JPH07503070A - 光ファイバ・ジャイロスコープ変調誤差減少 - Google Patents

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】 光ファイバ・ジャイロスコープ変調誤差減少発明の背景 本発明は光フアイバ装置位相変調器に関するものであり、更に詳しく言えば、状 態が変化する中で内部を進行する電磁波のそのような位相変調を行うための装置 に関するものである。

光ファイバ・ジャイロスコープはそのジャイロスコープを支持している物体の回 転を検出するための魅力的な手段である。そのようなジャイロスコープは超小型 に製作でき、かなりな機械的衝撃、かなりな温度変化、およびその他の極端な環 境に耐えるように製作できる。動く部品が無いから、それらは保守をほとんど不 要にでき、コストの面で経済的になる潜在性を有する。それらは、別の種類の光 学的ジャイロスコープでは問題になる低回転速度にも敏感である。

光ファイバ・ジャイロスコープは、検出すべき回転の中心である軸線を中心とし てコアに巻かれるコイル状の光ファイバを有する。光ファイバの典型的な長さは １００〜２０００メ一トル程度で、閉じた光路の一部である。その光路中に電Ｍ ｉ波、または光波が導入され、コイル中を互いに逆向きに伝わって最終的に光検 出器に入射する一対の波に分割される。コア、またはコイル状光ファイバの検出 軸線を中心とする回転により、そのような波の１つに対して、ある回転の向きで は光路長が実効的に長くなり、逆の向きでは光路長が実効的に短くなる。別の向 きでは逆の結果が起きる。波の間のような光路長の差によって（１ずれの回転の 向きにおいてもそれらの波の間に位相推移が導入される、すなわち、周知のサニ ヤック効果である。回転による位相差推移の量、すなわち出力信号の置が、互い に逆向きに伝わる２つの電磁波がたどるコイルを通る光路全体の長さに依存し、 従って長い光ファイバでは大きな位相差を得ることができるが、コイル状に巻か れている結果として占有体積は比較的小さい。

光検出器装置の光ダイオードからの出力電流は、コイル状光ファイバを互いに逆 向きに伝わった後で検出器に入射する電磁波に応答して、二乗余弦関数に従う。

すなわち、出力電流はそれら２つの波の間の位相差の余弦に依存する。余弦関数 は偶関数であるから、そのような出力関数は位相推移の相対的な向きを示さない ために、コイル軸線を中心とする回転向きについて示さない。また、零位相付近 での余弦関数の変化率、従ってそのような出力関数は低い回転速度では感度が非 常に低い。

それらの満足できない特性のために互いに逆向きに進む２つの電磁波の閏の位相 差は、光学的位相変調器、あるいはバイアス変調器と呼ばれる時もある、をコイ ル状光ファイバの一方の側の光路中に置くことにより、変調される。その結果、 互いに逆向きに伝わるそれらの波の１つはコイル中を伝わる間に変調器を通るが 、コイルを逆の向きに伝わりている他の波はコイルを出る時に変１４器を通る。

また、ｔｊｌ！羽器装置の一部として機能する位相感知検出器が、光検出器出力 電流を表す信号を受けるために設けられる。変調器により行われる振幅変調を減 少または解消するために位相変調器と位相感知検出器をいわゆる「適正な」周波 数で正弦信号発生器により動作させることができるが、同じ基本周波数の他の波 形種類をも使用できる。周波数をより管理できる値へ低下させるためにその他の 周波数を使用でき、かつその他の周波数のことがしばしばである。

位相感知検出器の結果信号出力は正弦関数に追従する、すなわち、出力信号は、 光ダイオードへ入射する２つの電磁波の間の位相差、主として、他の大きくはあ るが望ましくない位相差の発生がない時に、コイルの軸線を中心とする回転によ る位相推移の正弦に依存する。正弦関数は位相推移が零の時に変化率が最大であ り、したがって零位相推移の両側で正弦を代数的に変化する奇関数である。した がって、位相感知検出器信号は、コイルの軸線を中心とする回転がどの向きに起 きるかを指示でき、かつ零回転速度付近の回転速度の関数として信号値の最大変 化率を与えることができる、すなわち、検出器の出力信号が低い回転速度に対し て感度が高いように、零付近の位相推移に対する検出器の感度が最高である。も ちろん、これは他の原因、すなわち、誤差に基づく位相推移が十分に小さい場合 だけ可能である。また、それらの環境におけるこの出力信号は、比較的低い回転 速度においては直線にＪｌ：常に近い。位相感知検出器の出力信号に対するその ような特性は、先位相変Ｘ無しの光検出器の出力電流の特性より大幅な改善であ る。

従来技術からそのような装置の例が図１に示されている。装置の光学部分は、こ の装置が可逆的である、すなわち、後で述べるように、可逆的でない位相差推移 の特性の導入を除き、逆向きに伝わる各電磁波に対してほぼ同一の光路が生ずる 。コイル状光ファイバは、検出すべき回転の中心を成す軸線の周囲に巻かれる単 一モード光ファイバを用いてコアまムは巻き枠の周囲にコイル１０を形成する。

単一モード光ファイバを使用することにより電磁波すなわち光路を一意に定める ことができ、かつそのような導かれる波の位相前面を一意に定めることもできる 。これは可逆性の維持を極めて大きく支援する。

また、避けることができない機械的ストレス、磁界中のファラデー効果、あるい はその他の源からひき起こされて、互いに逆向きに伝わる波の間の変化する位相 差推移を生じさせることがある分極化変動が比較的大きくなるように、ファイバ 中に非常に大きい複屈折が構成される。したがって、装置中の他の光学部品に応 じて電磁波を伝播させるために、高い屈折率の軸線、すなわちより遅い伝播軸線 、または低い率が選択される。この装置においては、ここで用いられる光学部品 を考慮して遅い軸線が選択されている。

コイル１０内を互いに逆向きに伝わる電磁波は図１における電磁波源、または光 源１１から供給される。この源は典型的にはレーザダイオードである。レーザダ イオードは典型的な波長が８３０ｎｍである、典型的にはスペクトラムの近赤外 線部分にある電磁波を供給する。コイル１０における散乱側におけるレイレーお よびフレネル散乱によるそれらの波の間の位相推移差を減少させるために、源１ １は放射される光のために短い可干渉性波長を持たなければならない。コイル１ ０中の非直線カー効果のために、互いに逆向きに伝わる２つの電磁波の強さの違 いが、それらの間の位相差を異なるようにすることがある。この状況は、源１１ として短い可干渉性波長を持つことによっても克服できる。そうすると形式上の 位相推移打ち消しが行われることになる。

レーザ・ダイオード１１と光ファイバ・コイル１０の間には、コイル１０を形成 している光ファイバの端部を全体の光路をいくつかの光路部分へ分離するいつか の光学的結合部品間へ延長させる、図１における光路装置が示されている。偏光 維持光ファイバの一部が、最適光放射点においてレーザ・ダイオード１１に対し て位置させられる。その点から第１の光学的方向性結合器１２まで光ファイバが 延長する。

