対して積分回路68の
出力電圧Vtを補正電圧として加算する加算回路71と、電
圧源62からの電圧−Vmoに対して積分回路68の出力電圧V
tを補正電圧として加算する加算回路72とによって構成
され、加算回路71および72の出力電圧が、それぞれ鋸歯
状波電圧発生部40の上述した電圧比較回路45および46に
対する基準電圧＋Vprおよび−Vmrとされる。

ここで、電圧＋Vpoおよび−Vmoは、光干渉角速度計の温
度が基準温度とする例えば15℃で、後述するように積分
回路68の出力電圧Vtがゼロになり、電圧＋Vpoおよび−V
moがそのまま基準電圧＋Vprおよび−Vmrとなって、鋸歯
状波電圧Raとして正の鋸歯状波電圧が得られるときの鋸
歯状波電圧Raの最大値が電圧＋Vpoとなり、鋸歯状波電
圧Raとして負の鋸歯状波電圧が得られるときの鋸歯状波
電圧Raの最小値が電圧−Vmoとなるとき、ランプ位相変
調器22における光の最大位相偏移がそれぞれ＋２πラジ
アンまたは−２πラジアンになるような値に設定され
る。

また、一例として、正増分検出回路65は、オペアンプ8
1、コンデンサ82およびダイオード83が図示するように
接続されて構成され、負増分検出回路66は、オペアンプ
84、コンデンサ85およびダイオード86が図示するように
接続されて構成され、加算回路67は、オペアンプ87と抵
抗88x,88yおよび89が図示するように接続されて構成さ
れる。

上述した例の波高値制御部60においては、同期検波回路
63の出力Voに正の増分も負の増分も生じないときには正
増分検出回路65のコンデンサ82および負増分検出回路66
のコンデンサ85には出力Voのバイアス分Vbが蓄積される
が、第４図の左側に示すように同期検波回路63の出力Vo
に正の増分Vopを生じると、その正の増分Vopを生じた期
間においてはオペアンプ81および84の出力が負になって
ダイオード83がオフになるとともにダイオード86がオン
になるので、正増分検出回路65の出力Vxとして同期検波
回路63の出力Vo中の正の増分Vopがそのまま現れるとと
もに、負増分検出回路66の出力Vyがゼロ（接地電位）に
なり、加算回路67の出力Vzに負の成分Vzmを生じて、積
分回路68の出力電圧Vtが正になる。逆に、第４図の右側
に示すように同期検波回路63の出力Voに負の増分Vomを
生じると、その負の増分Vomを生じた期間においてはオ
ペアンプ81および84の出力が正になってダイオード83が
オンになるとともにダイオード86がオフになるので、正
増分検出回路65の出力Vxがゼロになるとともに、負増分
検出回路66の出力Vyとして同期検波回路63の出力Vo中の
負の増分十omがそのまま現れ、加算回路67の出力Vzに正
の成分Vzpを生じて、積分回路68の出力電圧Vtが負にな
る。同期検波回路63の出力Voに正の増分も負の増分も生
じないときには、正増分検出回路65の出力Vxおよび正増
分検出回路66の出力Vyがともにゼロになり、加算回路67
の出力Vzに負の成分も正の成分も生じず、積分回路68の
出力電圧Vtがゼロになる。

