JPH0660820B2 - フアイバ光学回転センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 この発明は、ジャイロスコープのような回転センサに関
し、特に拡大されたダイナミックレンジを有するファイ
バ光学回転センサに関する。

ファイバ光学回転センサは、典型的には、ファイバ光学
物質からなるループを備えており、ループのまわりを互
いに反対方向に伝播する光波が、これに結合される。ル
ープが回転すると、周知の「サグナック効果（Sagnac e
ffect）」により、互いに反対方向に伝播する波の間に
相対的に位相差が発生し、該位相差の量は、ループの回
転速度に対応するものである。この互いに反対方向に伝
播する波は、再結合されると、干渉して強め合いあるい
は弱め合いが起こり、ループの回転速度に応じた強度変
化を有する光学的出力信号を発生する。回転の検出は、
通常、この光学的出力信号の検出により達成される。

低い回転速度に対してのファイバ光学回転センサの感度
を向上させるために、様々な技術が開発されてきた。し
かしながら、これらの技術は、極めて大きな回転速度に
対しては役立たない。なぜならば、この出力機能は、様
々な回転速度において繰返し現われがちであり、そのた
め観察された特定の出力信号波形の原因となり得る同一
出力信号波形を有する、可能性のある回転速度の出力信
号から決定することができないからである。

この発明は、より大きな回転速度に対してファイバ光学
ジャイロスコープのダイナミックレンジを拡大する手段
を提供する。

発明の概要 この回転センサは、ａ）光源からの光を、検出ループの
まわりに反対方向に伝播する２個の波に分割し、かつ
ｂ）光学的出力信号を与えるために反対方向に伝播する
波を結合する、ファイバ光学方向性結合器のようなすべ
てのファイバ光学部品を備える。与えられた光、反対方
向に伝播する波および光学的出力信号の適切な偏光が、
ファイバ光学偏光器およびファイバ光学偏光制御器によ
り確立され、制御されかつ維持される。連続的なストラ
ンド（strand）からの光学的出力信号を該光学的信号の
強度に比例する電気信号を出力する光検出器に結合する
ために、第２のファイバ光学結合器が設けられている。

この回転センサの動作安定性および感度の改善は、第１
の位相変調器を用いる第１変調周波数における反対方向
に伝播する波の位相変調により、ならびに光学的出力信
号強度の第１調波成分を測定するための同期あるいは位
相検出装置を用いることにより達成される。ここに開示
された検出装置では、この第１調波成分の振幅は、ルー
プの回転速度に比例する。

ダイナミックレンジの拡大をもたらすこの検出装置の改
良点は、第１周波数の第２調波である他の周波数におけ
る逆方向に伝播する光信号を位相変調するための第２の
位相変調器を使用すること、ならびに第２調波位相変調
の振幅を制御するための帰還ループを使用することを含
む。帰還誤差信号は、光検出器およびロック−イン増幅
器を備える位相検出器により発生される。この帰還信号
は、光検出器からの出力信号中の第１調波成分の振幅に
比例する。帰還誤差修正変調器は、サグナック位相シフ
トにより生じる光学的出力信号中の第１調波成分の振幅
をキャンセルしあるいは制限するように、この帰還誤差
信号により、第２の位相変調器への第２の調波駆動信号
の振幅を制御する。

さらに他の改良は、回転により生じる光学的出力信号の
第１調波成分をキャンセルする、第２調波位相変調の振
幅に、位相機能により関連づけられる回転速度データ
を、メモリ内に記憶することを備える。サグナック効果
により生じる第１調波のキャンセルまたは制限に十分な
第２の調波の「相殺（キャンセレーション）」振幅な、
アドレスとしての相殺信号の振幅を用いるメモリをアク
セスすることにより回転速度に変換される。そのように
アクエセスされた回転速度データは、次に直接用いられ
ることができ、またはサグナック位相シフトもしくは回
転速度を表わすように翻訳され得る信号に変換され得
る。

（偏光変調により直接的にあるいは間接的のいずれかに
より）位相変調器により生じた光学的出力信号の奇数調
波における振幅変調が、特定の周波数における位相変調
器の動作により除去され得ることがわかった。用いられ
たこの検出装置は、奇数調波（すなわち第１調波）のみ
を検出するので、振幅変調により誘起された位相変調の
影響は、このような周波数における動作により除去され
得る。このことは、回転検出における大きな誤差源を除
去し、それによって回転センサの精度を向上させること
を意味する。

好ましい実施例の詳細な説明 この発明の好ましい実施例の議論を進める前に、この発
明において用いられる基本的な回転センサの議論が、改
良点を完全に理解するために必要である。第１図は、こ
の発明において用いられているような回転センサを示
す。この回転センサは、光ファイバ１２からなる連続的
な長さ部分すなわちストランドに、光を導くための光源
１０を含み、この光ファイバ１２の一部は検出ループ１
４となるように巻回されている。ここで用いられている
ように、参照番号１２は、光ファイバの全体の連続的な
ストランドを示すものであるが（Ａ，Ｂ，Ｃなどのよう
な）補助記号を有する参照番号１２は光ファイバ１２の
部分を示すものとする。

図示した実施例では、光源１０は、０．８２ミクロン程
度の波長を有する光を発生する、ガリウム砒素（Ｇａ−
Ａｓ）レーザを備える。特定の例によれば、光源１０
は、ニュージャージ州、サウスプレインフィールド、ハ
ドレーロード３００５のジェネラル・オプトロニクス・
コーポレーションにより市販されているモデルＧＯ−Ｄ
ＩＰレーザダイオードでよい。ストランド１２のような
ファイバ光学ストランドは、たとえば外径８０ミクロン
およびコア径４ミクロンのような単一モード光ファイバ
であることが好ましい。ループ１４は、スプールあるい
は他の適当な支持部（図示せず）のまわりに巻回された
ファイバ１２の複数個の巻かれた部分を備える。特定の
例によれば、このループ１４は、１４cmの径を有する形
態にほぼ１０００回巻かれていてもよい。

好ましくは、ループ１４は、中心から巻き始め対称に巻
回され、そのためループ１４の対称点は近接している。
このような対称性は、経時的に変化する温度勾配および
圧力勾配が互いに逆方向に伝播する双方の波に類似の影
響を与えることを可能とするので、このことは回転セン
サの周囲の感度を減少させると考えられる。

光源１０からの光は、ファイバ１２を光源１０に当接さ
せることにより、ファイバ１２の一方端部に光学的に結
合される。光を導きかつ処理するための様々な部品が、
連続的なストランド１２に沿った多数の位置に位置決め
されすなわち形成される。これらの構成要素の相対的な
位置関係を記載するために、連続的なファイバ１２はそ
れぞれ、１２Ａないし１２Ｇと示した７個の部分に分割
されて説明され、この部分１２Ａないし１２Ｅは、ルー
プ１４の光源１０が結合された側にあり、部分１２Ｆお
よび１２Ｇは、ループ１４の反対側にある。

光源１０に隣接して、ファイバの部分１２Ａおよび１２
Ｂ間には、偏光制御器２４がある。この制御器２４とし
て用いるのに適当な形式の偏光制御器は、本願発明の出
願人に譲渡された「ファイバ光学偏光変換器（Fiber Op
tic Polarization Converter）」なる題名のアメリカ合
衆国特許第４，３８９，０９０号に詳細に述べられてお
り、かつこの内容が本明細書に援用される。偏光制御器
２４の簡単な説明を次に行なう。しかしながら、この制
御器２４は、与えられた光の偏光の状態および方向の双
方の調整を可能とするものであることを現在のところ理
解しておくべきである。

次に、ファイバ１２は、ファイバの部分１２Ｂおよび１
２Ｃ間に位置される方向性結合器２６のＡおよびＢで示
されたポートを通過する。この結合器２６は、光出力を
光ファイバの第２のストランドに結合し、かつこの第２
のストランドは結合器６のＣおよびＤで示されたポート
を通過しており、ポートＣはポートＡと結合器の同じ側
に存在し、かつポートＤはポートＢと結合器の同じ側に
存在する。ポートＤから延びるファイバ２８の端部は
（接続されずを意味する）「ＮＣ」で記された点におい
て非反射的に終了しており、他方ポートＣから延びるフ
ァイバ２９の端部は光検出器３０に光学的に結合されて
いる。特定の例によれば、光検出器３０は、標準的な逆
バイアスされたシリコン、ＰＩＮ形フォトダイオードで
あってもよい。この結合器２６は、「ファイバ光学方向
性結合器」と題されたヨーロッパ特許出願第８１０２６
６７．３号（公開番号第００３８０２３号）の一部継続
出願である、「ファイバ光学方向性結合器」と題された
ヨーロッパ特許出願題８２３０４７０５．５号（公開番
号第００７４７８９号）に詳細に述べられており、これ
らの特許出願の双方は、本件発明の譲受人に譲渡されて
いる。これらの係属中の特許出願の内容が、ここに援用
される。

この結合器２６のポートＢから延びるファイバ部分１２
Ｃは、ファイバ部分１２Ｃおよび１２Ｄ間に位置される
偏光器３２を通過する。単一モード光ファイバは、すべ
ての光波の通過のために２個の偏光モードを有する。偏
光器３２は、ファイバ１２の一方の偏光モードで光が通
過することを許容するが、他方の偏光モードで光が通過
することを防止する。好ましくは、上述した偏光制御器
２４が、偏光器３２により通過される偏光モードと実質
的に同じものとなるように、入力された光の偏光を調整
するのに用いられる。このことは、入力された光が偏光
器を通過する際の光出力の損失を減少させる。この発明
に用いる好ましい形式の偏光器は、本願発明の譲受人に
譲渡された「偏光器および偏光方法」と題されるアメリ
カ合衆国特許第４，３８６，８２２号に詳細に述べられ
ており、この内容もまたここに援用される。

偏光器３２を通り、ファイバ１２は、ファイバ部分１２
Ｄおよび１２Ｅ間に位置される方向性結合器３４のＡお
よびＢで示したポートを通過する。この結合器３４は、
好ましくは、結合器２６に関連して上述したのと同様の
形式のものからなる。このファイバ１２は、次にループ
１４となるように巻回され、偏光制御器３６はループ１
４とファイバ部分１２Ｅとの間に位置される。この偏光
制御器３６は、制御器２４に関連して議論した形式のも
のを用いてもよく、かつループ１４を通過する逆方向に
伝播する波の偏光を調整すのに用いられ、そのためこれ
らの相互に逆方向に伝播する波の干渉により形成された
光学的出力信号は、光出力損失を最小としつつ偏光器３
２により効果的に通過され得るであろう偏光を有する。
したがって、偏光制御器２４および３６の双方を用いる
ことにより、ファイバ１２を通過する光の偏光は、最大
の光学的出力を得るために調整され得る。

ＡＣ信号発生器４０により駆動される位相変調器３８
が、ループ１４と第２の方向性結合器３４との間のファ
イバ・セグメント１２Ｆに取付けられる。この変調器３
８は、ＰＺＴシリンダを備え、該シリンダ周囲にはファ
イバ１２が巻回されている。ファイバ１２は、発生器４
０からの変調信号に応じて放射状に広がるとき、ファイ
バ１２を延ばすように、シリンダに結合されている。こ
の発明に用いるのに適切な変調器（図示せず）の他の形
式は、ＰＺＴシリンダを備え、該シリンダの端部で短い
長さの毛細管に結合されたファイバ１２の４個のセグメ
ントを長手方向に引き延ばすものである。当業者は、こ
の変調器の他の形式が、変調器３８よりも伝播する光学
的信号に対してより小さな偏光変調を与えることを認識
するであろう。しかしながら、変調器３８が、偏光変調
の望ましくない影響を除去する周波数で動作され得るこ
とを次に理解するであろう。したがって、変調のいずれ
の形式も、本願発明において適切なものである。