光学的方向性結合器１２は光伝送媒体を含む。この光伝送媒体は４つのボートの 間に廷びている。２つの点がその媒体の各端部上にあり、図１においては結合器 １２の各端部に示されている。それらのボートの１つが、それに対して位置させ られているレーザ・ダイオード１１から延長する光ファイバを有する。光学的方 向性結合器１２の感知端部における別のボートには、それに対して位置させられ ている別の光ファイバが示されている。その光ファイバは、光検出器装置１１１ ４へ電気的に接続される光ダイオード＋３に対して位置させられるように延長す る。

光ダイオード１３は、それに対向して位置させられている光ファイバから入射す る電磁波、または光波を受け、応答して光電流を供給する。この光電流は、上記 のように、入射するほぼコヒーレントな２つの光波の場合には、そのような一対 のほぼコヒーレントな光波の間の位相差の余弦に依存する光電流出力を供給する に際して余弦関数に追従する。この光起電力装置は非常に低いインピーダンスで 動作して、入射する放射の直線関数である光電流を供給する、典型的にはｐ−１ −ｎ光ダイオードとすることができる。

光学的方向性結合器１２はその他の端部のボートに別の光ファイバを有する。

その光ファイバは偏光器Ｉ５まで延長する。結合器１２の同じ側における他のボ ートにおいては、光ファイバの別の部分を含めて、非反射性の終端装［１１Ｂが 存光学的方向性結合器１２は、その任意のボートに電磁波または光を受け、その およそ半分が、入来ボートを有するその端部とは反対側の端部の結合器１２０２ つのボートのおのおのに現れる。他方、結合器１２の入来光ボートと同じ端部に おけるボートへはそのような波または光は送られない。

偏光１１１ｔ１５が用いられる理由は、単一空間モードファイバにおいてさえも 、ファイバを通る１Ｍｉ波において２つの偏光モードが可能だからである。した がって、それらの偏光モードの１つを上記遅い軸線に沿って光ファイバを通らせ 、他の偏光モードを阻止する目的で偏光器１５が設けられる。しかし、偏光器１ ５は阻止することを意図している１つの偏光状態にある光を完全に阻止するわけ ではない。

また、このためにその内部を互いに逆向きに進む２つの電磁波の間で小さい非可 逆位相推移が生じさせられるから、それらの電磁波の間に小さい非可逆位相推移 差が生じさせられる。その非可逆位相推移差は偏光器が置かれている環境の状態 に応じて変化することがある。これに関して、用いられている光フアイバ中の高 い複屈折が、上記のように、この結果としての位相差を減少することを再び支援 偏光器１５はそれのいずれの端部にもボートを有する。電磁波伝送媒体がその内 部でボートの間に位置させられる。それの端部におけるボートのうち、光学的方 向性結合器１２へ接続されているボートとは反対側のボートに別の光ファーイバ の部分が位置させられる。その光ファイバは別の光学的方向性結合器１７まで延 長する。その光学的方向性結合器は結合器１２と同じ波伝送特性を有する。

偏光器１５へ結合されているボートがある結合器１７の同じ端部におけるボート が、別の光フアイバ部分を用いて非反射性終端装置ｌｌ！１８へ接続される。結 合器１７の他の端部におけるボートについて考えると、１つはコイル１０中の光 ファイバの１つの端部から延びている光路中の光学部品へ接続される。他のボー トは光ファイバ１０の残りの端部へ直結される。コイル１０と結合器１７の間の 、コイルｌＯの直結されてインタフェースする側とは反対の側には、光学的位相 変調器１９が設けられる。光学的位相変調器１９は、図１にそれの両端部が含ま れているのが示されている伝送媒体の両端部に２つのボートを有する。コイルｌ Ｏからの光ファイバは変調器１９のボートに取り付けられる。結合器１７から延 長する光ファイバは変調器１９の他端部に取り付けられる。

光度ｇ器１９は電気信号を受けて、それらの電気信号によって伝送媒体、または 複数の伝送媒体の屈折率を変化させることにより内部を通る光路長を変える。

それにより伝送させられている電磁波に位相差を導入させる。それらの電気信号 はバイアス変調信号発生器２０により変Ｘ器１９へ供給される。そのバイアス変 調信号発生器は変調周波数ｆ、の正弦波電圧出力信号を発生する。その変調周波 数はＣ，５ｉｎ（ω、１）に等しくする事を意図するものである。ここに、ω９ は変調周波数ｆ、のラジアン周波数に等しいものである。他の適当な周期的波形 も代わりに使用できる。

これによって、源Ｉ＋により放射された電磁波、または光波がたどる光路に沿っ て形成された、図１に装置の光学部分の説ｆ１は終わりである。そのようなｔ４ 磁波はその源から光フアイバ部分を通って光学的方向性結合器１２へ結合される 。

源１１から結合器１２へ入るその波のいくらかは、それの反対側のボートへ結合 されている非反射終端９１１１Ｂにおいて失われるが、その波の残りは偏光器１ ５を通って光学的方向性結合器１７へ送られる。

結合器１７はビーム分割装置として機能する。このビーム分割装置においては偏 光１１５から受け、そのボートに入る電磁波をほぼ半分に分割する。それの一方 の部分はそれの両端における２つのボートの各ボートから出る。結合２１１７の 他端部における１つのボートから電磁波は光ファイバ・コイル１０と変調器１９ を通って結合器１７へ戻る。そこで、この戻る波の一部が、結合器１７の偏光器 １５の接続端部における他のボートへ接続されている非反射外装ｒ１１１８にお いて失われるが、その波の残りは結合器１７の他のボートを通って偏光器１５と 結合器１２に達し、そこでそれの一部は光ダイオード１３へ送られる。偏光器１ ５ｈ）らコイル１０へ送られた波の他の部分はコイル１０の他のボートにおいて 結合器Ｉ７の端部を離れ、変調器＋９と光ファイバ・コイルＩＯを通って結合器 １７へ再び入り、再び、それの一部は他の部分と同じ経路をたどって最終的には 光ダイオード１３に入射する。

上記のように、光ダイオード１３は、それへ入射する２つの電磁波または光波の 強さに比例し、従って、次の式 ％式％）］ により与えられ、そのダイオードへ入射するそれら２つの電磁波の間の位相差の 余弦に追従することが１劃される出力光電流、ＩＰＤ　を供給する。その理由は 、その電流が、光ダイオード＋３へ入射する２つのほぼコヒーレントな波の結果 としての光の強さであって、ピーク値■。から、２つの波の間でどれだけの建設 的なＦＩ）または破壊的な干渉が起きるかに依存するより小さい値まで変化する 強さに依存するからである。この波の干渉はコイル１０を形成するそのコイルの 軸線を中心とするコイル状光ファイバの回転と共に変化する。というのはその回 転により波の間に位相推移φ８が導入されるからである。更に、この光ダイオー ドの出力電流中には、変調器１９により振幅値がφ１の付加可変位相推移が導入 される。その付加可変位相推移はＣＯＳ　（ω、１）として変化することを意図 される。