上述したようにバイアシング位相変調器21においてバイ
アシング電圧Biによって光分岐結合器15において干渉す
る二つの光7a,7bの間に±π/2ラジアンの位相差を与え
る位相変調がなされ（位相差および位相偏移の単位はす
べてラジアンで、以下においてはその単位を省略す
る）、かつ位相差検出制御部50によって（１）式で表さ
れる位相差Δφｏがゼロになるように鋸歯状波電圧発生
部40からランプ位相変調器22に印加される鋸歯状波電圧
Raの極性と周波数ｆ_Ｒが制御された状態で、光干渉角速
度計の温度が上述した基準温度に一致し、ランプ位相変
調器22における光の最大位相偏移が＋２πまたは−２π
になる場合においては、光分岐結合器15において干渉す
る二つの光7a,7bの間の位相差Δφｏは、入力角速度Ω
が負方向である右回り方向に加えられてサニャック位相
差Δφｓが負になり、鋸歯状波電圧Raが第８図の左側に
示すように正にされてランプ位相変調器22に鋸歯状波電
圧Raが印加されることによって生じる位相差Δφｒが第
９図ないし第10図の左側に示すように正になるときに
は、第５図のケースＩ（１）で示すように変化し、入力
角速度Ωが正方向である左回り方向に加えられてサニャ
ック位相差Δφｓが正になり、鋸歯状波電圧Raが第８図
の右側に示すように負にされて上記の位相差Δφｒが第
９図ないし第10図の右側に示すように負になるときに
は、第５図のケースＩ（２）で示すように変化する。

また、上記の状態で、光干渉角速度計の温度が基準温度
より低く、ランプ位相変調器22の定数の温度による変化
によってランプ位相変調器22における光の最大位相偏移
の絶対値が２πより小さくなる場合においては、光分岐
結合器15において干渉する二つの光7a,7bの間の位相差
Δφは、ランプ位相変調器22に鋸歯状波電圧Raが印加さ
れることによって生じる位相差Δφｒが第９図ないし第
10図の左側に示すように正になるときには、第５図のケ
ースII（１）で示すように変化し、位相差Δφｒが第９
図ないし第10図の右側に示すように負になるときには、
第５図のケースII（２）で示すように変化する。

逆に、上記の状態で、光干渉角速度計の温度が基準温度
より高く、ランプ位相変調器22の定数の温度による変化
によってランプ位相変調器22における光の最大位相偏移
の絶対値が２πより大きくなる場合においては、光分岐
結合器15において干渉する二つの光7a,7bの間の位相差
Δφは、ランプ位相変調器22に鋸歯状波電圧Raが印加さ
れることによって生じる位相差Δφｒが第９図ないし第
10図の左側に示すように正になるときには、第５図のケ
ースIII（１）で示すように変化し、位相差Δφｒが第
９図ないし第10図の右側に示すように負になるときに
は、第５図のケースIII（２）で示すように変化する。

ただし、それぞれのケースは、バイアシング電圧Biによ
って＋π/2の位相差が与えられる時と−π/2の位相差が
与えられる時と分けて示しており、その期間PaおよびPb
は、第10図に示したそれである。

したがって、光分岐結合器15から得られる干渉光９の強
度Ｉは、それぞれのケースにおいて第６図に示すように
なる。

すなわち、光干渉角速度計の温度が基準温度に一致し、
ランプ位相変調器22における光の最大位相偏移が＋２π
または−２πになる場合においては、ケースＩ（１）で
示すように位相差Δφｒが正になるときには、ケースＩ
（２）で示すように位相差Δφｒが負になるときにも、
バイアシング電圧Biによって＋π/2の位相差が与えられ
るか−π/2の位相差が与えられるかにかかわらず、期間
Paと期間Pbを通じて干渉光９の強度Ｉは一定になる。

また、光干渉角速度計の温度が基準温度より低く、ラン
プ位相変調器22における光の最大位相偏移の絶対値が２
πより小さくなる場合においては、ケースII（１）で示
すように位相差Δφｒが正になるときには、バイアシン
グ電圧Biによって＋π/2の位相差が与えられる時には干
渉光９の強度Ｉが期間Pbにおいて小さくなるとともに、
バイアシング電圧Biによって−π/2の位相差が与えられ
る時には干渉光９の強度Ｉが期間Pbにおいて大きくな
り、ケースII（２）で示すように位相差Δφｒが負にな
るときには、逆に、バイアシング電圧Biによって＋π/2
の位相差が与えられる時には干渉光９の強度Ｉが期間Pb
において大きくなるとともに、バイアシング電圧Biによ
って−π/2の位相差が与えられる時には干渉光９の強度
Ｉが期間Pbにおいて小さくなる。