次に、ファイバ１２は結合器３４のＣおよびＤで示され
たポートを通り、ファイバ部分１２ＦはポートＤから延
び、ファイバ部分１２ＧはポートＣから延びている。フ
ァイバ部分１２Ｇは（「接続されておらず」を示す）
「ＮＣ」で記された点で非反射的に終了している。ＡＣ
発生器４０からの出力信号は、基準信号としてロック−
イン増幅器４６へのライン４４に供給され、ロック−イ
ン増幅器４６もまたライン４８により光検出器３０の出
力を受けるように接続されている。増幅器４６へのライ
ン４４上のこの信号は、変調器３８の変調周波数におけ
る検出出力信号、すなわち光学的出力信号の第１調波成
分を、この周波数以外の他の調波を遮断するが、同期的
に検出するように増幅器４６を能動化するための基準信
号を与える。

ロックイン増幅器は、当業者において周知でありかつ商
業的に入手可能なものである。

検出器出力信号の第１次調波成分の量は、或る制限され
た動作範囲でのループ１４の回転速度に比例すること
が、以下において明らかとなるであろう。増幅器４６
は、この第１調波成分に比例する信号を出力し、したが
って回転速度の直接的な表示を与え、この回転速度はデ
ィスプレイパネル４７上に可視的に表示される。しかし
ながら、第１図に示した検出機構は、第９図についての
議論に関係づけることにより明らかとなるように、相対
的に小さな回転速度に対してのみ用いることができるも
のである。

結合器２６および３４ この発明の回転センサすなわちジャイロスコープにおけ
る結合器２６および３４として用いるための好ましいフ
ァイバ光学方向性結合器を第２図に示す。この結合器
は、一方側からクラッド部の一部が除去された単一モー
ドファイバ光学物質からなる、第２図の５０Ａおよび５
０Ｂで示す２個の光ファイバストランドを備える。２個
のストランド５０Ａおよび５０Ｂは、各ブロック５３
Ａ，５３Ｂ内に形成された、それぞれ弧状のスロット５
２Ａ，５２Ｂ内に取付けられている。ストランド５０
Ａ，５０Ｂは、クラッド部が接触する関係となるように
除去されたストランド部分に配置されて、光が双方のス
トランドのコア部分間を移送される相互作用領域５４を
形成する。除去される物質量は、各ストランド５０Ａ，
５０Ｂのコア部分が他方のエバネセント・フィールド
（evanescent field）内にあるように決められている。
この結合器の中心におけるストランド間の中心−中心間
距離は、コア径の約２〜３倍以下である。

相互作用領域５４におけるストランド間で移送される光
が方向性を有することを注意することが重要である。す
なわち、入力ポートＡに入力されたほぼすべての光が、
ポートＣに反方向結合を行なうことなく、出力ポートＢ
およびＤに伝送される。同様に、入力ポートＣに入力さ
れた光のほぼすべてが、出力ポートＢ，Ｄに伝送され
る。さらに、この方向性は対称性を有する。したがっ
て、入力ポートＢあるいは入力ポートＤのいずれかに入
力された光は、出力ポートＡおよび出力ポートＣに伝送
される。さらに、この結合器は、偏光に関して本質的に
非区別性を有し、したがって結合された光の偏光を維持
する。このように、たとえば、垂直な偏光を有する光線
が、ポートＡに入力されたならば、ポートＡからポート
Ｂへ直接通過する光と同様に、ポートＡからポートＤに
結合される光も、垂直な偏光を維持するであろう。

前述の説明から、この結合器が、入力された光を互いに
逆方向に伝播する波Ｗ１，Ｗ２（第１図参照）に分割す
るためのビームスプリッタとして機能し得ることがわか
る。さらに、この結合器は、互いに逆方向に伝播する波
がループ１４を通過した後（第１図参照）互いに逆方向
に伝播する波を再結合するように付加的に機能し得る。

示した実施例では、結合効率の選択が光検出器３０（第
１図）における最大光出力を与えるので、各結合器２
６，３４は、５０％の結合効率を有する。ここで用いら
れているように、用語「結合効率」は、％で表現した全
出力に対する結合出力の出力比として定義される。たと
えば、第２図を参照して、光がポートＡに入力されたな
らば、結合効率は、ポートＢおよびＤにおける出力合計
に対するポートＤにおける出力の比に等しいであろう。
さらに、結合器３４についての５０％の結合効率は、反
対方向に伝播する波Ｗ１，Ｗ２が等しい大きさであるこ
とを保証する。

偏光器３２ 第１図の回転センサに用いるための好ましい偏光器が、
第３図に図示される。この偏光器は、ファイバ１２によ
り変換された光のエバネセント・フィールド内に位置さ
れる複屈折結晶６０を含む。ファイバ１２は、スロット
６２内に取付けられており、該スロット６２は、全体が
直方体の石英ブロック６４の上面６３に開いている。ス
ロット６２は、弧状の底壁を有しており、かつこのファ
イバは、底壁の輪郭に沿うように、スロット６２内に取
付けられている。ブロック６４の上面６３は、領域６７
内でファイバ１２からクラッド部の一部を除去するため
にラップ（lap ）されている。この結晶６０は、ブロッ
ク６４上に取付けられており、結晶６０をファイバ１２
のエバネセント・フィールド内に位置決めするように、
結晶の下面６８はブロック６４の上面６３に対向してい
る。

ファイバ１２と複屈折物質６０の相対的屈折率は、所望
の偏光モードの波の速度が、ファイバ１２内でよりも複
屈折結晶６０内の方が大きいが、所望でない偏光モード
の波の速度が複屈折結晶６０内でよりもファイバ１２内
で大きいように選択される。所望の偏光モードの光は、
ファイバ１２のコア部分によりガイドされ続けるのに対
し、所望でない偏光モードの光はファイバ１２から複屈
折結晶６０に結合される。したがって、偏光器３２は、
或る偏光モードの光の通過を許容するが、他の偏光モー
ドの光の通過を防止する。先に示したように、偏光制御
器２４，３６（第１図参照）が、入力された光の偏光お
よび出力信号のそれぞれを偏光器を通過する光出力損失
を最小とするように、調整するのに用いられ得る。

偏光制御器２４，３６ 第１図の回転センサに用いるのに適切な偏光制御器の一
例が、第４図に示される。この制御器は、ベース７０を
含み、該ベース７０上には複数個の直立ブロック７２Ａ
ないし７２Ｄが取付けられている。ブロック７２のそれ
ぞれの間に、スプール７４Ａないし７４Ｃが、それぞ
れ、シャフト７６Ａないし７６Ｃ上に接線方向に取付け
られている。シャフト７６は、相互に軸方向に整列され
ており、かつブロック７２間に回転可能に取付けられて
いる。スプール７４は、全体が円筒形状を有し、かつシ
ャフト７６に対して接線方向に位置決めされている。ス
トランド１２は、シャフト７６内の軸方向の穴を通って
延びており、かつ３個のコイル７８Ａないし７８Ｃを形
成するように各スプール７４の周囲に巻回されている。
コイル７８の半径は、ファイバ１２が各コイル７８内の
複屈折媒体を形成するために緊張されるように選ばれ
る。３個のコイル７８Ａないし７８Ｃは、ファイバ１２
の複屈折を調整するために、したがってファイバ１２を
通過する光の偏光を制御するために、それぞれ、シャフ
ト７４Ａないし７４Ｃの軸のまわりに相互に独立に回転
し得るようにされている。

コイル７８内の巻きの径および数は、外側のコイル７８
Ａおよび７８Ｃが１／４波長の空間的遅延を与え、他方
中央のコイル７８Ｄが１／２波長の空間的遅延を与える
ように選ばれる。１／４波長コイル７８Ａおよび７８Ｃ
は、偏光の楕円性を制御し、かつ１／２波長のコイル７
８は偏光の方向を制御する。このことは、ファイバ１２
を通過する光の偏光の全範囲の調整を与える。しかしな
がら、（中央のコイル７８Ｂにより与えられるのでなけ
れば）偏光の方向は、２個の１／４波長コイル７８Ａ，
７８Ｃにより偏光の楕円性の適切な調整を介して間接的
に制御され得るので、偏光制御器は、単に２個の１／４
波長コイル７８Ａ，７８Ｃのみを設けるように変形され
てもよいことがわかる。したがって、偏光制御器２４，
３６は、２個の１／４波長コイル７８Ａ，７８Ｃのみを
備えるように第１図に示される。この配置は、制御器２
４／３６の全体の大きさを低減させるので、スペース的
な制限のあるこの発明の或る種の用途にとっては有効と
なり得る。

このように偏光制御器２４および３６は、入力された光
および伝播する波の双方の偏光を確立し、維持しかつ制
御するための手段を与える。

位相変調あるいは偏光制御のない動作 偏光器３２（第１図）および位相変調器３８の機能と重
要性とを十分に理解するために、これらの部品が装置か
ら除去されたかのように、この回転センサの動作をまず
説明する。したがって、第５図は、変調器３８、偏光器
３６およびこれらに関連する部品が除去された状態の第
１図の回転センサを略図的にブロック図で示す。

光が、光源１０から、その内部に伝播するためにファイ
バ１２に結合される。この光は、結合器２６のポートＡ
に入り、そこでは光の一部がポートＤにより失われる。
光の残りの部分はポートＢから結合器３４のポートＡに
伝播し、そこでは等しい振幅の２個の互いに反対方向に
伝播する波Ｗ１，Ｗ２に分割される。波Ｗ１は、ループ
１４のまわりを時計方向に伝播するに対し、波Ｗ２は、
ループ１４の周囲を反時計方向にポートＤから伝播す
る。波Ｗ１，Ｗ２がループ１４を通過した後、これらの
波は結合器３４により再結合されて光出力信号を形成
し、該光出力信号は結合器３４のポートＡから結合器２
６のポートＢに伝播する。光出力信号の一部は、結合器
２６のポートＢからポートＣへ、ファイバ２９に沿って
光検出器３０まで伝播するために、結合される。この光
検出器３０は、電気信号を出力し、該信号は光出力信号
により記された光の強度に比例する。

この光出力信号の強度は、波Ｗ１，Ｗ２が結合器３４で
再結合されたときすなわち干渉されたときに、波Ｗ１，
Ｗ２間の干渉の量および形式すなわち強め合いあるいは
弱め合いにより変化するであろう。さしあたり、ファイ
バの複屈折の影響を無視すると、波Ｗ１，Ｗ２はループ
１４の周囲の同一の光路を通過する。したがって、ルー
プ１４が静止していると仮定すれば、波Ｗ１，Ｗ２が結
合器３４で再結合されたとき、これらの波は、位相差を
有することなく強め合うように干渉し、光学的出力信号
の強度は最大になるであろう。しかしながら、ループ１
４が回転中であると、反対方向に伝播する波Ｗ１，Ｗ２
は、サグナック効果によりその位相がシフトされ、した
がってこれらの波が結合器３４で重ね合わされたとき、
これら波は弱め合うように干渉して光学的出力信号の強
度を減少させるのであろう。ループ１４の回転により生
じる波Ｗ１，Ｗ２間のこのようなサグナック位相差は、
次の関係式により定義される。

式（１）において、Ａは、光ファイバのループ１４によ
り境界づけられる領域であり、Ｎは領域Ａの周囲の光フ
ァイバの巻数であり、Ωは、ループ面に垂直な軸まわり
のループの角速度を示し、λおよびｃは、それぞれ、ル
ープに入力された光の波長および速度の自由空間値であ
る。

光出力信号（Ｉ_ｒ）の強度は、波Ｗ１，Ｗ２間のサグナ
ック位相差Δφ_Ｒの関数であり、かつ次の式により定義
される。

式（２）において、Ｉ_１およびＩ_２は波Ｗ１，Ｗ２の固
有の強度を示す。

式（１）および（２）から、光出力信号強度は、回転速
度（Ω）の関数であることがわかる。したがって、この
ような回転速度の指標は、検出器３０を用いる光学的出
力信号の強度を測定することにより得られ得る。