光学的位相変調器１９は上記のような種類のものであって、上記のように余弦関 数に従う光検出器！１！１４の出力信号を、正弦関数に従う信号へ変換するため に、復調装置の一部として位相感知検出器とともに用いられる。そのような正弦 関数に従うと、上記のように、出力信号がコイル１０の軸線を中心とする回転の 速度と、その回転の向きとについての情報を供給する。

このように、光ダイオード１３を含んでいる光検出装置ｆ１４の出力信号は電圧 へ変換され、増幅器２３へ供給され、そこで増幅されてからフィルタ２２を介し て位相感知検出器手段２３へ送られる。位相復調装置の部分として機能する位相 感知検出器手段２３は周知の装置である。そのような位相感知検出器装置は濾波 された光ダイオード装置の出力信号の第１高調波の振幅、または変調信号発生器 ２０の基本周波数の振幅を取り出して、光ダイオード１３へ入射している電磁波 の相対的な位相の指示を供給する。この情報は正弦関数に従う出力信号で位相感 知検出器２３により供給される。すなわち、この出力信号は光ダイオード１３へ 入射する２つの電磁波の間の位相差の正弦に従う。

バイアス変調器信号発生器２０は、光路中の光を上記周波数ｆ、で変調する際に 、光検出器ｒ１１１４において再び組合わされた電磁波により発生されている高 調波成分へ導きもする。フィルタ２２は光検出器１４の出力信号の周波数成分、 すなわち、第１高調波を振幅器２１により増幅した後で通す帯域フィルタである 。

動作時には、光路中のコイル１０を通る互いに逆向きに伝わる２つの電磁波にお ける位相差の変化は、回転のために、変調器１９による位相差の変化と比較して 比較的徐々に変化する。回転、またはサニヤック光波化、によるどのような位相 差も２つの電磁波の間の位相差を単に推移させるだけである。フィルタ２２の出 力端子に現れる、光検出装置１１４の出力信号の変調周波数成分の振幅換算係数 は、ａ）変調器１９および発生器２０によるそれらの波の位相変調の振幅値と、 ｂ）装置における種々の利得を表す定数との係数だけ更に修正されたこの位相差 の正弦によりセットされることが予測される。それから、この信号成分中の発生 器２０と変調器１９によるこの正弦変調の周期的作用が、復調蒸器［１１（検出 器）出力信号の振幅換算係数だけに依存して、位相感知検出器２３を含んでいる 装置において復調により除去して、復調蒸器ｆｉ！（検出器）出力信号を残す。

したがって、増幅器２Ｉの出力端子における電圧は：Ｖ７１−ａｕｔ＝ｋ（１＋ ｃｏｓ［φ８＋φｍ（ωｏｔ十〇）コ）として典型的に現れる。係数ハは装置か ら増幅器２１の出力端子までの利得を表す。記号θは発生器２０により供給され る信号の位相に関する増幅器２１の出力信号中の付加位相遅れを表す。この位相 推移のあるものは光検出装置１４中へ導入さね、あるものは変調器１９における 、発生器２０により供給された信号の位相と、変調器１９中の媒体の屈折率とそ れの長さの少なくとも一方、したがって変化を持つ際の変調器１９の応答との間 の位相推移のような他の源からによるものである。先の式において用いられてい るその他の記号は、上の最初の式において有する意味と同じ意味を有する。

以」二の式はベッセル級数展開で展開して次の式を与えることができる。

Ｖ、＋−０，、＝　ｋ　Ｃ１＋　Ｊ　ｏ　（φ−）　ｃｏｓφア］−２ｋＪ、（ φ、）　ｓｉｎφｐ　ＣＯ９（（’）＊　ｊ十〇）−２ｋＪ？　（φ、）　ＣＯ ３−，ｃｏｓ２　（ω、ｔ＋θ）＋２ｋＪ３　（φ、）　ｓｉｎφＲＣＯ３３（ ω、Ｌ十〇）＋　（Ｉ）　’２　ｋ　Ｊ　２．、−＋　（φ、、）　ｓｉｎφ＊ ｃｏｓ（２ｎ＋１）（ω、を十〇）］増幅器２１の出力端子におけるこの信号は フィルタ２２の入力端子へ供給される上記のように、フィルタ２２は主として最 後の式からの第１の調波、すなわち、変調周波数成分を通す。その結果、フィル タ２２の出力信号を次のように書くことができる： Ｖ、２−、、、＝−２ｋＪＩ　（φ、）　ｓｉｎφ、　ｃｏｓ　（ω、を十〇＋ 甲、）現れる別の位相遅れ項甲、はフィルタ２２を通った結果として付加された 第１の高調波項中の付加位相差である。この付加位相差はほぼ一定であること、 およびフィルタ２２の既知の特性であることが予ｉ！Ｉ＋される。

それからフィルタ２２からの信号は、バイアス変調器発生器２ｏがらの信号のよ うに、位相感知検出器２３へ加えられる。後者はＣ＋５ｉｎ（ωｌ、１）に等し くすることを再び意図するものである。ここに、ω。は変調周波数ｆ、に等しい ラジアン周波数である。θ＋ｖｌに等しい位相推移を位相感知検出器２３により 出力信号へ加えることができるとすると、発生器２０の出力信号とともにその検 出器の出力は次のようなものであろう。

Ｖ、、、、、＝に’　Ｊ、（φ、）　ｓｉｎφ。

定数に′は位相感知検出器２３を含めた装置利得である。

しかし、それらの予測される結果は図１の装置では達成されないこともある。

予測される結果を達成できない１つの理由は、バイアス信号発生器２０が上記の ように光路中の光を位相変調器１９において周波数ｆ９で変調すると、再び組合 わされた電磁波により光検出装置１１４において高調波成分が発生される結果と なるばかりでなく、発生器２０と変調器１８において非直線性が発生されるため に、変化する光路位相中にある高調波成分を直接供給する結果となるからである 。

すなわち、第１の可能性として、変調発生器２０によりその出力端子へ供給され た出力信号が周波数ｆ、の基本信号ばかりでなく、その重要な高調波も含むこと がある。そのような高調波を含まない信号を供給できるとしても、位相変調器１ ９における非直線成分特性およびヒステリシスのために、光路中に供給される変 化する位相中にそのような高調波が導入される結果となることがある。そのよう な高調波のために光ファイバ・ジャイロスコープの出力信号中に大きなレートバ イアス誤差が生ずる結果となることがある。したがって、変調装置に起因するそ のような誤差が減少されるか、解消される干渉計型光ファイバ・ジャイロスコー プが望まれる。