逆に、光干渉角速度計の温度が基準温度より高く、ラン
プ位相変調器22における光の最大位相偏移の絶対値が２
πより大きくなる場合においては、ケースIII（１）で
示すように位相差Δφｒが正になるときには、上記のケ
ースII（１）とは逆に、すなわち上記のケースII（２）
と同様に、バイアシング電圧Biによって＋π/2の位相差
が与えられる時には干渉光９の強度Ｉが期間Pbにおいて
大きくなるとともに、バイアシング電圧Biによって一π
/2の位相差が与えられる時には干渉光９の強度Ｉが期間
Pbにおいて小さくなり、ケースIII（２）で示すように
位相差Δφｒが負になるときには、逆に、上記のケース
II（１）と同様に、すなわち上記のケースII（２）とは
逆に、バイアシング電圧Biによって＋π/2の位相差が与
えられる時には干渉光９の強度Ｉが期間Pbにおいて小さ
くなるとともに、バイアシング電圧Biによって−π/2の
位相差が与えられる時には干渉光９の強度Ｉが期間Pbに
おいて大きくなる。

したがって、光干渉角速度計の温度が基準温度に一致
し、ランプ位相変調器22における光の最大位相偏移が＋
２πまたは−２πになる場合においては、ケースＩ
（１）で示すように位相差Δφｒが正になるときにも、
ケースＩ（２）で示すように位相差Δφｒが負になると
きにも、波高値制御部60の同期検波回路63の出力Voに正
の増分も負の増分も生じないとともに、同期検波回路63
において同期検波用のバイアシング電圧Biが所定の極性
にされることによって、光干渉角速度計の温度が基準温
度より低く、ランプ位相変調器22における光の最大位相
偏移の絶対値が２πより小さくなる場合においては、ケ
ースII（１）で示すように位相差Δφｒが正になるとき
には、期間Pbにおいて第４図の左側に示したように同期
検波回路63の出力Voにランプ位相変調器22における光の
最大位相偏移の絶対値の２πからのずれに応じたレベル
の正の増分Vopを生じ、ケースII（２）で示すように位
相差Δφｒが負になるときには、期間Pbにおいて第４図
の右側に示したように同期検波回路63の出力Voにランプ
位相変調器22における光の最大位相偏移の絶対値の２π
からのずれに応じたレベルの負の増分Vomを生じ、光干
渉角速度計の温度が基準温度より高く、ランプ位相変調
器22における光の最大位相偏移の絶対値が２πより大き
くなる場合においては、ケースIII（１）で示すように
位相差Δφｒが正になるときには、期間Pbにおいて同期
検波回路63の出力Voにランプ位相変調器22における光の
最大位相偏移の絶対値の２πからのずれに応じたレベル
の負の増分Vomを生じ、ケースIII（２）で示すように位
相差Δφｒが負になるときには、期間Pbにおいて同期検
波回路63の出力Voにランプ位相変調器22における光の最
大位相偏移の絶対値の２πからのずれに応じたレベルの
正の増分Vopを生じる。

そして、波高値制御部60においては、上述したように、
同期検波回路63の出力Voに正の増分も負の増分も生じな
いときには、積分回路68の出力電圧Vtがゼロになり、同
期検波回路63の出力Voに正の増分Vopを生じるときに
は、その正の増分Vopのレベルに応じたレベルで積分回
路68の出力電圧Vtが正になり、同期検波回路63の出力Vo
に負の増分Vomを生じるときには、その負の増分Vomのレ
ベルに応じたレベルで積分回路68の出力電圧Vtが負にな
る。