第６図は、光学的出力信号（Ｉ_ｒ）の強度と、相互に逆
方向に伝播する波Ｗ１，Ｗ２間のサグナック位相差（Δ
φ_Ｒ）との間のこの関係を示す曲線８０を表わす。曲線
８０は、コサイン・カーブの形状を有し、光学的出力信
号の強度は、サグナック位相差が０であるとき最大であ
る。互いに逆方向に伝播する波Ｗ１，Ｗ２間の位相差
が、すべてループ１４の回転により引き起こされる場合
には、曲線８０は垂直軸に対してほぼ対称であろう。し
かしながら、ヨーロッパ特許出願第８９２０２５９５．
６号（公開番号第００８４０５５号）で議論したよう
に、偏光により、互いに逆方向に伝播する波Ｗ１，Ｗ２
間の付加的な非相互性位相が、光ファイバ１２の残りの
複屈折により引き起こされ得る。このヨーロッパ特許出
願の内容が、ここに参考として援用される。この付加的
な非相互性位相差は、完全に偏光されていない光を使用
するならば生じないであろう。単一モード光ファイバ１
２の２個の偏光モードのそれぞれが異なる速度で通過す
るので、複屈折により誘起された位相差が生じる。複屈
折は、或る偏光モードで通過する光の一部の他の偏光モ
ードへの結合を引き起こすであろう。このことは、波Ｗ
１，Ｗ２間の非回転的に誘起された位相差を生み出し、
これは第６図の曲線８０を歪めるように、あるいはシフ
トさせるように干渉させる。このようなシフトは第６図
において想像線で示す曲線８２により表わされている。
このような複屈折により誘起された非相互性位相差は、
回転により誘起されたサグナック位相差から区別するこ
とはできず、かつ温度および圧力のようなファイバの複
屈折を変化させる周囲のファクタに依存する。このよう
に、ファイバの複屈折は、ファイバ光学回転センサにお
ける誤差の主な原因となる。

偏光器３２を用いた動作 ファイバ複屈折による非相互性動作の問題点は、上述し
たように単一の偏光モードのみの利用を可能とする偏光
器３２（第１図参照）により、この発明の回転センサに
おいて解決される。偏光器３２が第５図の参照番号８４
で示す点に、この装置に導入されると、偏光器３２を通
過する光は、或る選択された偏光モードでループ１４内
を伝播する。さらに、相互に反対方向に伝播する波が再
結合されて光学的出力信号を形成する場合、ループに入
力された光と同一の偏光ではない任意の光が光検出器３
０に達することを防止される。なぜならば、光出力信号
は、偏光器３２を通過するからである。したがって、光
出力信号が結合器３４のポートＡから結合器２６のポー
トＢまで通過するとき、該光出力信号は、ループに入力
された光と正確に同一の偏光を有するであろう。

それゆえに、入力された光および光学的出力信号を同一
の偏光器３２を通過させることにより、単一の光学的経
路のみが利用され、それによって２個の可能性のある偏
光モードにおける伝播の異なる速度により引き起こされ
る複屈折により誘起された位相差の問題を除去し得る。
すなわち、選択されたモードから選択されていないモー
ドへファイバ内の複屈折により伝送されるすべての光を
フィルタに通すことにより、伝播速度の差のために、選
択されたモードに対する位相を損失し得る選択されてい
ないモードでのすべての光波を除去することが可能とな
る。さらに、偏光制御器２４，３６（第１図）は、入力
された光の偏光および光出力信号を、それぞれ調整し、
したがって偏光器３２における光学出力損失を低減させ
ること、すなわち検出器３０における信号強度を最大に
するために用いられ得ることを注意すべきである。

位相変調器３８を有する場合の動作 第６図を再度参照し、曲線８０がコサインの関数である
ので、光学的出力信号の強度は、波Ｗ１，Ｗ２間の小さ
なサグナック位相差（Δφ_Ｒ）に対して非線形であるこ
とがわかるであろう。さらに、光学的出力信号強度は、
小さな値のΔφ_Ｒに対しては、位相差の変化に相対的に
感度が低い。このような非線形性および低感度性は、検
出器３０により測定された光学的強度（Ｉ_ｒ）を、（式
１により）ループ１４の回転速度の信号指標に変換する
ことを困難とする。

さらに、上で議論したように偏光器３２を用いることに
より、波Ｗ１，Ｗ２間の複屈折により誘起された位相差
は除去されるが、なおファイバの複屈折により生じる偏
光モード間の交差結合が生じる。この交差結合は、交差
結合された光が偏光器３２上の光検出器３０に達するこ
とを防止するので、光学的出力信号強度を低減させる。
このように、ファイバの複屈折における変化は、第６図
の曲線８０の振幅を、たとえば曲線８４を示すように変
化させる。第６図の曲線８０，８２，８４は一定の比に
拡大あるいは縮小されて記載されていないものであるこ
とを理解するであろう。

前述した問題点は、第１図に示した位相変調器３８、信
号発生器４０およびロック−イン増幅器４６を用いる同
期検出装置により解決される。

第７図を参照して、位相変調器３８は、信号発生器４０
の周波数で伝播する波Ｗ１，Ｗ２のそれぞれの位相を変
調する。しかしながら、第１図から理解され得るよう
に、位相変調器３８は、ループ１４の一方端部に位置さ
れている。したがって、波Ｗ１の変調は、波Ｗ２の変調
と同位相で行なわれる必要はない。実際には、この同期
検出装置の正しい動作においては、波Ｗ１，Ｗ２の変調
は１８０゜ずれた位相となることが好ましい。第７図を
参照して、正弦曲線９０により表わされる波Ｗ１の変調
は、曲線９２により表わされる波Ｗ２の変調と１８０゜
ずれた位相を有することが好ましい。波Ｗ２の変調に対
する波Ｗ１の変調間のこのような１８０゜の位相差を与
える変調周波数の利用は、これが検出器３０により検出
された光学的出力信号における誘起された振幅変調を除
去するという点において、特に有利である。この変調周
波数（ｆ_ｍ）は、次の式により計算され得る。

式中、Ｌは互いに反対方向に伝播する波Ｗ１，Ｗ２につ
いての結合器３４と変調器３８との間のファイバの長
さ、すなわち変調器３８と、ループ１４の他方側の対称
点との間のファイバに沿って測定された距離を示し、 ｎ_ｅｇは、単一モードファイバ１２についての誘過屈折
率を示し、 ｃは、ループ１４に入力された光の自由空間速度を示
す。

「適切な」周波数と称されるこの変調周波数（ｆ_ｍ）に
おいて、曲線９０および９２によりこれらの波の位相変
調から生じる、互いに反対方向に伝播する波Ｗ１，Ｗ２
間の位相差（Δφ_１）が、第７図において正弦曲線９４
により表わされる。この曲線９４は、Ｗ１およびＷ２間
の位相差を得るために、曲線９０から曲線９２を減算す
ることにより得られる。波Ｗ１，Ｗ２間の位相差のこの
変調は、このような位相変調φ_１が回転により誘起され
たサグナック位相差Δφ_Ｒから識別できないので、サグ
ナック位相シフトとまさに同じように第６図の曲線８０
により光学的出力信号強度（Ｉ_ｒ）をも変調するであろ
う。

前述の説明は、（ａ）第７図の曲線９４により表わされ
る位相変調Δφ_１、ならびに光学的出力信号の強度（Ｉ
_ｒ）上のサグナック位相差Δφ_Ｒの効果を図により示す
第８図および第９図を参照することにより、より一層理
解され得るであろう。第８図および第９図についての議
論を行なうに先立ち、変調された光学的出力信号の強度
（Ｉ_ｒ）が、波Ｗ１，Ｗ２間の全位相差の関数であるこ
とを理解すべきである。このような全位相差は、回転に
より誘起されたサグナック位相差Δφ_Ｒおよび時間的に
変化する変調により誘起された位相差Δφ_１の双方から
構成される。波Ｗ１，Ｗ２間の全位相差Δφは、次の式
により表現することができる。

Δφ＝Δφ_Ｒ＋Δφ_１ （４） したがって、回転により誘起された位相差Δφ_Ｒと同様
に、変調により誘起された位相差Δφ_１の影響もまた、
第８図および第９図を参照して考えられるので、曲線８
０に対する水平軸は、第６図に示すように回転によって
のみ誘起された位相差よりもむしろ全位相差が考えられ
ることを示すために、Δφのように再度表わされる。

第８図を参照して、光学的出力信号の強度Ｉ_ｒへの位相
変調Δφ_１（曲線９４）の影響が議論されるであろう。
曲線８０は、波間の位相差Δφに対する２個の干渉し合
うコヒーレントな波から生じる光学的出力信号の強度間
の関係を表わす。９３で示すように、これらの間の相対
的な位相角度が０であるとき、結合された波の結果の強
度は、９５で示すように最大となる。波Ｗ１およびＷ２
間の相対的な位相差が０でないときには、結合された光
学的信号は、位相差Δφの量に依存する、より小さな強
度を有するであろう。９７および９９でそれぞれ示すよ
うに、相対的な位相差が＋あるいは−１８０゜のいずれ
かとなるまで、この強度はΔφの増加について減少し続
ける。＋または−１８０゜の位相差において、２個の互
いに反対方向に伝播する波は完全に弱め合うように干渉
し、かつ結果として得られる強度は９７および９９で示
すように０である。

第８図では、ループ１４が静止状態にあり、したがって
光学的信号はサグナック効果により影響されないと考え
られる。特定的には、変調により誘起された位相差曲線
９４により、光学的出力信号が曲線９６により表わされ
ているように変化させられることが理解され得る。曲線
９６は、Ｗ１およびＷ２間の同時的な位相差Δφ_１を表
わす曲線９４上の点を、その量の位相差に対する結果と
して生じる光学的強度を表わす曲線８０上に移し替える
ことにより得られる。曲線９４上のすべての点が曲線８
０上に移されかつ対応の強度をプロットすると、曲線９
６が得られる。曲線０を介した曲線９４の移し替えは、
曲線８０の垂直軸を中心として対称でありそのため検出
器３０により測定された光学的強度は、曲線９６に示す
ように、変調周波数の第２調波に等しい周波数で定期的
に変化する。上で議論したように、ロック−イン増幅器
４６は信号発生器４０（第１図）からの変調周波数ｆ_ｍ
における基準信号によりチューニングされるので、ロッ
ク−イン増幅器は、変調周波数ｆ_ｍ、すなわち変調器３
８の第１調波周波数における検出器出力信号のみを同期
して検出する。しかしながら、検出器出力信号は、曲線
９６で示すように、変調周波数の第２調波であるので、
増幅器４６からの出力信号は０でありかつディスプレイ
４７は０の回転速度を示すであろう。

第６図の曲線８４に関連して議論されるように、複屈折
により誘起された振幅変動が光学的出力信号に現われた
としても、第８図の曲線９６は第２調波周波数のままと
なるであろうことが注意されるべきである。したがっ
て、このような複屈折により誘起された振幅変動は、増
幅器４６の出力信号に影響しないであろう。それゆえ
に、このまで述べられてきた検出装置は、複屈折の変化
に鈍感な実質的により安定な動作点を与える。

ループ１４が回転された場合、サグナック効果により上
で議論したように、互いに反対方向に伝播する波Ｗ１，
Ｗ２はその位相がシフトされる。サグナック位相シフト
は、一定の回転速度に対して一定の位相差Δφ_Ｒを与え
る。このサグナック位相シフトは、変調器３８により生
み出された位相差Δφ_１に加わり、そのため全体の曲線
９４は、第９図に示すように、Δφ_Ｒに等しい量だけ第
８図に示す位置から同位相で移されている。このこと
は、光学的出力信号を、点９９および１０１間で曲線８
０に沿って非対称的に変化させる。これは、曲線９６に
より示されるような光学的出力信号をもたらす。

曲線９６上の点は、以下のようにして得られる。

曲線９４上の１０３で示される結合された位相差は、曲
線８０上の点１０１を介して曲線９６上の点１０５に移
動する。曲線９４上の点１０７は、曲線８０上の点１０
９を経由して曲線９６上の点１１４に移る。同様に、点
１１３は、点９９を経由して点１１５に移り、かつ点１
１７は、点１０９を経由して点１１９に移る。最後に、
点１２１は、点１０１を経由して点１２３に移る。

光学的出力信号９６は、正弦曲線９８の想像線で示され
るような第１調波成分を有する。しかしながら、第１調
波成分９８のピークの振幅は、或る場合には起こり得る
かもしれないが、点１１５における光学的出力信号の振
幅に正確に適合する必要はない。