発明のＷｌ要 本発明は、前記コイル状光フアイバ中を互いに逆向きに伝わって、ある位相関係 で光検出器へ入射する電磁波を基にした光フアイバ回転センサのための誤差制御 装置を提供するものである。互いに逆向きに伝わるそれらの電磁波は、位相変調 発生器により動作させられるバイアス光学的位相変調器を通り、センサ出力信号 中に誤差を生じさせる第２高調波歪みに寄与することがある。許容できるセンサ を得るために、両方の電磁波を等価出力誤差限界以下に保つ両者の寄与の直接制 限、または制限要因と寄与の組合わせを等価出力誤差限界以下に保つ前記制限要 因による間接制限を使用できる。光フアイバ部分で巻かれた圧電体を有する変調 器のバイアス光学的位相変調器寄与の制御が、非直線スチフネスを持つ圧電体層 を装着することにより行われる。

ＦＩＩＪ面の簡単な説明 図１は信号処理装置と光伝送路および装ｒＩＩＷ４成を組合わせる本発明のシス テム概略１Ｉｒｙ：Ｊを示す。

図２Ａおよび図２Ｂは本発明の変調器装置を示す。

好適な実施例の詳細な説明 典型的には、コイルから出入りする光路へ、バイアス変調サブシステムの位相変 ｊ！ｌ器Ｉ９および変調発生１２０により加えられる時間的に変化する位相中の 基本波の後のちょうど次の高調波が、大きい誤差を生じさせるために十分に大き い振幅ををする。したがって、第２の高調波だけを考える必要がある。よって、 第２高調波を無くし、出力信号、とくに、ｃ＋５ｉｎ（ω、１）としてではなく てＶ＞ｏ＝ｃ２　［ｃｏｓω、ｔ＋δ、　ｃｏｓ　（２ωａｔ＋Ｗ′、）］とし て変化するより大きい出力電圧振幅の出力信号を供給するために取られる対策無 しに、変調信号発生器２０を考察できる。正弦関数表現から余弦関数表現への変 化はＦｉＢ意の選択である。

発生器２０の出力信号のこの表現において、δ、は基本成分の振幅に対する、希 望の出力を歪ませる望ましくない第２高調波信号の相対的な振幅、Ｃ２は発生器 の全体的な利得定数である。その利得定数はそれからの基本出力信号を希望の振 幅で供給するために１−分な値にセットされる。第２高調波信号成分の発生にお いて発生された位相Ｗ′、は、基本信号に対して随意に選択された零位相値に対 してＮｌ１ｉに選択されていた。

位相変ｇ器１９は圧電効果を示すセラミック物質体で構成でき、それの周囲に何 回か巻かれているコイル１０からループ結合器１７へ導く光ファイバの一部をｆ ｒする。このセラミック体は典型的には、ノルコチタン酸鉛（ＰＺＴ）のような 物質で形成された中空円筒（環）の裁断されたものであって、この環を相互に接 続し、かつ発生器２０との相互接続へ導く電気的リードが裁断されている円筒形 物体の外側湾曲面と内側湾曲面にそれぞれ１つずつ典型的に置かれる。電気的な 励振の下に、環は等価電気回路要素により少な（とも部分的に慣すことができる 電気回路要素として働く。

変調発生Ｒ２０からの基本信号はセラミック環を放射状に膨張収縮させることに より、環の外側湾曲面の周縁部を伸張および足輪させて、その環の周囲に巻かれ ている光ファイバを伸ばし、およびそのような伸びを緩和してそれの長さを実行 的に伸ばし、縮める。この動作はその光フアイバ中の光路長を振動的に変化させ ることにより、それを通るどのような電磁波の位相も変調する。

あるいは、位相変調器１８は、典型的には、チタンまたは陽子が拡散された交換 導波器を有する、リチウム・ニオブ酸鉛（ＬｉＮｂＯｓ）で構成された基板を有 する集積化された光学的チップで構成できる。変調発生器２０は、電気光学的効 果により内部で位相変調を行わせる導波器の両側の一対の電極へ接続されている 電気リードにより電気的に相互に接続される。導波器に沿って進行する電磁波の 位相は、電極へ加えられる発生器２０の出力信号に応じて電極により加えられる 電界として変化させられて、それの間の導波器部分中の実行屈折率を電気光学的 に変化させてそれらの電磁波を変調する。集積化された光学的チップによる電気 的部品の動作は、チップ基板上のそれらの電極においても示される。それらは等 価電気回路要素、再び主として容量、により少なくとも部分的にシミュレート光 ファイバ・ジャイロスコープにおいて使用するために選択されたそのような装置 のいずれかへ変調発生器２０の出力電圧Ｖ２．を加えると、その装置の光路部分 を通る電磁波の位相φ（１）が時間的に変化させられることになる。ジャイロス コープ装置の光路中で時間的に変化する位相変化で反射させられるように選択さ れた位相変調器装置を通って伝えられる変調発生器２０の出力信号中の第２高調 波成分ばかりでなく、この発生器出力信号の基本成分の必要な相対的に大きい電 圧振幅をそのような装置へ加えることで、別の第２高調波成分をその時間的に変 化する位相変化へ典型的に供給する機械的な応答がそれから発生されることにな る。したがって、用いられている位相変調器装置の光路に沿って伝わる電磁波が 受ける、バイアス変調装置がひき起こす時間的に変化する位相変化は、φ（ｔ） ”Ｃ２φ、　ＣＯ５ω、ｔ＋ｃ２φ２δ、ｃｏｓ（２ω、ｔ＋ｔＦ、）＋　Ｃ２ φ、δ、ｃｏｓ（２ω、ｔ＋ψｔ）である。この結果としての位相応答において は、位相変調器１９の振幅応答は、その変調器の光路部分における第１高調波変 化成分への変換に際して、その変調器へ加えられる変調発生器２ｏの出力信号の 第１高調波変化成分の効果は、電気機械的作用および機械光学的作用を含むφ、 である。変調器１９の光路部分における位相変化へ適用した効果を変換する結果 として、変調発生器２０の出力信号の第２高ＩＲ波成分に対する変調器１９の直 線振幅応答のために時間的に変化する位相第２高調波成分が生じる。この応答は φ２と名づけられる。この応答φ、は電気機械的作用と機械光学的作用を再び含 む。