したがって、光干渉角速度計の温度が基準温度に一致
し、ランプ位相変調器22における光の最大位相偏移が＋
２πまたは−２πになる場合においては、ケースＩ
（１）で示すように位相差Δφｒが正になるときにも、
ケースＩ（２）で示すように位相差Δφｒが負になると
きにも、波高値制御部60の加算回路71および72の出力電
圧、すなわち鋸歯状波電圧発生部40の電圧比較回路45お
よび46に対する基準電圧＋Vprおよび−Vmrが、それぞれ
波高値制御部60の電圧源61および62からの電圧＋Vpoお
よび−Vmoに一致し、上述したところから明らかなよう
にランプ位相変調器22における光の最大位相偏移が＋２
πまたは−２πに維持される。

また、光干渉角速度計の温度が基準温度より低く、ラン
プ位相変調器22の定数の温度による変化によってランプ
位相変調器22における光の最大位相偏移の絶対値が２π
より小さくなる場合においては、ケースII（１）で示す
ように鋸歯状波電圧Raが正にされて位相差Δφｒが正に
なるときには、電圧比較回路45に対する基準電圧＋Vp
r、すなわち正にされる鋸歯状波電圧Raの最大値が、電
圧源61からの電圧＋Vpoより高い、ランプ位相変調器22
における光の最大位相偏移の絶対値の２πからのずれに
応じた値になり、ケースII（２）で示すように鋸歯状波
電圧Raが負にされて位相差Δφｒが負になるときには、
電圧比較回路46に対する基準電圧−Vmr、すなわち負に
される鋸歯状波電圧Raの最小値が、電圧源62からの電圧
−Vmoより低い、ランプ位相変調器22における光の最大
位相偏移の絶対値の２πからのずれに応じた値になるよ
うに、鋸歯状波電圧Raの波高値が大きくされ、ランプ位
相変調器22における光の最大位相偏移が＋２πまたは−
２πになる。

逆に、光干渉角速度計の温度が基準温度より高く、ラン
プ位相変調器22の定数の温度による変化によってランプ
位相変調器22における光の最大位相偏移の絶対値が２π
より大きくなる場合においては、ケースIII（１）で示
すように鋸歯状波電圧Raが正にされて位相差Δφｒが正
になるときには、電圧比較回路45に対する基準電圧＋Vp
r、すなわち正にされる鋸歯状波電圧Raの最大値が、電
圧源61からの電圧＋Vpoより低い、ランプ位相変調器22
における光の最大位相偏移の絶対値の２πからのずれに
応じた値になり、ケースIII（２）で示すように鋸歯状
波電圧Raが負にされて位相差Δφｒが負になるときに
は、電圧比較回路46に対する基準電圧−Vmr、すなわち
負にされる鋸歯状波電圧Raの最小値が、電圧源62からの
電圧−Vmoより高い、ランプ位相変調器22における光の
最大位相偏移の絶対値の２πからのずれに応じた値にな
るように、鋸歯状波電圧Raの波高値が小さくされ、ラン
プ位相変調器22における光の最大位相偏移が＋２πまた
は−２πになる。

このように、上述した光干渉角速度計においては、ラン
プ位相変調器22における光の最大位相偏移が全温度範囲
にわたって±２πに保持され、ランプ位相変調器22の定
数の温度による変化によって光干渉角速度計の出力に生
じるスケールファクタエラーが全温度範囲にわたって著
しく小さくなる。具体的には、ランプ位相変調器22にお
ける光の最大位相偏移の±２πからのずれは全温度範囲
にわたって±0.3％以下になり、ランプ位相変調器22の
定数の温度による変化によって光干渉角速度計の出力に
生じるスケールファクタエラーは全温度範囲にわたって
±0.01％以下になる。

なお、位相差検出制御部50においては、上述した例のよ
うに光検出器19の出力Va中のバイアシング電圧Biの周波
数fmの成分がfrの周波数に変換されたうえでfrの周波数
の基準信号Srによって同期検波される代わりに、光検出
器19の出力Vaが直接、バイアシング電圧Biまたはこれと
同じ周波数の矩形波信号によって同期検波され、あるい
は光検出器19の出力Va中のバイアシング電圧Biの周波数
fmの奇数倍の周波数の成分が同じ周波数の基準信号によ
って同期検波されてもよい。光検出器19の出力Vaが直
接、バイアシング電圧Biまたはこれと同じ周波数の矩形
波信号によって同期検波される場合には、その同期検波
回路を波高値制御部60の同期検波回路63と兼ねさせるこ
とができる。