この制限曲線９８のＲＭＳ値は、回転により誘起された
サグナック位相差Δφ_Ｒの正弦に比例することが次に理
解されるであろう。増幅器４６は変調器３８の基本周波
数を有する信号を同期的に検出するので、増幅器４６
は、曲線９８のＲＭＳ値に比例する信号を出力するであ
ろう。この信号は、ループの回転速度を示すのに用いる
ことができる。

第９図の図は、ループ１４の一方の回転方向（たとえば
時計方向）に対する光学的出力信号の強度の波形を表わ
す。しかしながら、ループ１４が（たとえば反時計方向
のような）反対方向に等しい速度で回転されるならば、
光学的出力信号の強度波形９６は、曲線９８が第８図に
示された位置から１８０゜シフトされるように移される
ことを除いては、第９図に示すものと正確に一致するで
あろう。ロック−イン増幅器４６、ループの回転が時計
方向かあるいは反時計方向かを決定するために、第１調
波９８の位相を、信号発生器４０からの基準信号の位相
と比較することにより、曲線９８についてのこの１８０
゜の位相差を検出する。回転方向に依存して、増幅器４
６は、正あるいは負の信号をディスプレイ４７へ出力す
る。しかしながら、回転方向とは無関係に、この信号の
量は、プール１４の回転の等しい速度に対しては同一で
ある。

増幅器の出力信号の波形は、曲線１００のように第１０
図に示される。この曲線１００は正弦であり、かつルー
プ１４の回転が時計方向であるが、あるいは反時計方向
であるかに依存して、１２５で示される０の回転速度出
力電圧から正にまたは負に変化することが理解されるで
あろう。さらに、曲線１００は、原点を中心として対称
に変化しかつ回転の測定に対し比較的広い操作範囲を与
える、実質的に直線の部分１０２を有する。さらに、こ
の曲線１００のスロープは、その線形動作範囲１０２に
より小さなサグナック位相シフトまで優れた感度を与え
る。

このように、同期検出装置を用いることにより、小さな
サグナック位相シフトおよび複屈折により誘起された振
幅変動に対する非線形性および低感度の上述した問題点
は、点９７と９５との間の曲線８０のいずこかに、第９
図の点９９および１０１を維持するループ１４の回転速
度に対して、低減されあるいは除去される。

これまで開示されてきた、この検出装置のさらに他の利
点は、変調器３８のような位相変調器の技術状態が、偏
光変調を介して直接的にあるいは間接的に光学的出力信
号に振幅変調を誘起すること、すなわち位相変調器もま
た選択されていない偏光モードにこれを通過する光のい
くらかをシフトさせるという事実に関連する。しかしな
がら、式３に関する議論から、波Ｗ１およびＷ２の変調
間の位相差が１８０゜である点における特定の「適切
な」周波数にて動作させることにより、変調器３８によ
り相互に反対方向に伝播する波Ｗ１，Ｗ２のそれぞれに
誘起された、この振幅変調の奇数調波周波数成分は、波
が光学的出力信号を形成するために重ねられるとき、相
互に相殺し合う。このように、上述した検出装置は、光
学的出力信号の奇数調波すなわち基本周波数のみを検出
するので、望ましくない振幅変調の影響は除去される。
それゆえに、式（３）により規定された特定の周波数に
おいて動作させることにより、かつ光学的出力信号の奇
数調波のみを検出することにより、この発明の回転セン
サは、変調により誘起された振幅および偏光変調から独
立に動作し得る。

正しい周波数における動作のさらに他の利点は、相互に
反対方向に伝播する波Ｗ１，Ｗ２が光学的出力信号を形
成するために重ねられたときに、互いに反対方向に伝播
する位相Ｗ１，Ｗ２のそれぞれにおいて変調器３８によ
り誘起された位相変調の偶数調波が相殺することであ
る。これらの偶数調波は、重ね合わせにより、この検出
装置により検出され得る光学的信号にスプリアスとなる
奇数調波を生み出すので、これらの除去が、回転検出の
精度を改善する。

式（３）により規定された周波数にて位相変調器３８を
動作させることに加えて、光学的出力信号強度の検出さ
れた１次調波の振幅を最大とするように位相変調の量を
調整することも好ましい。なぜならば、このことによ
り、改善された回転検出感度および精度を与えるからで
ある。第７図、第８図および第９図の大きさの標識Ｚで
示される、波Ｗ１，Ｗ２間の変調器により誘起された位
相差Δφ_１の振幅が１．８４ラジアンであるとき、光学
的出力信号強度の第１調波が任意の回転速度に対して最
大であることがわかった。このことは、それらの間の位
相差Δφにより、それぞれ、固有の強度Ｉ_１およびＩ_２
を有する２個の重ね合わされた波の全強度（Ｉ_ｒ）に対
して次の式を参照することにより、より一層理解。

式（５）において、 Δφ＝Δφ_Ｒ＋Δφ_１ （６） Δφ_１＝Ｚsin （２πｆ_ｍ ｔ）（７） したがって、 Δφ＝Δφ_Ｒ＋Ｚsin （２πｆ_ｍ ｔ）（８） コサイン（Δφ）のフーリエ展開は、 式（９）において、Ｊ_ｎ（ｚ）は変数ｚのｎ次のベッセ
ル関数であり、かつｚは波Ｗ１，Ｗ２間の変調器により
誘起された位相差のピークの振幅である。

それゆえに、Ｉ_ｒの１次調波のみを検出することによ
り、 このようにして、光学的出力信号強度の１次調波の振幅
は、１次のベッセル関数Ｊ_１（ｚ）の値に依存する。Ｊ
_１（ｚ）は、ｚが１．８４ラジアンに等しいときに最大
であるので、位相変調の振幅は、好ましくは、波Ｗ１，
Ｗ２間の変調器により誘起された位相差Δφ_１の量
（ｚ）が１．８４ラジアンとなるように選択されるべき
である。

後方散乱の影響の減少 周知のように、現在の技術水準の光ファイバは、光学的
に完全なものではないが、ファイバの基体的材料におけ
る密度の変動のような不完全さを有する。これらの不完
全さは、ファイバの屈折率における変動を引き起こし、
この屈折率の変動は少量の光の散乱を引き起こす。この
現象は、通常、レイリー散乱と言われている。このよう
な散乱は、いくらか光のファイバからの損失を引き起こ
すが、このような損失の量は、比較的小さく、したがっ
て主要な関心事ではない。レイリー散乱の関連づけられ
る主な問題点は、失われた散乱光ではなく、むしろ当初
の伝播方向とは逆方向にファイバを介して光が伝播する
ように反射される光である。これは、通常、「後方散
乱」光と言われている。このような後方散乱光は、互い
に反対方向に伝播する波Ｗ１，Ｗ２を含む光に対してコ
ヒーレントであるので、このような伝播する波と強め合
うようにあるいは弱め合うように干渉することができ、
したがって検出器３０により測定されるような光学的出
力信号の強度に変動をもたらす。

互いに反対方向に伝播する波に対してコヒーレントであ
る一方の波からの後方散乱光の部分は、ループ１４の中
心のコヒーレンス長内に散乱されるものである。このよ
うに、光源のコヒーレンス長を減少させることにより、
後方散乱光と、互いに反対方向に伝播する波との間のコ
ヒーレンスは低減される。後方散乱光の残りの部分は、
互いに反対方向に伝播する波の対して非コヒーレンスで
あり、したがってそれらの間の干渉は、極めて無秩序で
あり、そのため平均化される。それゆえに、後方散乱光
のこの非コヒーレントな部分は、実質的に一定の強度か
らなり、結果、光学的出力信号強度に大きな変動を引き
起こさないであろう。したがって、この発明では、後方
散乱の影響は、レーザ光源１０のような、たとえば１m
程度の比較的短なコヒーレンス長を有するレーザを用い
ることにより減少される。特定の例によれば、光源１０
は、上述したジェネラルオプトロニクス・コーポレーシ
ョンから市販されているモデルＧＯ−ＤＩＰレーザ・ダ
イオードであってよい。

後方散乱波と伝播する波との間の強め合いあるいは弱め
合いの干渉を禁止する代わりの方法は、ファイバ・ルー
プ１４の中心にこの装置内の付加的な位相変調器を含め
ることである。この位相変調器は、変調器３８に対して
同期されていない。

伝播する波は、ループの周囲を通過するに際し一度だけ
この付加的な位相変調器を通るであろう。波がこの付加
的な変調器に達する前に、伝播する波から生じる後方散
乱に対して、この後方散乱は、この付加的な変調器によ
り位相変調されないであろう。なぜならば、光源から伝
播する波および後方散乱光自身のいずれもが付加的な変
調器を通過しないからである。

他方、波がこの付加的な位相変調器を通過した後この波
から生じる後方散乱については、伝播する波が付加的な
位相変調器を一度通過したとき、かつ後方散乱光が付加
的な変調器を通過したときには、この後方散乱光は、効
果的に２回位相変調器されるであろう。

このように、付加的な位相変調器が、位相シフトφ（t
）を導くならば、ループ１４の中心を除いた任意の点
において発生する後方散乱波は、０あるいは２φ（t ）
のいずれかの位相シフトを有し、これらの位相シフトの
いずれかは、伝播する波についてのφ（t ）位相シフト
に関して時間的に変化する。この時間的に変化する干渉
は、時間的に平均化し、後方散乱の影響を効果的に除去
するであろう。

後方散乱光の弱め合うようにあるいは強め合うような干
渉を防止するさらに他の代わりの方法では、変調器３８
に同期されていない付加的な位相変調器を、光源１０の
出力側に導入してもよい。

この場合には、ループ１４の中心以外の任意の点におい
て生じる後方散乱は、後方散乱の発するところからの伝
播する波よりも、光源１０から検出器３０までの異なる
光路長を有するであろう。

このように、伝播する波は、ループ１４を一度通過する
のに対し、後方散乱波およびそれが発するところからの
伝播する波形は、ループ１４の一部を二度通過すること
になるであろう。この部分がループの２分の１でなけれ
ば、光路長は異なるであろう。

光路長が異なるため、検出器３０に達する伝播する波
は、同時に検出器３０に達する後方散乱波と異なる時間
で光源１０において発生するであろう。

付加的な位相変調器により光源１０において導入された
位相シフトは、伝播する波に対しては位相シフトφ（t
）を導入し、後方散乱波に対しては位相シフトφ（t
＋Ｋ）を導入し、ここにおいてＫは変調器を波が通過す
る間の時間差を示す。φ（t ＋Ｋ）がφ（t ）に関して
経時的に変化するので、後方散乱光の干渉は、時間的に
平均化し、したがって後方散乱の影響を効果的に除去す
るであろう。

ダイナミックレンジの拡大された検出装置 第１図ないし第１０図に関連して上述した検出装置は、
ループ１４の回転速度の或る範囲内において極めて有効
な回転検出装置である。しかしながら、そのダイナミッ
クレンジは、或る現象により制限される。第９図を参照
して、曲線８０が周期的であることが理解され得るであ
ろう。したがって、大きな回転速度が、曲線９４を点９
７または点９５のいずれかを通るように移動させるの
に、十分大きなΔφ_Ｒをもたらすならば、関数９６は、
第２のより大きな回転速度に対して繰返し現われるであ
ろう。この第２の回転速度は、第９図に示したサグナッ
ク位相シフトΔφ_Ｒを引き起こした回転速度よりも実質
的に大きいであろうが、光学的出力信号９６を用いるよ
り遅い速度と区別し得ないであろう。すなわち或る大き
な回転速度からのΔφ_Ｒが、曲線８０の第２の丸い突出
部分上の新しい点９９′および１０１′間で動作するよ
うに、曲線９４を移動させるのに十分大きければ、光学
的出力信号９６は、曲線９４が点９９および１０１間で
動作する場合とこのような場合とで区別し得ないであろ
う。

検出レンジを拡張するためには、第２調波位相変調装置
が用いられ得る。この装置は、解放ループ形状について
第２４図に、閉鎖されたループ形状について第１１図に
示されている。