別の時間的に変化する位相第２高調波成分は、変調発生器２０の出力信号を変１ １６１９の光路部分における位相変化へ変換する結果として、変調発生器２０の 出力信号の第１高調波成分に封するその変調器１９の非直線振幅応答によっても 生ずる。時間的に変化する第１高調波成分へ発生器第１高調波成分を変換する応 答に対する応答の大きさはδ、と名づけられる。この時間的に変化する第２高調 波成分が生ずる理由は、時間的に変化する第１高調波成分に対する機械的な非直 線性が甲、だからである。第２高調波周波数における位相変ｇ器Ｉ９の電気的刺 激と、機械的応答との間にある位相推移が存在することがあるから、第１の時間 的に変化する光路位相変化成分中の位相型、は、変調発生器２０の出力信号の第 ２高調波成う）中の位相ψ′、とは異なることに注目されたい。対応する時間的 に変化する第２高調波光路位相変化成分を生ずる機械的な非直線性が、位相変調 器１９のＭ４Ｗ材料における非直線的な挙動と、位相変調器１９における材料の ヒステリ／スと構造部品の関係、たとえば、機械的結合とのために典型的に生ず る。

コイル１０と位相変調器１９を通った後で結合器１７において再結合された互い に逆向きに伝わる電磁波の間の正味の非可逆的位相差φ、（ｔ）はφ（１）　− φ（ｔ−γ）である。ここに、γは電磁波が変調器１９を出てコイル１０を進み 、そのコイルの反対の側における対称的な点に到達するまでの時間の長さである 。

φ、（ｔ）に対するこの定義は、ＬΔＬ′＋τ／２を基にしてｔを代入すること により、この電についての式をより便利に取り扱うことによって対称的にできる 。

時間の長さてはＴｉ磁波が位相変調器１９からコイル１０の他の側における対称 的な点までコイル１０を通る伝播時間である。φゆ　Ｎ）の定義を用いて、およ び前記代入を行うと次の結果が与えられる。

φ、（１）＝φＤ）−φ（ｔ−τ） ＝φ（ｔ′＋τ／２）−φ（ｔ′−τ／２）　ｔＡｔ’　＋τ／２に対して＝Ｃ ２φ＋　［ｃｏｓ　（ω、ｔ′十の。τ／２）−ｃｏｓ（ω、ｔ′−ω。τ／２ ）］ ＋Ｃ７φ２δｓ［ｃＯｓ（２ω９ｔ′　＋ω９τ＋ψＧ）−ｃｏｓ（２のｌＩｔ ′−ωヮτ＋重＃）コ＋Ｃ７φ、δｍ　Ｃｃｏｓ　（２ω、ｔ　’　＋　ωａτ ＋１ｖｊ−ｃｏｓ（２ω、ｔｌ＋ω１τ十甲、）］”　−２’Ｃ２φ＋　ｓｉｎ 　（ω９τ／２）ｓｉｎω。ｔ′−２Ｃ９φ、δ＃　Ｓｌｎ　（ωａτ）　ｓｉ ｎ　（２ω、、ｔ　’＋ψｅ）−２０，φ１δ、　ｓｉｎ　（ω９で）ｓｉｎ（ ２ω、ｔ′＋マフ）ここに、最後の式は三角恒等式を用いて得られたものである 。基本高調波頂の振幅が変３１振幅φゆ、またはφ、、Ａ−２Ｃ２φ、　ｓｉｎ ω９τ／２と定義されるものとすると、この最後の式を次のように書き替えるこ とができる。

φ・（ｔ′）＝φ、　ｓｉｎω、、ｔ′＋２δ７φ、　ｃｏｓ　（ω。τ／２） ｓｉｎ（２ω、ｔ’＋ＩＦ、）この位相を持つ電磁波は光検出器１３に達し、従 ってこの最後の位相差を使用するためにｉｐｖ　に対する上の式を、この近似に 到達するために三角恒等式を用いて、身き替えねばならない。すなわち、上の式 はベッセル級数展開で展開できる。そのベッセル級数は三角恒等式に組合わされ て、光検出器１３の出力中に現れる次のような第１高調波成分を生ずる。

変調発生器２０からの第１高調波信号はω１Ｌの余弦に追従するから、φつ＝０ 、すなわち、零回転速度におけるどのような位相差も誤差と見積もることができ るようにコイルＩＯのどのような回転も無視すると仮定して、変調発生器２０の 基本周波数において、最後の式の同相成分は次式のように位相感知検出器２３（ ｓｉｎω、ｔ′を乗ぜられた項）により取り出される。

Ｖ、ｉ−０゜、＝　ｋ　’　φ、ｃｏｓ　（ω９τ／２）［Ｊ、（φ、）−Ｊ３ （φ５）］定数に′は、再び、−にに与えた■、３−０゜、の第１の式中に現れ る定数であって、位相感知検出器２３のｎ：ｉ、および内部、の装置部品におけ る利得定数をカバーするものである。

したがって、取り出された同相信号成分の式が示すように、位相感知検出器２３ の出力信号中にオフセット値が存在する、すなわち、コイル１０へのどのような 入力回転速度も存在しないにもかかわらず、そのコイルの回転速度を示す出力値 が存在する。しかし、ジャイロスコープが接続されている後続の信号処理回路は 、第２高調波歪みが存在しないということを基にして上記第１の式で与えられた 予測された態様での信号Ｖ　２１−　ｅ　ｕ　ｔを受けるように構成されるであ ろう。すなわち、 Ｖ２３−、ｕ、＝に’　Ｊ　、　（φ、）　ｓｉｎφＲ回転速度を基にして等し いものであると定める。したがって、それら最後の２つ獲得されて、有効な回転 速度として送られる。この値はに′ノ、（φ、　）　ｓ　ｒ　ｎ蝉＝　／２　′ φ、ｃｏｓ（ω、’７；）［Ｊ＋　（φ、）−１３（φ、）コこの結果は、有用 なジャイロスコープを有するために回転速度誤差φＲが比較的小さく何とか保た れるであろう、という仮定を基にして簡単にできる。そうするとオフセット回転 速度誤差は直接に、 周囲に光ファイバを巻かれ、溶融結合器を用いたセラミック体を基にした位相変 調器を用い、１時間当たり数度の出力誤差を有する比較的ゆるやかな性能の光フ ァイバ・ジャイロスコープを提供できるようにする構成の、開ループ干渉計光フ ァイバ・ジャイロスコープについて考える。そのような構成はバイアス変調周波 数、または変調発生器２０の出力信号の基本成分の周波数も同士キロヘルツに制 限する。

それらの環境においては、予測される出力信号を最大にするために基本バイアス 変調成分の振幅φ８の振幅の典型的な値が１．８４として選択されるものとすっ てＩのオーダーの値を生ずる。したがって、式を次式で非常に良く近似できる。

１時間当たり数度のそのような装置に対する典型的な許容された誤差に鑑みて、 φ８は典型的にφ２　≦ｉｏ−’、またはとして指定される。明らかに、この不 等性を満たさなければならないとすると、この不等式の右辺の各項は不等性を個 々に満たさなければならない。すなわち、周囲に光ファイバが巻かれたセラミッ ク環で構成された位相変調器において、それを通る光路部分中に第２高調波周波 数で生ずる時間的に変化する位相変化における応答が、基本周波数で生ずるそれ のたった１０分の！であること、したがって、φ、／φ、＝Ｏ，Ｉであることが 典型的に見出だされている。係数甲、は１より決して大きくはできず、甲、は予 測できない変化を受けて、それが１より小さい任意の値を常に取るという仮定を 阻止する。したがって、δ、：ａ１０−５である結果を与える誤差解析のために 、値５ｉｎｌＦ、は約１であるとして取り扱わねばならない。