また、位相差検出制御部50のPIDフィルタ55の代わりに
同様の機能を有するフィルタが用いられてもよい。

また、波高値制御部60の正増分検出回路65および負増分
検出回路66と加算回路67は、同期検波回路63の出力Voの
バイアス分Vbの変動にかかわらず出力Vo中の正の増分Vo
pおよび負の増分Vomのみを確実に取り出して加算するも
のであるが、それぞれの具体的な回路構成は図示したも
の以外に変更することができる。積分回路68も同様であ
る。

「発明の効果」 上述したように、この発明によれば、バイアシング電圧
として矩形波電圧を用いるとともに、特に特殊な波高値
制御部を設けることによって、ランプ位相変調器の定数
の温度による変化によって光干渉角速度計の出力に生じ
るスケールファクタエラーを全温度範囲にわたって著し
く小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の光干渉角速度計の一例を示す系統
図、第２図は、そのバイアシング電圧を示す波形図、第
３図は、そのバイアシング電圧によるバイアシング位相
変調器における位相変調による干渉する二つの光の間の
位相差の変化と干渉光の強度の変化の態様を示す図、第
４図は、その波高値制御部の各回路の出力の態様を示す
図、第５図は、その各場合における干渉する二つの光の
間の位相差の変化の態様を示す図、第６図は、その各場
合における干渉光の強度の変化の態様を示す図、第７図
は、従来の光干渉角速度計の一例を示す系統図、第８図
は、その鋸歯状波電圧を示す波形図、第９図および第10
図は、そのランプ位相変調器における光の位相偏移の態
様を示す図、第11図は、そのランプ位相変調器における
光の最大位相偏移の±２πラジアンからのずれに対する
光干渉角速度計の出力に生じるスケールファクタエラー
の関係を示す図、第12図はランプ位相変調器に与える鋸
歯状波電圧の波形を説明するための波形図、第13図は温
度変化によってランプ位相変調器の最大位相偏移量が変
動する様子を説明するための波形図、第14図はランプ位
相変調器の最大位相偏移量が変動した場合に誤差が発生
する様子を説明するための波形図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源と、 光ファイバコイルと、 上記光源からの光を二つに分岐して上記光ファイバコイ
   ルの一端および他端から上記光ファイバコイルに供給す
   るとともに、上記光ファイバコイルを伝搬した二つの光
   を干渉させる光分岐結合器と、 この光分岐結合器から得られる干渉光を検出する光検出
   器と、 上記光分岐結合器と上記光ファイバコイルの一端との間
   に配されたバイアシング位相変調器と、 このバイアシング位相変調器に印加される位相変調用の
   バイアシング電圧を発生するバイアシング電圧発生部
   と、 上記光分岐結合器と上記光ファイバコイルの他端との間
   に配されたランプ位相変調器と、 このランプ位相変調器に印加される位相変調用の鋸歯状
   波電圧を発生する鋸歯状波電圧発生部と、 上記光検出器の出力から上記光分岐結合器において干渉
   する二つの光の間の位相差を検出し、その検出出力によ
   って、その位相差が所定値になるように上記鋸歯状波電
   圧発生部を制御する位相差検出制御部と、 を備える光干渉角速度計において、 上記バイアシング電圧として矩形波電圧が用いられると
   共に、 上記光検出器の出力を上記バイアシング電圧またはこれ
   と同じ周波数の矩形波信号によって同期検波する同期検
   波回路と、この同期検波回路の出力中の正及び負の増分
   を取り出す手段と、この正及び負の増分信号により上記
   ランプ位相変調器における光の最大位相偏移が２πラジ
   アンの整数倍に成るように上記鋸歯状波電圧の波高値を
   制御する波高値制御部が設けられた、 光干渉角速度計。