第１１図を参照して、ここでは検出装置の発明の好まし
い閉ループ型の実施例の図が示されている。第１１図と
第１図との間で相当の参照番号が付されたすべての構成
は、第１図に示したものと同様の構造および機能を有す
るものである。第１１図の回路は、ループ１４における
第２の位相変調器１３８上の駆動電圧を制御する帰還信
号として、曲線１００により示されるロック−イン増幅
器出力を利用する帰還ループを含む点において、第１図
の回路と異なるものである。第２の位相変調器１３８
は、ループ１４の回転により発生された第１調波信号９
８を相殺する光学的出力信号中の第１調波信号を発生
し、そのためロック−イン増幅器出力は、ループの回転
速度とは無関係に０の方向に駆動される。したがって、
第１１図の回路のロック−イン増幅器出力は、帰還ルー
プに対して誤差信号を与え、それゆえに、「帰還誤差信
号」として述べられるであろう。第１１図の帰還回路の
構成および機能の詳細な議論が、以下において行なわれ
る。この議論から、第１１図の帰還回路が、回転検出に
際し大きなダイナミックレンジを与え、かつこのような
回転検出が第２位相変調器１３８の駆動電圧の測定を介
して達成されることが明らかとなるであろう。第１１図
において、単一のＡＣの発生器４０が、第１調波位相変
調器３８についてのライン４４上に第１調波駆動信号を
発生させるために示されている。倍周器１２６は、ライ
ン４４上の第１調波駆動信号を受け、この周波数を、ラ
イン１２８上に第２調波成分を生じるように２倍にす
る。

ライン１２８の第２調波信号は、誤差訂正変調回路１３
０の入力に結合される。この修正変調器１３０は、ロッ
ク−イン増幅器４６の出力からライン１３２の帰還誤差
信号を受ける。第１図に示されているように、ロック−
イン増幅器は、ライン４８上の光検出器３０からの出力
信号およびライン４４上の基準信号を受取る。この場合
において、ライン４４の基準信号は、ＡＣ信号発生器４
０からの第１調波信号出力である。ライン１３２上のロ
ック−イン増幅器により発生された誤差信号は、ライン
４４上の基準信号の周波数に適合するライン４８の入力
信号のフーリエ成分の大きさに比例する。この誤差信号
は、第１０図の曲線８上のいずこかに存在するであろ
う。この特定の場合においては、誤差信号は入力ライ４
８上の第１調波成分の固定された振幅をもたらす固定さ
れた回転速度に対して曲線１００上に或る直流レベルと
なるであろう。第１調波成分の振幅が変化するならば、
誤差信号の直流レベルは、動作点が曲線１００に沿って
シフトするにつれて変化するであろう。

先に説明したように、第９図の曲線８０が周期的である
ため、曲線１００は周期的である。それゆえに、光学的
出力信号９６の第１調波成分の量は、増大するサグナッ
ク位相シフトが全位相シフト曲線９６を曲線８０の他の
突出部分に押出すにつれて周期的に変化するであろう。
すなわち、曲線１００上の点１３４（第１０図参照）
は、サグナック位相シフトが曲線９６を、もたらされた
全位相シフト曲線の最大および最小が曲線８０の第２の
突出部分上の対称的にバランスのとれた点を介して移る
ように、押出す状態を表わす。得られた出力波形９６
は、０の回転速度に遂する第８図に示した光学的出力信
号９６と似ており、かつ第１調波成分を有していないで
あろう。波形９６がこの状態において第１調波成分を有
していないので、回転速度が０でないにもかかわらず、
ロック−イン増幅器の出力は０となるであろう。

この発明の検出装置は、周期的な位相変調器を加えるこ
とによりこの問題を解決するものであり、該位相変調
は、第１調波位相変調よりも大きな周波数を有し、かつ
好ましい実施例では第１調波の、さらに好ましくは第２
調波の調波であり、かつサグナック位相シフトにより引
き起こされた第１調波成分に対して振幅においてはほぼ
等しいが位相が１８０゜ずれた第１調波成分を光学的出
力信号にもたらさせるのに十分な振幅を有する。このよ
うに、位相変調の第２周波数は、光学的出力信号のすべ
て回転により生じた第１調波成分を実質的に相殺する。

第２調波位相変調に対して相殺振幅量にライン１３２上
の帰還誤差信号、すなわち光学的出力中の第１調波成分
を相殺するのに十分な振幅の第２調幅駆動信号を変換す
る機能は、誤差修正変調器１３０、位相シフト器１３６
および第２調波位相変調器１３８により行なわれる。

ライン１３２上の０でない誤差信号を受取ると、誤差修
正変調器１３０は、ライン１２８上の第２調波信号を受
取り、かつライン１３２上の誤差信号の量を０に、また
は０付近の予め定められた範囲内に低減させるように、
誤差信号の量およびサイン（sign）に応じてその振幅を
増減する。ライン１３２上の誤差信号についての予め定
められたレベルに達すると、変調器１３０は、誤差信号
が再度変化するまで、誤差信号についての０または小さ
な値を引き起こす振幅における第２調波成分を定常的な
レベルをホールドする。誤差信号の変化により、変調器
１３０は、ライン１３２上の誤差信号が０または０近傍
の所定の範囲内まで再度低減されるまで、ライン１４０
上の第２調波駆動信号の振幅を変化させる。

すなわち、誤差修正変調器１３０は、ライン１４０上の
第２調波駆動信号の振幅を調整するために、ライン１３
２上の帰還誤差信号を用いる。この第２調波駆動信号
は、第１調波駆動信号の２倍の周波数を有し、かつその
位相は位相シフト回路１３６により第１調波位相変調駆
動波形に対してシフトされる。この位相は、第２調波波
形の最大および最小が、第１調波位相変調駆動波形の最
大、最小および０交差点に時間的に対応するようにシフ
トされる。さらに、第２調波位相変調波形の振幅は、修
正変調器１３０により、サグナック位相シフトから得ら
れる光学的出力信号の第１の回転により誘起された調波
成分の相殺を引き起こすであろう駆動レベルにセットさ
れる。これは、第１２図の説明により一層理解され得る
であろう。

第１２図は、ループの回転および位相変調器３８，１３
８から得られる互いに反対方向に伝播する波Ｗ１，Ｗ２
間の全体の相対的な位相シフト間の略図的関係を表わ
す。結果すなわち前位相シフト曲線１４２は、（一定の
回転速度に対する一定のバイアス１４４により表わされ
る）サグナック位相シフトΔφ_Ｒ（曲線１４６で表わさ
れる）正弦波的に経時的に変化する第１調波位相シフト
Δφ_１cos （ω_ｍ ｔ）、ならびに（曲線１４８で表わ
される）正弦波的に経時的に変化する第２調波位相シフ
トΔφ_２cos （ω_ｍｔ）の総計を表わす。結果としての
位相シフトΔφは、Δφ_１cos （ω_ｍｔ）＋Δφ_２cos
（２ω_ｍｔ）−Δφ_Ｒである。

第１２図から明らかなように、曲線１４６の第１調波位
相シフトの量Δφ_１は、垂直軸p と、バランスされた動
作点１５０あるいは１５２の一方との間の量z に等しい
ことが理解され得るであろう。また、第２調波位相シフ
ト曲線１４８の量Δφ_２は、サグナック位相シフトΔφ
_Ｒの量にほぼ等しいことが理解され得る。これらの２つ
の条件が正しいとき、かつ第２調波位相シフト曲線１４
８が、１５４，１５６，１５８および１６０におけるそ
のピークが第１調波位相シフト曲線１４６の最大、最小
および０交差点に時間的に同時に起きるように位相がシ
フトされたとき、或るものは、結合されたすなわち結果
として得られた位相シフトおよび光学的出力信号につい
て正しいことになるであろう。正しいであろう最も重要
なことは、結果して得られた位相シフト曲線１４２のピ
ーク１６２および１６４が、曲線８０上の対称的にバラ
ンスされた点１５０および１５２により表わされる位相
シフトにほぼ一致することであろう。点１５０および１
５２は、それぞれがp 軸から等しい距離にありかつピー
ク１５１に対して曲線８０上の同様の位置にあるという
点において、垂直軸p のまわりに対称的にバランスされ
ている。結果として得られた位相シフト曲線１４２上の
点は、曲線８０を経由して表わされ。この結果として得
られた光学的出力信号は、曲線１６６により示される強
度対時間波形を有する。曲線１６６が第１調波成分を有
しないので、ロック−イン増幅器４６からのライン１３
２上の誤差信号は、ロック−イン増幅器がすべての成分
を通すが周波数ｆ_ｍの第１調波成分を通さないので、０
となるであろう。検出器３０は光強度曲線１６６に比例
する電気信号を出力し、したがってライン４８上のこの
電気信号もまた第１調波成分を有しない。

第１調波位相シフト曲線が第１２図の量z に等しい振幅
を有しないならば、すなわち第２調波成分１４８がΔφ
_Ｒにほぼ等しい振幅を有しないなばらば、結果として得
られた位相シフトのピーク１６２におよび１６４は、点
１５０および１５２におけるバランスされた対称的に位
置される位相シフトを近似的に表わさないであろう。こ
れは、曲線１６６に似ておらずかつフーリエの第１調波
成分を有する出力光信号１６６をもたらすであろう。第
１１図の検出装置に対しては、ＡＣ信号発生器４０は、
ライン４４上の第１調波駆動信号の振幅Δφ_１が第１２
図の量z において一定であり続け、かつこの周波数が上
述した「適切な」周波数において維持されるように調整
される。この振幅z は、前述したように１．８４ラジア
ンに選ばれる。それゆえに、ライン１４０上の第２調波
駆動信号の振幅Δφ_２が、サグナック位相シフトΔφ_Ｒ
にほぼ適合し、かつ位相シフト器１３６がライン１４０
上に配置されるように調整され、ならびに第２調波位相
シフト曲線１４８のピーク１５４，１５６，１５９，１
６０が第１調波曲線１４６の最大、最小および０交差点
に時間的に同時に起こるように調整されるならば、結果
として得られた位相シフト曲線は第１２図の曲線１４２
により示されるであろう。この結果は、サグナック位相
シフトΔφ_Ｒにより誘起された光学的出力信号１６６の
第１調波成分の実質的な相殺となるであろう。この相殺
は、第２の調波位相変調器１３８の動作によるサグナッ
ク効果の第１調波のフーリエ成分に対して等しい量であ
りかつ等しい周波数であるが、位相が１８０゜ずれた第
１調波成分位相シフトの導入により引き起こされる。す
なわち、曲線１６６は、周波数ｆ_ｍにおけるフーリエ級
数の強度変化の２個の正弦第１調波成分を含むであろ
う。これらの２個の成分は、大きさは等しいが相互に位
相が１８０゜ずれている。一方は、サグナック位相シフ
トによるものであり、他方は第２調波位相変調器１３８
の周波数２ｆ_ｍにおけるファイバの延びにより引き起こ
されるものである。

このように、ライン１３２上の誤差信号が０またはほぼ
０に低下するまで、ライン１４０上の第２調波駆動信号
の振幅Δφ_２を調整することにより、ループの回転速度
が、誤差０の信号を引き起こす第２調波駆動信号の振幅
を観察することによりどれぐらいであるかを決定するこ
とが可能となる。さらに、このことは、第１２図の曲線
１４６を、第２、第３あるいはより高い曲線８０のロブ
（lobe）にバイアスするのに十分なサグナック位相シフ
トを通常引き起こすであろう大きな回転速度に対してさ
えもあてはまる。ロック−イン増幅器４６の出力が０に
低下するまで、第２調波駆動信号の振幅を調整する方法
は、開ループの実施例で要求されたように手動で行なう
こともでき、また閉ループ装置におけるように自動的に
行なうことも可能である。

次に、全体の効果は、結果として得られた位相シフト曲
線についての動作点を、第１２図の曲線８０の第２のよ
り高いロブ（lobe）の曖昧な範囲へ、すなわち第１２図
の曲線８０上の点９５および９７を通る範囲へ、通常移
動させるであろう回転速度の検出を許容することであ
る。すなわち、この発明は、従来技術のセンサにおけ
る、いくつかの可能性のある回転速度のうちいずれがそ
の特定の特性の検出器出力を引き起こしたかを検知し得
ない、より高い回転速度に対する検出器からの出力信号
中の曖昧さを除去するための手段を与える。そして、こ
の拡大されたダイナミックレンジは、感度の低下を全く
伴わずに得られる。なぜならば、曲線８０のロブの両側
のスロープは変化しないからである。