δ、は、変！ｌｉｄ生器２０により供給される出力信号の第２高調波成分の、第 １高調波成分の振幅にχ・ｊする振幅であるから、第２高調波成分は基本成分の 振幅より１ｏＯｄｂ低（なければならない。すなわち、変調発生器２０について の仕様をシステム出力誤差についての仕様から２０ｄＢの率だけ低下させるよう に、位相変調器の機械的な応答は、変調発生器２０により発生された第２高調波 成分のＦＷを抑制することを十分支援する。

他方、結果がδ、≦ｌ０−６であるから、　ｓｉｎ　’Ｆ−の予測不能性のため にそれを約１であると再び見なさなければならない。したがって、δ、は、時間 的に変化する第１高調波光路位相変化成分に対する位相変調器１９の非直線機械 的応答に起因する時間的に変化する第１高調波光路位相変化成分の振幅であるか ら、機械的にひき起こされた第２高調波位相変化成分振幅は、基本的な高調波光 路位相変化成分の振幅より１２０ｄＢ低くなければならない。

変調発生器２０の出力信号に対する要求、δ、≦１０−５すなわち一１００ｄＢ は、発生器２０の出力信号の基本周波数ω９の２倍の周波数において少なくとも １００ｄＢ減衰させるように、十分な数の極を持つフィルタに通した後で供給す ることにより、満たすことができる。そのようなフィルタは、位相変調器１８を 動作させるためにその発生器により供給することをめられる電圧振幅の範囲にわ たって非直線動作を示さない要素で構成せねばならない。そのような構成は、基 本成分に対する第２の高調波成分の振幅の比が、図１の光ファイバ・ジャイロス コープ装置に対する回転速度において許されている位相誤差より小さい出力信号 を生ずる。

位相変調器１９に対するδ、≦１０−６、すなわち−１２０ｄＢ、という機械的 要求は、周囲に光ファイバを数回巻かれたセラミック環を有する構造を用いて満 たすことがはるかに困難なことがある。分離されているセラミック体現は、基本 成分周波数の１における振動モードが環の外面の前後の半径方向の振動運動であ り、かつその運動による外面周縁部が変化しないように数字８のパターンのある ものに追従する点で、その環の周期的運動に対する振動モードに良く適するが、 更に大きな問題が生ずる。動（環についてのどのような制約もその環の内部に僅 かな変形をひき起こして、運動中にその他の高調波成分を生じさせることがある それらの高調波成分は、周囲に巻かれている光ファイバの引き伸し運動へ変えら れる。ファイバの長さ寸法のそのような変化の結果としての影響により光路位相 変化中に第２高調波成分が生じさせられ、それを通る電磁波中に第２高調波成分 が誘導される。

そのうような制約の１つが、環へ固定されている相互接続線である。その相互接 １ｕｌｌはその環へ機械的荷重を加え、更に詳しくいえば、不平衡な機械的荷重 を加える。典型的にはるかに重大な不平衡制約源は、その環を希望の場所へ固定 するために潜在的に使用できる多くの欅類のマウントによりその環へ伝えられる 荷重である。最後に、環の周囲に光ファイバを巻くことは荷重制約、とくにかな りのヒステリシス源と、半径方向に振動する環および温度の周期的変動、および 経時変化の結果として起きる移動によるファイバの伸張プロセスによる時間的に 変化する機械的不平衡との少なくとも一方と、一様でない加重制約との両方の原 因となり得る。環体中のセラミック物質中の不均質ためにそのようなヒステリシ スと、その他の有害な影響との少なくとも一方もひき起こすことがある。それら 欅々の非直線性はδ、の値を形成することに寄与し、更に詳しくいえば、第２高 調波と、とくにヒステリシスが１−の形成に寄与する。

図２八と図２Ｂは、ヒステリシスと、その他の機械的不平衡との、少なくとも一 方を含むそれらの種類の非直線性を大幅に減少するために構成された光学的位相 変調器の上面図と、横断面側面図とをそれぞれ示す。ＰＺＴセラミック環３０が ハウジング３１のくぼんでいる部分に位置させられているのが示されている。

その（ぼんでいる部分はこのハウジングの上面における平庇大の形をしている。

この穴は、ハウジング３１により形成された、円形横断面の外側垂直側面により 囲まれる。この穴の中央部には、ハウジング３Ｉの上面にほぼ平行で、その上面 より上面より高い」二面を打する直円筒の形の中心コア３２がある。

Ｆ側の開放セル、すなわち、柔らかい発泡材層３３がこの穴の底面の上に設けら れる。その層の中心穴によりコア３２がそれを貫いて上へ延長できるようにされ る。その」−およびコア３２の周囲にセラミック物質環３０が配置させられる。

環３０は、その環３０の高さと同じ厚さの円板状の別の開放セル、柔らかい発泡 材層３４によりこのコアに対してほぼ中央に維持させられる。発泡材層３４中の 穴によりコア３４がそれを貫通して延長することも許される。

上側の開放セル、すなわち、柔らかい発泡材層３５が層３４および環３０の上面 の大部分の上、およびその中を貫いて上へ延長するコア３２の周囲に配置させら れる。中心に固定用の穴を有する固定板３６が環３０および層３５のほとんどと 、固定用穴により筒用させられているコア部分を除くコア３２の全ての上に配置 させられる。雄ねじ３７が固定板３６の固定用穴３６の中にねじこまれ、コアの 上面の中心に設けられているねじ穴に入れられる。

固定用板３６がコア３２の上面へ強く押し付けられるまでねじ３７を回す。この 操作により、ハウジング３１内の穴の反復可能な深さとコア３２の反復可能な高 さを与えられて、その環の高さと、それらの層の厚さとにより決定されるかなり な反復可能な下向きの力が開放セルの間の環３０と、柔らかい発泡材層３５．３ ３との組合わゼへ加えられる。このように、環３０を保持する力はユニットごと にかなり良く知られており、かつかなり反復可能である。

１３５と３３は多少非線形ばねとして作用し、環３０はそれらの層によりかなり 軽く保持され、それらの層中のスチフネスは非常に小さくて、環がそれらの層の 間の中心にあるとするならば、それらの層へ加えられる環の力に抗する。しかし 、たとえば、機械的衝撃により、すなわち、それらの層のいずれかの層の向きに 大きい距離だけ動かされ、層が比較的堅くなると、それらの肩へ加えられる環の 力に対するそれらの層の抵抗は非常に急速に増大する。環３０がコア３２へ向か って半径方向へ動かされるものとすると、中心ｌ１１３４は類似のやり方で作用 する。環３０へかかるこの比較的軽い荷重は、発生器２０により強制される環の 周期的な運動中に第２高調波成分の発生を抑制するが、それでも比較的大きい運 動振幅から環３０をよく抑制されたままにする。