好ましい実施例では、第２の調波位相変調器１３８は、
第１調波位相変調器の位置とループ１４の中心との間の
中間の点においてループ１４内に配置される。この位置
では、２ｆ_ｍで動作する位相変調器１３８は、この周波
数がｆ_ｍにおける位相変調器３８の位置により固定され
るので、その「適切な」周波数の位置に置かれるであろ
う。

第１３図は、誤差修正変調器１３０の一実施例を示す。
この実施例では、ライン１３２上の誤差信号は、加算器
として接続された演算増幅器の変換入力側に結合され
る。実用的な加算器の正確な構造の詳細は、当業者にお
いて周知であり、したがってこれらの詳細についての議
論はここでは行なわない。演算増幅器の技術分野におい
て周知のように、コンデンサを通過して拡大された負の
帰還電圧は、点１７０を現実のグラウンドに維持しよう
とする。すなわち、点１７０における電圧は、負帰還に
より、０もしくはボルトの近傍に保持される。しかしな
がら、この事実上の短絡により、電流はグラウンドには
全く流れない。インピーダンスＲ_０１７２により表わさ
れる、ロック−イン増幅器の出力インピーダンスを通る
演算増幅器１６９への入力電流ｉ_ｉｎは、その出力イン
ピーダンスＲ_０により分割されたロック−イン増幅器４
６の出力誤差電圧に等しい。なぜならば、点１７０から
グラウンドへのインピーダンスは、０であるからであ
る。しかしながら、節１７０からグラウンドへ電流が流
れないため、入力電流ｉ_ｉｎは、コンデンサ１６８の通
り流れ、かつグラウンドに対する出力電圧Ｖ_０は、時間
の関数としてライン１７４上に現われる。時間の関数と
してのこの出力電圧Ｖ_０の表現は、 で表わされる。なお、式中、Ｃはコンデンサ１６８の容
量を示す。

第１４図を参照して、演算増幅加算器１６９の応答特性
が示される。第１４Ａ図は、ライン１３２上の仮想的な
誤差信号を示す。ライン１７４上の加算器の出力電圧Ｖ
_０は、第１４Ｂ図にプロットされている。

第１４Ｂ図から、０の誤差信号に対して、出力電圧曲線
が０のスローブを有し、かつ０でない増加する量の誤差
信号に対して、Ｖ_０に対する出力電圧曲線のスローブの
量が増加することがわかる。すなわち、スローブの符号
は、誤差信号が正であるかあるいは負であるかに依存
し、かつ時間的に任意の瞬間のスローブの傾きは、その
瞬間における誤差信号の量に依存する。

誤差信号が当初の点から点１７６まで増加すると、加算
器の出力信号Ｖ_０は点１７６Ｂまで増大する。第１３Ｂ
図を参照して、モトローラ社により製造されているＭＣ
Ｌ４９６Ｌのような従来のバランスされた変調器および
関連の回路は、ライン１７４上のこの入力電圧Ｖ_０を、
ライン１４０上の第２調波駆動信号の包絡線状の対応の
変化に変換する。すなわち、変調器１８８は、ライン１
７４上の信号により、ライン１２８上の固定された振幅
の第２調波信号を振幅変調する。ライン１４４上のこの
第２調波駆動信号は、次に、第１１図の従来の位相シフ
トキー１３６においてその位相がシフトされ、かつ第２
調波位相変調器１３８へ入力される。

ライン１４０上の第２調波駆動信号の振幅が増加するに
つれて、第２調波位相変調器１３８により引き起こされ
る光学的出力信号中の第１の調波成分の振幅が上昇し始
める。この振幅が十分に大きくなったとき、回転により
引き起こされた第１の調波成分を相殺しようとする。こ
れは、第１４Ａ図の点１７６および１７７間に示される
ような誤差信号を低減しようとする。減少する誤差信号
は、点１７６Ｂおよび１７７Ｂ間に示されるような第１
４図の加算器出力電圧Ｖ_０のスロープの勾配を変化させ
る。第１４Ａ図の点１７７では、第２調波駆動信号の量
は、回転により引き起こされたすべての第１の調波成分
を相殺するのに丁度の量であり、したがって誤差信号は
０となるであろう。これは、点１７７Ｂおよび１７８Ｂ
間のＶ_０に対する加算器出力電圧曲線の平坦な０でない
点により反射される。

この仮想的な状況における時間１７８では、ループ１４
の回転速度は、誤差信号が変化しかつ第１４Ａ図の１７
８および１８０間に示されるように量的に増加し始める
ように、変化する。このことは、電流ｉ_ｉｎが方向を変
化し、かつコンデンサ１６８の電圧が変化し始めるの
で、出力電圧Ｖ_０の減少をもたらす。これは、第１４Ｂ
図の点１７８Ｂおよび１８０Ｂ間に示されている。この
効果は、第１４Ａ図の点１８０および１８２間に示され
るように、誤差信号を０の方向に戻す傾向を生じさせる
第２調波駆動信号の振幅を減少させることである。

この仮想的な状況における時間１８２では、再度、ルー
プ１４の回転は、点１８２および１８４間に示されるよ
うな誤差信号曲線を平坦にするように、サグナック位相
シフトにより多くの第１調波成分が発生されるように変
化する。このことは、加算器出力電圧を一定の傾きで降
下させ、点１８２Ｂ，１８４Ｂ間の第２調波位相変調の
振幅を減少させる。

時間１８４では、ループの回転速度は、再度変化する
が、誤差信号は未だ負であり、かつ０ではない。０でな
い誤差信号により、加算器出力電圧Ｖ_０は減少を続けら
れ、それによって第２調波駆動信号の振幅を変化し、か
つ点１８４および１８６間に示されるように誤差信号を
０の方向に移動させる。

誤差信号が０に達したならば、加算器出力電圧は、相殺
振幅が、サグナック効果により発生された第１調波成分
のすべてあるいはほとんどすべてを相殺するどのような
ところにおいても定常状態を保持する。時間１８６にお
けるこの状況は、０でない一定のループ１４の回転速度
を表わし、ここではライン１４０上の第２調波駆動信号
の振幅が、光学的出力信号のサグナック効果により発生
された第１調波成分を正しく相殺するような適切なレベ
ルに調整されている。この状況は、第１２図の均衡され
た点１５０および１５２間の動作を表わす。

当業者は、回転が一方向に加速し続けるならば、出力電
圧Ｖ_０は上記の安全なレベルに上昇し、かつたとえば第
１３図の回路のため振幅変調器１８８における成分の減
少を引き起こすことを理解し得るであろう。このような
減少を避けるために、装置を限界づける電圧が、Ｖ_０の
最大の正および負の電圧の変動を制限するために、加算
器に結合されるべきである。

第１５図を参照して、第１３図の加算器１９０を置換え
るための誤差修正変調器回路１３０の一部についての好
ましい実施例が示されている。この実施例では、差動増
幅器１９２は、ライン１３２上の誤差信号に結合された
変換入力を有し、かつライン１７４により振幅変調器１
８８に結合される出力側を有する。

第１５図に示した装置の動作は、第１６図を参照するこ
とにより、より一層理解されるであろう。第１６図は、
差動増幅器１９２に結合された３ポート・ネットワーク
１９６により表わされたこのセンサの構成部品ととも
に、略図的に回転センサ全体を表わすものである。この
センサの光学的部分および大半の電子的構成部品は、２
個のインピーダンスＺ１およびＺ_２のいずれかの側に結
合された２個の入力を有する電圧分割インピーダンスネ
ットワーク１９６により示されている。この分割器の中
点は、差動増幅器１９２の変換入力側に結合されてい
る。回転がループに与えられると、回転信号（simboli
c）は、３ポート・ネットワーク１９６の前記入力側に
与えられ、このネットワークは差動増幅器１９２の変換
入力側に結合されたライン１３２へ誤差信号を与える。
この入力誤差信号と、ライン１３３上、この場合には設
置電位である基準信号との間の差は、差動増幅器１９２
により増幅され、かつ変換されかつ増幅された差信号
は、出力ライン１９４に与えられる。この出力ラインも
また、負の帰還が回転信号により引き起こされた点１９
８における電圧を相殺しがちなインピーダンスＺ_１を介
して生じるように、ネットワーク１９６の第１の入力側
に結合されている。次に、ライン１９４上の信号は、点
１９８での電圧の変動を極小にしようとする。点１９８
は、第１１図におけるロック−イン増幅器４６の出力側
を物理的に表わす、インピーダンスＺ_１およびＺ_２は、
この装置の光学的部分および電子的部分の全体の移植機
能およびループのゲインを表わす現実のインピーダンス
である。

この装置の時間応答、移相マージン、バンド幅および感
度は、用途に応じた設計変更の問題であり、かつ標準的
な負帰還装置解析は、システムのパラメータを確立する
のに用いることができる。

インピーダンスＺ_１を通るフィードバックの効果は、ロ
ック−イン増幅器の出力ライン１３２上の誤差信号の変
動を、第１０図のボックス２００により示される小さな
範囲まで制限することである。この範囲は、設計変更の
問題であり、かつ差動増幅器１９２のゲインに依存する
ものである。より大きなゲインは、この入力信号の変動
のより小さな範囲、すなわちより小さなボックスである
が安定性を欠くものをもたらす。

ライン１４０上の第２調波駆動信号の量を増減させるこ
とにより、誤差信号を０またはほぼ０に減少させるよう
に、０でない誤差信号に反応するすべての構造が、この
発明の目的に適うものであろう。いくつかの実施例につ
いては、誤差信号を０またはほぼ０に低減させる。第１
調波駆動信号に対する相殺振幅および位相に、第２調波
駆動信号レベルを維持することが望ましいであろう。こ
の機能を達成するのに用いられる正確な回路は、この発
明にとって際どいものではない。

誤差修正変調器に用いられ得る代わりの回路は、第１７
図に示される。この実施例では、ライン１３２上の誤差
信号は、比較処理装置２０１の入力側に結合される。比
較処理装置は、この場合には接地電位である基準入力端
子２０３に与えられる基準電圧を有する。比較装置は、
ライン１３２上の誤差信号を、ライン２０３上の基準信
号と比較し、かつ３個の出力のうち１個を発生する。誤
差信号が正でありかつ０でないならば、出力ライン２０
５は論理２０１レベルであうように能動化される。誤差
信号が負でありかつ０でないならば、ライン２０７は活
性化される。最後に、誤差信号が基準信号に等しいなら
ば、＝ライン２０５が能動化される。

アップ・ダウン・カウンタ２１１は、ライン２０５に結
合されたアップ入力を有し、かつライン２０５が能動化
されると０から計数を開始する、２進カウントは、任意
の瞬間におけるバス２１３上のデータがカウントの２進
教示を表わすところのカウントの進行として、出力バス
２１３上のデジタルパターンを連続的に変化する。

デジタル−アナログ変換器は、バス２１３上の２進カウ
ント値を連続的にあるいは定期的にサンプリングし、か
つデジタル・データをライン１７４上のアナログ出力信
号に変換する。このアナログ信号は、ライン１２８上の
第２調波駆動信号を振幅変調しかつこれをライン１０４
上に与えるために、従来の振幅変調器１８８により行な
われる。

第２調波駆動信号の変化する振幅は、ライン１３２上の
誤差信号の変化として反映される。すなわち、誤差信号
は、基準信号電圧の方に向かうであろう。

誤差信号が基準信号に達すると、比較装置２０１は、ラ
イン２０９を能動化し、該ライン２０９はカウンタ２１
１の停止入力に接続されており、それによってカウント
を停止させる。Ｄ／Ａ変換器は、次に、誤差信号が再度
変化するまで、そのときのレベルに、第２調波駆動信号
の振幅レベルを一定に保持する。

誤差信号は負および０でないようになると、この処理自
身が繰返し、しかしながらカウンタ２１５は０あるいは
そのときの正のカウントから減算を開始する。ライン２
０７が能動化されてカウントが０であるならば、デコー
ダ２１７は、偏光符号ライン２１９を能動化し、該ライ
ン２１９は、Ｄ／Ａ変換器を、ライン１７４上のアナロ
グ出力電圧の符号を変化させる。ライン２０７が能動化
されてカウンタが０でなくなったならば、デコーダ２１
７はライン２１９を能動化せず、かつＤ／Ａ変換器は、
ライン２０５が能動化されるがカウントが減少につれて
振幅が低下し始める場合と同様の符号に、ライン１７４
上のアナログ信号を維持する。このプロセスは、ライン
２０９が能動化されるまで続く。