環３０の内側湾曲面と外側湾曲面をそれぞれ電気的に接続するために一対の可撓 性線３８．３９が用いられる。相互接続線３８．３９は非常に良くたわませるこ とができるから、環３０へほとんど機械的荷重を与えない。相互接続線３８．３ ９により加えられる荷重を避けることを助ける、環の可能な代替物は、環ではな くてセラミック物質の中実円板である。というのは、そのような円板は周期運動 の下で静止節点場所を生じ、その静止節点場所へそれらの線を固定することによ りその円板の運動を妨害しないからである。

結合ｎ２７と、環３０の周囲に巻かれているコイル１０との間を延長する光ファ イバの一部４０が環３０の外側湾曲面の中央部の周囲に巻かれている様子が図２ Ａと図２Ｂに示されている。環３０の外側湾曲面の光ファイバ４ｏが巻かれてい る部分より上の部分へ可撓性！１３９が接続される。巻がれている光）Ｔイバが 変調中に行う伸びプロセス中のヒステリシスおよび滑りを大幅に減少するには、 光ファイバの部分４０の外被が薄く、堅くてノリ力・コアへ良く接着する必要が ある。

またこの目的のために、光ファイバの部分４０は環３０の外側湾曲面の周囲に約 ４０グラムの張力に下に巻かれる。その巻き作業は紫外線で硬化できるエポキシ でその面を湿らせて行われる。そのエポキシは、巻かれた光ファイバの部分を介 して覆われ、その後で硬化してその部分を環３０の外側湾曲面へ強く接合する。

環３０の周囲の光フアイバ４０中のループの一部だけの伸びを避けるために、光 フアイバ部分４０は、環３０の外面の周囲に整数巻き回数だけ対称的に巻かれる 。

位相変調器１９のそのような構造の結果として、機械的な応答が発生した第２高 調波成分が、基本周波数成分振幅より８０ｄＢより小さい振幅の機械的にひき起 こされる、時間的に変化する第２高調波光路位相変化を有することを比較的容易 に達成し、かつ、気をつければ、基本成分の振幅より１２０ｄＢ以上小さい振幅 を有するであろう位相変調器が得られることになる。このようにして、図２Ａ１ 図２Ｂの位相変ｇ器は図１の光ファイバ・ジャイロスコープ装置の出力信号中の オフセット位相誤差成分に対して許されているものより多くない第２高調波位相 変化成分を供給するという要求を満たすことができる。

第２高調波成分の存在によるオフセット位相誤差に対して上で見出だされた表現 は、そのようなオフセット誤差を減少または解消する更に２つの可能性を示すも のである。最初のものは、係数［１−Ｊ３　（φ、）／Ｊ、（φ、）］中で見出 だされる。位相変化φ１の基本成分の振幅を、予測される出力信号を最大にする ために用いられる値１．８４より十分に高い値３．０５に選択することにより、 その係数を零へ、または零に非常に近（させることができる。この結果としてφ ２も零になる。バイアス変調基本成分の振幅値を選択し、維持する装置は、ゾー ン（Ｐ、Ｄａｎｅ）他による「光ファイバ書ジャイロスコープ・バイアス変調振 幅決定（Ｆｉｂｅｒ　０ｐｔｉｃ　Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ　Ｂｉａｓ　Ｍｏｄｕｌ ａｔｉｏｎ　Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ）Ｊという名称 の先に出願され、本願と同じ譲り受け人へ譲渡された未決の米国特許用１１ｍ０ ７／６３６．３０５に記載されている。参考のためにそれをここに含める。その 装置はバイアス変ｊｌｔＭ幅を３．０５に完全に維持することはできず、より大 きい直角信号によるオフセットが増加するが、この係数のために、零ではないが 、比較的小さい値を供給するためにこの装置を使用できる。それは次に、光ファ イバ・ジャイロスコープ出力信号オフセット位相誤差仕様が不変のままであると しても、δ、とδ７が満たさねばならない限界を高くできる。

そのために見出だされている式において示されているオフセット位相誤差を解消 するか、大幅に減少するための残されている他の可能性が係数ｅ０８ω１τ／２ により提供される。周知のように、変調発生器２０により位相変調器１９を動作 させる際におけるω９のためのいわゆる「固有周波数」が存在する。その変調周 波数においては、コイル１０中を互いに逆向きに伝わる電磁波の変調は位相が１ ８０度異なる。それはバイアス変調装置の動作に暉々の利益をもたらす。ω。ま たはω。−２に対する固有周波数はω、−２τ＝πである。その周波数において は、明２Ａと図２Ｂに記載されている種類の位相変調器はその典型的な周波数で 通常動作できない。これはコイル１０を形成するために用いられている比較的短 い長さの光ファイバに対してであり、（もっともそれはより長い長さにも適当で ある）、したがって、１つの選択は、とくにコイル状光ファイバ・ジャイロスコ ープが含まれないのであれば、集積化された光学的チップ位相変ｌｌ器を使用す ることである。

φ、の典型的な値である１、８４が再び用いられるものとすると、［＋−Ｊ３（ φ、）／Ｊ、（φ、）］は再びおよそ１であろう。他方、集積化された光学的チ ップを使用すると、機械的な応答比からの支援を解消する、すなわち、φ、／φ 。

はほぼ１である。というのは、集積化された光学的チップは、電極の間の容量が 超高周波において大きくなるまで周波数に依存する大きな効果を導入しない電気 光学的効果を使用する際に広い帯域幅を示すからである。その結果、δ、により 満たすべき限界を高くするのにもたらされるこの要因の支援が解消される。更に 、δ、はほぼ零であるから、任意の大きさの集積化された光学的チップの使用に おける機械的に引き起こされる第２高調波成分の困難が存在しないであろう。こ の結果は、そのようなチップにおける物体中の光弾性効果が電気光学的効果と比 較して小さいからである。そのような集積された光学的チップは横軸効果（ｑｕ ａｄｒａｔｕｒｅ　ｅｆｆｅｃｔ）のみをもたらすその他の非直線性を示す。そ れが１の値を考えねばならないということに再び注目すると、誤差位相を１φｍ 　ｌ　、、、　＝ｃｏｓ　（ω。τ／２）δ。

と書くことができる。

しかし、τが、温度変化により膨張収縮するコイルｌＯの光ファイバのための温 度の関数であるから、ＣＯＳ　（ω。τ／２）を零ヘセットすること、またはω 、／２をπ／２ヘセツトしようとすることには大きな困難がある。典型的には、 この温度依存性は （１／τ）ｄτ／ｄＴミ１０−５／℃ のオーダーである。ここにＴはセ氏温度を表す。この温度依存性によりｅｏｓ　 （ω。