回転センサが線形である否かを決定するためには、第２
調波の波形の振幅をサグナック位相シフトの量に関連づ
ける伝達関数が得られねばならない。数学的に、これ
は、光学的出力信号についての表現を得、かつこの第１
調波について解くことにより行なわれる。この光学的出
力信号は、第１２図における曲線８０の表現についての
議論と同様に、曲線１４２に対して第１２図に示した結
果として得られた位相シフトについての表現を置換える
ことにより表わされ得る。この曲線８０は、 で表わされ、式中、 Ｐ（t ）＝時間の関数としての光学的出力： Ｐ_０＝ピークの光学的出力：ならびに Δφ＝互いに反対方向に伝播する波Ｗ１およびＷ２間の
全位相シフトである。

曲線１４２についての表現を式（１２）のΔφに対して
置換えると、 となり、この式ではすべての項は式１２および第１２図
で用いられたように表わされる。

式（１３）のフーリエ変換の第１調波成分について解く
と、 となり、この式（１４）においてＪ_ｎ＝第１種のベッセ
ル関数である。

それゆえに、サグナック位相シフトΔφ_Ｒと、このサグ
ナック位相シフトにより生じる光学的出力信号の第１調
波成分を正確に相殺するための周波数２f における第２
調波位相シフトの量Δφ_２との間の関係は、 となる。

式（１５）をプロットすると、この曲線は第１８図に表
わされたもののようになる。この曲線は、このセンサが
大きなサグナック位相シフトに対してはほぼ線形である
が、小さなサグナック位相シフトに対しては線形からや
や外れることを示している。

小さくサグナック位相シフトΔφ_Ｒおよび小さな振幅の
第２の調波Δφ_２に対する結果として得られた位相シフ
ト曲線は、曲線１４２として第１９図に示される。２０
２における小さな「隆起（bump）」は、曲線８０を経由
して、光学的出力信号についての曲線２０６上の「隆
起」２０４に移る。

２．５ラジアンまでのサグナック位相シフトについての
伝達関数はは、第２０図において、サグナック位相シフ
トΔφ_Ｒの影響を相殺するのに必要な第２調波成分の振
幅Δφ_２に対してプロットされている。第２０図は、こ
の小さなサグナック位相シフト領域における伝達関数の
独特の曲線を明瞭に示している。第２０図の曲線に沿う
ドットは、実験的に決定されたデータ点を表わすもので
ある。

伝達関数は、いくつかの領域において線形ではないた
め、第２調波駆動信号の振幅をサグナック位相シフトの
量に移植するのに用いられる線形要素が、誤差を導く。
伝達関数を記憶するために、あるいは第２調波駆動信号
の相殺振幅を与えられた回転速度もしくはサグナック位
相シフトについての伝達関数を解くために、装置が出力
側に設けられてもよい。すなわち、サグナック位相シフ
トにより出力中の第１調波成分をキャンセルするライン
１４０上の第２調波駆動信号の振幅から、回転速度すな
わちサグナック位相シフト自身へ変換することが有利で
ある。これは、第１１図における出力表示回路２０８の
目的とするところである。

第２１図は、出力ディスプレイ２０８についての好まし
い回路を示す。ライン１４０上の第２調波駆動信号は、
ロック−イン増幅器２１０の入力側に結合される。ロッ
ク−イン増幅器は、第２調波駆動信号にチューニングさ
れており、すなわち基準信号として、第１１図の倍周器
１２６からのライン１２８上の変調されていない第２調
波信号を有する。ロック−イン増幅器２１０の目的は、
所望の第２の調波の波形を散在させるライン１４０上の
すべてのノイズを取り去ることである。このノイズは、
出力ライン、電磁妨害、ライン４４上の第１調波駆動信
号とのクロストームならびに倍周器内のリストーション
のような他のノイズ源から生じるものである。

ライン２１２上の出力信号は、ロック−イン増幅器の出
力側２１２でのフィルタを通された第２調波駆動信号の
振幅に比例し、かつアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換
器２１４に結合され、この変換機２１４では、デジタル
データに変換される。このデータは、マイクロプロセッ
サあるいはコンピュータ２１６により用いられ、式（１
５）の伝達関数により決定されるような第２調波駆動信
号の各振幅に対応する回転速度に関係するデジタルデー
タを記憶するメモリ２１８内のルックアップ・テーブル
をアドレスするのに用いられる。

Ａ／Ｄ変換器２１４の出力側２１７におけるデジタルデ
ータは、ライン１４０上の第２調波駆動信号の特定の振
幅に対する対応のサグナック位相シフトあるいは回転速
度を表示するデジタルデータを記憶するＲＯＭ２１８内
の適切なアドレスをアクセスするのに、マイクロプロセ
ッサ２１６により用いられる。このアドレス機能を果た
すためのマイクロプロセッサ２１６についてのプログラ
ムは、当業者であれば自明であり、かつこの機能を果た
すための任意のプログラムで十分であろう。ＲＯＭから
出力されたデジタルデータは、次に、デジタル−アナロ
グ変換器２２０によりアナログ形に変換されることがで
き、あるいはそのデジタルのまま用いることもできる。

他の実施例では、マイクロプロセッサ２１６は、変数Δ
φ_２としてＡ／Ｄ変換器２１４からのデータを用いるこ
とにより、式（１５）の伝達関数を解くためプログラム
され得る。この実施例では、ＲＯＭ２１８は、式（１
５）で必要な計算を実施するためのプログラムを含むで
あろう。この演算を行なうのに用いられる正確なプログ
ラムは問題ではなく、この演算を行なうためのプログラ
ムは当業者において公知のものであろう。この演算を行
ない得るすべてのプログラムが、この発明の目的に適当
なものであろう。

他の実施例は、ロック−イン増幅器２１０の代わりにＲ
ＭＳ電圧計を用いるものであるが。このような構造は誤
差を導くであろう。なぜならば、ライン１４０上のすべ
てのノイズは平均化され、第２調波駆動信号の誤った振
幅として誤って翻訳されるからである。ＲＭＳ電圧計
は、第２２図に示すように電圧の中点に入力を有する。
この第２調波駆動信号は、抵抗Ｒ１およびＲ２からなる
電圧分割器の節２２１に与えられる。抵抗Ｒ１およびＲ
２は、節２２１における第２調波駆動信号の任意の振幅
に対して、回転速度に比例する振幅を有する信号が節２
２２に拡大されうように、抵抗Ｒ１およびＲ２は、この
線形領域内の伝達関数のスロープを反映するように選ば
れる。この信号は、サグナック位相シフトあるいは回転
速度として読取られるべきＲＭＳ電圧計の入力に結合さ
れる。

さらに、オシロスコープが、第２調波駆動信号の振幅を
検出するために、第２３図に示されるようなＲＭＳ電圧
計の代わりに用いることもできる。再び、オシロスコー
プに入力をスケールするために、抵抗Ｒ３およびＲ４か
ら、線形のスケール・ネットワークが構成される。第２
２図および第２３図の実施例は、伝達関数の線形領域内
で最も正確である。

第２調波周波数における波形の測定を行ない得る他の装
置を、出力表示回路２０８のために用いることもでき
る。たとえば、アナログ曲線整合装置が、伝達関数曲線
を補償するためにならびに回転速度に比例する出力を与
えるために用いられ得る。さらに、第２１図のＲＯＭル
ック・アップテーブルおよびマイクロプロセッサは、単
純化された第２１図の実施例が近似した結果についての
ほぼ線形領域内で用いられ得るように、伝達関数曲線の
ほぼ線形領域内で不要とされ得る。

第２４図の開ループの実施例は、帰還が存在しないこと
を除いては、第１１図の閉ループの実施例と同様に動作
する。

第２４図を参照し、この２個の調波、開−閉構造につい
ての基本的構造は、１つの変数を除いては第１図に示し
たものと同一である。それは、ＡＣ発生器４０が、周波
数ｆ_ｍに第１調波成分を有し、周波数２ｆ_ｍに第２調波
成分を有する位相変調器３８に対しての駆動信号を発生
させることである。この第２調波成分の効果は、第１１
図に関して上述したものと同一である。第２４図に示し
たこの発明の実施例における他のすべての構成部品は、
第１図において相当するものと同一の構造を有しかつ同
一の機能を有する。しかしながら、ＡＣ発生器４０は、
第２調波成分の量を、回転により引き起こされた第１調
波周波数での光学的出力信号の成分を相殺するのに十分
な振幅まで手動で制御され得るように若干修正されてい
る。

ループの回転速度を検出するための、この発明の方法
は、ループ内を互いに反対方向に伝播する波を、第１調
波周波数ｆ_ｍで位相変調させるステップを含む。この周
波数ｆ_ｍにおける第１調波成分の振幅は、次に、このル
ープの光学的出力信号に検出される。この互いに反対方
向に伝播する波は、次に、回転により引き起こされた光
学的出力信号内の第１の調波成分をキャンセルするのに
十分な振幅における第２調波周波数すなわち２ｆ_ｍにて
位相変調される。

より詳細には、光学的出力信号の第１調波成分の振幅
は、それに比例するＤＣ誤差信号に変換される。この誤
差信号は、次に、ループ体の第２調波位相変調器につい
ての第２調波駆動信号の振幅を制御するのに用いられ
る。次に、第２調波成分駆動信号のレベルは、誤差信号
が光学的出力信号内の第１調波成分に対して実質的０の
振幅レベルを示すまで、増減する。光学的出力信号内の
第１調波成分の振幅を０に低減させる第２調波駆動信号
の振幅は、ループの回転速度の指標となる。

サグナック効果による回転センサの回転速度演算方法
は、第１位相変調器が動作するところにおける第１周波
数にてこのセンサの光学的出力信号内の第１調波成分の
量を検出することを備える。

回転センサ内を互いに反対方向に伝播する波は、次に、
好ましい実施例では第１周波数の正確な調波であるべき
である、第２周波数にて位相変調される。他の第２周波
数は、ドリフトあるいは「追跡（hunt）」を引き起こす
ループの安定性に大きく影響する誤差信号内の時間変化
成分をもたらし得る。第２周波数位相変調の振幅および
位相は、第１周波数における光学的出力信号の成分を相
殺するように、第１周波数位相変調に対して調整され
る。第２周波数における、ならびに相殺振幅における位
相変調の特性は、次に、対応の回転速度に、伝達関数を
経由して変換される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ファイバ光学物質からなる連続的な遮断され
ていないストランドに沿って配置されたファイバ光学構
成部品を示し、さらにこの検出装置に関連する信号発生
器、光検出器、ロック−イン増幅器および表示器を示
す、この発明において用いられる基本的な回転センサの
略図である。第２図は、第１図の回転センサに用いるた
めのファイバ光学方向性結合器の一実施例の断面図であ
る。第３図は、第１図の回転センサに用いるためのファ
イバ光学偏光器の一実施例の断面図である。第４図は、
第１図の回転センサに用いるためのファイバ光学偏光制
御器の一実施例を示す斜視図である。第５図は、第１図
の回転センサから、偏光器、偏光制御器および位相変調
器が除去された状態を示す略図である。第６図は、複屈
折により誘起された位相差および複屈折により誘起され
た振幅変動の影響を表わす、回転により有価されたサグ
ナック位相差の関数として、光検出器により測定された
光学的出力信号の強度を示す図である。第７図は、互い
に反対方向に伝播する波のそれぞれの位相変調を示す時
間の関数としての位相差、ならびに互いに反対方向に伝
播する波の間の位相差を示す図である。第８図、ループ
が静止しているときの、検出器により測定された、光学
的出力信号の強度への位相変調の影響を表わす略図であ
る。第９図は、ループが回転しているときの検出器によ
り測定された光学的出力信号強度への位相変調の影響を
示す略図である。第１０図は、回転により誘起されたサ
グナック位相差の関数として、増幅器出力信号を示す図
であり、第１図の回転センサについての動作範囲を表わ
す図である。第１１図は、拡大されたダイナミックレン
ジを有する閉ループの回転センサの好ましい実施例を示
す図である。第１２図は、第１および第２の調波位相変
調から生じる全体の位相シフト、ならびにそこから生じ
る光学的出力信号を示す図である。第１３図は、誤差修
正変調器の回路図である。第１４図は、サンプルの誤差
信号への第１３図の変調器の応答を示す図である。第１
５図は、好ましい誤差修正変調器の図である。第１６図
は、第１５図に示した誤差修正変調器を用いるセンサ全
体の略図からである。第１７図は、第１１図の閉ループ
の実施例において用いられ得る他の誤差修正変調器の図
である。第１８図は、回転センサの伝達関数の図であ
る。第１９図は、第１および第２調波位相変調および小
さな回転速度についての全体の位相シフトを示す図であ
る。第２０図は、小さな回転速度に対するセンサの伝達
関数の図である。第２１図は、第２調波駆動信号の振幅
を回転速度へ変換するための回転センサについての出力
回路の好ましい例を示す図である。第２２図は、伝達関
数の線形領域内で用いられ得る出力表示回路を示す図で
ある。第２３図は、伝達関数の線形領域内で用いられ得
る他の出力表示回路を示す図である。第２４図は、拡大
されたダイナミックレンジを有する回転センサの開ルー
プの例を示す図である。 図において、１０は光源、１２は光ファイバ・ストラン
ド、１４はループ、２４は偏光制御器、２６は方向性結
合器、２８，２９はファイバ、３０は光検出器、３２は
偏光器、３４は結合器、３６は偏光制御器、３８は変調
器、４０は信号発生器、４４はライン、４６はロック−
イン増幅器、４７は表示パネル、５０Ａ，５０Ｂは光フ
ァイバストランド、５３Ａ，５３Ｂはブロック、５４は
相互作用領域、６０は複屈折物質、７０はベース、７２
はブロック、７４はスプール、７６はシャフト、７８は
コイル、９４は正弦曲線を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ビヤング・ユ−ン・キム アメリカ合衆国カリフオルニア州スタンフ オ−ド・エスカンデイ−ドウ・ビレツジ48 シ− (56)参考文献 特開 昭55−93010（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−500458（ＪＰ，Ａ) Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｐｈｏｔｏ−Ｏ ｐｔｉｃａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔ ｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，ｖｏｌ. 157，“Ｌａｓｅｒ Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｒｏｔａｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｏｒｓ，”Ａ ｕｇｕｓｔ 30−31，1978，ｓａｎ ｐｉ ｅｇｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，Ｐ．131 −136

Claims (28)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一対の光波の対向する伝播のためのループ
   を形成する光学経路と、第１の一定周波数において前記
   光波の周期的な位相変調を引起こす手段と、前記光学経
   路を介する対向する伝播の後に前記光波を結合して、前
   記第１の一定周波数における信号成分を含む光学出力信
   号を形成する装置とを有するファイバ光学回転センサに
   おいて、前記ループの回転などの周囲の影響によって引
   起こされる前記波の間の位相差を検知する装置であっ
   て、 前記第１の一定周波数において前記信号成分を検出する
   検出器と、 前記第１の一定周波数の調波である第２の一定周波数に
   おいて前記光波の位相変調を引起こす位相変調器手段
   と、 前記検出器によって検出された信号成分に応答して、前
   記第２の一定周波数において位相変調の振幅を制御し
   て、前記第１の一定周波数における前記信号成分を所定
   の値に向けて駆動する手段と、 前記制御手段に応答して、前記位相差を示す指示手段と
   を備える、装置。
2. 【請求項２】前記検出器は、前記第１の周波数における
   前記信号成分を帰還誤差信号に変換し、かつ前記制御手
   段は前記帰還誤差信号に応答する、特許請求の範囲第１
   項記載の装置。
3. 【請求項３】前記制御手段は、非ゼロ帰還誤差信号に応
   答し、かつ前記所定の値はゼロに等しい、特許請求の範
   囲第２項記載の装置。
4. 【請求項４】前記制御手段は、前記帰還誤差信号に応答
   して駆動信号を発生して前記位相変調器手段を駆動し、
   前記駆動信号の振幅は、前記位相差の関数である、特許
   請求の範囲第３項記載の装置。
5. 【請求項５】前記検出器は、ロック−イン増幅器の入力
   に電気的に結合された光検出器を含み、前記増幅器は前
   記第１の周波数にチューニングされる、特許請求の範囲
   第１項記載の装置。
6. 【請求項６】前記駆動信号は、前記第２の周波数におけ
   る成分を含み、前記装置はさらに、前記第２の周波数に
   おける前記駆動信号成分を検出して前記位相差を決定す
   る第２の検出器を含む、特許請求の範囲第４項記載の装
   置。
7. 【請求項７】前記第２の検出器は、前記第２の周波数に
   チューニングされたロック−イン増幅器を含む、特許請
   求の範囲第６項記載の装置。
8. 【請求項８】前記位相変調手段は、ＰＺＴ装置と、 前記ＰＺＴ装置を駆動するためのＡＣ信号発生器とを含
   む、特許請求の範囲第１項記載の装置。
9. 【請求項９】前記ＡＣ信号発生器の出力と前記ＰＺＴ装
   置との間に電気的に結合された周波数逓倍器をさらに含
   む、特許請求の範囲第８項記載の装置。
10. 【請求項１０】前記第１の周波数における前記位相変調
    の最大値が前記第２の周波数における前記位相変調の最
    大値に時間において一致するように前記位相変調の相対
    的な位相をシフトさせる位相シフト回路をさらに含む、
    特許請求の範囲第１項記載の装置。
11. 【請求項１１】前記第２の周波数の位相変調の振幅に応
    答しかつ回転速度に対応する信号を発生する出力回路を
    さらに備える、特許請求の範囲第１項記載の装置。
12. 【請求項１２】前記出力回路の出力は、前記検出回路に
    よって検出される第１の周波数成分を相殺するのに必要
    とされる第２の周波数位相変調駆動信号の振幅に対応す
    る、特許請求の範囲第１１項記載の装置。
13. 【請求項１３】前記出力回路は、前記第２の周波数変調
    の振幅に伝達関数を適用して第２の周波数変調を回転信
    号に変換する、特許請求の範囲第１１項記載の装置。
14. 【請求項１４】前記出力回路は、第２の周波数の位相変
    調の振幅に伝達関数によって関連付けられた回転データ
    をストアするためのメモリを含む、特許請求の範囲第１
    ３項記載の装置。
15. 【請求項１５】前記出力回路は、式 を解くようにプログラムされたコンピュータを備え、こ
    こで Δφ_Ｒ＝回転によって引起こされたサグナック位相シフ
    ト； Δφ_１＝第１の周波数位相変調の振幅； Δφ_２＝第２の周波数変調の振幅； Ｊ_Ｘ＝第１の周波数のＸ倍の調波を規定する第１種のベ
    ッセル関数 である、特許請求の範囲第１１項記載の装置。
16. 【請求項１６】前記出力回路はさらに、第１の周波数成
    分を相殺するために要求される第２の周波数変調の振幅
    を検出し、かつそれに応答して出力信号を発生するロッ
    ク−イン増幅器を備え、さらに前記ロック−イン増幅器
    の出力をデジタルデータに変換するアナログ−デジタル
    変換回路を備える、特許請求の範囲第１５項記載の装
    置。
17. 【請求項１７】前記コンピュータは、メモリに対するア
    ドレスを発生することによって前記アナログ−デジタル
    変換器回路からのデジタルデータに応答し、かつ前記メ
    モリは対応する回転データに応答する、特許請求の範囲
    第１６項記載の装置。
18. 【請求項１８】サグナック効果に従って変化する光学出
    力信号を出力するファイバ光学ジャイロにおいて、高速
    で回転検知をする装置であって、 第１および第２の周波数で駆動信号を供給する信号発生
    器と、 前記信号発生器に応答して前記第１の周波数で前記ジャ
    イロにおける光信号を位相変調する第１の位相変調器
    と、 前記第１の周波数において前記ジャイロの光学出力信号
    の成分の振幅を検出しかつ前記成分を帰還誤差信号に変
    換する手段と、 前記信号発生器に応答して前記第２の周波数において前
    記ジャイロにおける光信号を位相変調する第２の位相変
    調器と、 前記帰還誤差信号に従って前記信号発生器からの前記第
    ２の周波数の駆動信号の振幅を制御して前記帰還誤差信
    号の振幅を所定の値に向けて駆動する誤差訂正手段と、 前記第２の周波数駆動信号の最大値および最小値の各々
    が前記第１の周波数の駆動信号の最大値、最小値または
    ゼロ交差点と時間において対応するように前記第１の周
    波数駆動信号に関して前記第２の周波数駆動信号の位相
    をシフトさせる手段と、 前記第２の周波数駆動信号の振幅を示して前記回転を決
    定する手段とを備える、装置。
19. 【請求項１９】前記誤差訂正手段は、総和増幅器を含
    む、特許請求の範囲第１８項記載の装置。
20. 【請求項２０】前記誤差訂正手段は、積分演算増幅器を
    含む、特許請求の範囲第１８項記載の装置。
21. 【請求項２１】前記指示手段は、前記第２の周波数駆動
    信号の周波数にチューニングされたロック−イン増幅器
    を含む、特許請求の範囲第１８項記載の装置。
22. 【請求項２２】前記検出手段は、前記第１の周波数駆動
    信号にチューニングされたロック−イン増幅器を含む、
    特許請求の範囲第１８項記載の装置。
23. 【請求項２３】第１の周波数において位相変調された対
    向して伝播する光波をその中に含む光学ループの回転速
    度を検出する方法であって、 前記対向して伝播する光波を結合して、前記回転速度に
    応答した周波数成分を有する光学出力信号を発生するス
    テップと、 前記光学出力信号の前記周波数成分を検出するステップ
    と、 前記結合された光波における前記周波数成分を実質的に
    減少させるのに十分な振幅で第２の一定周波数における
    前記対向して伝播する光波を位相変調するステップと、 周波数成分の検出を利用して帰還誤差信号を発生するス
    テップと、 前記周波数成分の単一調波周波数における駆動信号を、
    変調信号としての前記帰還誤差信号によって振幅変調す
    るステップと、 前記ループにおける位相変調器に前記振幅変調された駆
    動信号を印加するステップと、 前記駆動信号を検出して前記回転速度を示すステップと
    を備える、方法。
24. 【請求項２４】前記光学出力信号における前記検出され
    た周波数成分に対する実質的に０の振幅を前記帰還誤差
    信号が示すまで前記振幅変調された駆動信号の振幅を増
    大させまたは減少させるステップをさらに含む、特許請
    求の範囲第２３項記載の方法。
25. 【請求項２５】前記第２の周波数において前記光波を位
    相変調するステップは、前記第１の位相変調の最大値が
    前記第２の位相変調の最大値に時間で対応するように前
    記第１および第２の位相変調の相対位相をシフトさせる
    ステップをさらに含む、特許請求の範囲第２３項記載の
    方法。
26. 【請求項２６】前記第２の周波数信号の振幅を、前記結
    合された光波において第１の周波数成分を生じさせる光
    学ループの対応する回転速度に、伝達関数を通じて変換
    するステップをさらに含む、特許請求の範囲第２３項記
    載の方法。
27. 【請求項２７】前記第２の周波数信号の振幅を、特定の
    第２の周波数信号の振幅に対する対応する回転速度を規
    定するデータをストアするメモリにおけるアドレスに変
    換するステップと、 前記アドレスにおけるストアされたデータを検索するス
    テップとをさらに含む、特許請求の範囲第２６項記載の
    方法。
28. 【請求項２８】前記変換ステップは、前記第２の周波数
    の信号の振幅を変数Δφ_２と設定しかつ前記第１の周波
    数の位相変調の振幅をΔφ_１と設定するステップと、Δ
    φ_Ｒ、すなわち回転により引起こされたサグナック位相
    シフトを、次式において： 解くステップを含み、 ここで、Ｊ_Ｘは第１の周波数のＸ倍の調波を規定する第
    １種のベッセル関数に等しい、特許請求の範囲第２７項
    記載の方法。