τ／２）における対応する温度依存性をもたらす。それは、約π／２であるω。

τ／２に対して、はぼ ｄｃｏｓ（ω。π／２）／ｄＴ＝（−π／２）１０−５／℃であることを示すこ とができる。したがって、室温から６０℃の最大変化に対してｃｏｓ　（ω。τ ／２）は次の値だけ変化するであろう。

１ΔＣｏｇ（（Ｌｌ、ｌτ／２）ｌ＝６０Ｘπ／２ＸＩＯ−５＝ＩＯ−３したが って、Ｃｏ５（（＋）、τ／２）は零の１０−３にどれ程の接近を保つかを予測 できしたがって、変調発生器からの第１高調波成分に対する第２高調波成分の相 対的な振幅に対する要求は、位相変調器１９が固有周波数において動作させられ る状況においては６０ｄＢだけ厳しくない。これは、光ファイバが周囲に巻かれ ているセラミック体、またはそのようなセラミック体および巻きを用いるコイル ｌＯ中の長い長さの光ファイバによるよりも、集積化された光学回路を用いるこ とによって達成される。他方、集積化された光学的チップと長い長さの光ファイ バの少なくとも一方を用いることの費用は、高品質の光ファイＩ（・ジャイロス コープを必要な費用で販売できるようにするためにそのようなジャイロスコープ を層下にする、または１時間当たり１度のほんの一部にするというように、大幅 に減少できる。集積化された光学的チップの状況においては、変調発生器２０に より供給される第１高調波成分に対する第２高調波成分の振幅δ、に対する要求 は、１φ＊１．、、が１０−５より小さいという以前の状況におけるものより厳 しくはない。

多くの状況においては、変調発生器２０は位相変調器１９を動作させるために正 弦波ではなくて方形波を供給する方が便利である。たとえば、図１の装置に示さ れているものとは異なるあるｕ１調法においては、その波形は非常に便利なこと がある。そのような方形波は、それが真の方形波であれば、偶数高調波を含まず 、従って位相変調器１９を動作させる際に重要になりそうである高調波、第２高 調波、のみは存在しない。

更に、はぼ容量性の負荷を駆動するために方形波を供給することは非常に困難で あり、とくに、より高い周波数においてはそうである。５０％デユーティサイク ル以外のデユーティサイクルは大きな困難ではない。というのは、そのような非 対称的な矩形波は位相検出器により供給される直角信号を単に生じさせるからで ある。他方、矩形波または方形波の立上がり時間と立ち下がり時間が等しくない とすると、第２高調波成分が発生されてオフセット位相誤差を生じさせることに なる。発生器２０からの結果としての第２高調波成分δ、のそれからの基本成分 に対する制限は、そのための上記式に示されているような許容された光ファイバ ・ジャイロスコープ位相誤差制限に関連されたままであり、はぼδ、＝（立上が り時間−立上がり時間）／τに関連づけられることを示すことができる。コイル １０の長さを１．Ｏｋ閣と選択したとすると、τは約５μｓである。δ、が要求 δ、≦１０−５を再び満たさなければならないとすると、波の立上がり時間と立 上がり時間の差は０．０５ｎｓを超えない。

以上、本発明を好適な実施例について説明したが、発明の要旨および範囲を逸脱 することなしに、態様および！Ｙ細に対して揮々の変更を行えることが当業名は 分かるであろう。

国際調査報告　ｏｒＴ／ＩＫ　ｃｎｚｎｎ７，７フロントページの続き （７２）発明者　オーガスト、リチャード・ジエイアメリカ合衆国　８５２５４ 　アリシナ州・スコツツブイル・ノース　５６テイエイチ　ブレイス・１２６１ ２ （７２）発明者　ディマント、ケヴイン・ビイアメリカ合衆国　８５０２０　ア リシナ州・フィーエックス・ノース　ドリーミー　ドロウ　ドライブ　ナンバー １２９・７５５７（７２）発明者　エイング、ディック アメリカ合衆国　８５３０２　アリシナ州・グレンディル・ウェスト　エル　カ ミニド・（７２）発明者　ブレイク、ジェイムズ・エヌアメリカ合衆国　８５０ ３２　アリシナ州・フィーエックス・イースト　フリース　ドライブ・４４１６ （７２）発明者　フェス、ジョン・アールアメリカ合衆国　８５０２３　アリシ ナ州・フィーエックス・ノース　６テイエイチアヴエニユ・１５８１１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．コイル状に巻かれた光ファイバ（１０）中を互いに逆向きに伝わって、特定 された最大回転速度オフヤット誤差に関達させられた実効最大オフセット誤差を 有する位相関係で光検出器（１３）へ入射する電磁波を基にして、コイル状に巻 かれた光ファイバ（１０）の軸線（紙面に垂直なコイル軸線）を中心とする回転 を検出する回転センサ（図１）において、入力端子を有し、前記光検出器（１３ ）までの光路上で前記コイル状に巻かれた前記光ファイバ（１０）へ到達し、ま たはそれから出る電磁波がたどる光路部分中の選択された光路部分中に配置させ られるバイアス光学的位相変調器手段（１９）であって、前記コイル状に巻かれ た前記光ファイバ（１０）中を互いに逆向きに伝わる電磁波に変化する位相差を 与えるように、そのバイアス光学的位相変調器手段（１９）を通り、前記光路に 沿って伝わる電磁波を入力端子における対応する電気信号に応答して、位相変調 でき、前記対応する電気信号は、第１の周波数でほぼ周期的であるならば、前記 第１の周波数の２倍の周波数で変化する位相に、前記変化する位相が前記第１の 周波数において有するその振幅の第１の部分である振幅を持たせたバイアス光学 的位相変調器と、このバイアス光学的位相変調器手段の入力端子へ電気的に接続 される出力端子を有し、選択された基本周波数および選択された振幅の基本成分 を持ち、かつ前記基本周波数の２倍の周波数で、前記基本成分の振幅の第２の部 分である帳幅の高周波成分を存するほぼ周期的な電気的出力信号を前記出力端子 へ供給できる位相変調発生器手段（２０）と、前記光検出器（１３）へ電気的に 接続されて、それへ入射する電磁波対の間に生ずる任意の位相差を表す出力をそ れから受ける検出入力端子と、出力端子とを有し、前記検出入力端子に前記基本 周波数を基にして生ずる信号の成分の振幅を表す信号を前記出力端子に出現させ ることができる信号成分選択手段（１４、２１、２２）であって、その前記基本 周波数を基にして前記検出入力端子に生ずる信号の成分の振幅を表す信号をその 前記出力端子に出現させ、前記バイアス光学的位相変調器手段（１９）は、前記 位相変調発生器手段（２０）の出力信号をその前記出力端子へ供給する前記位相 変調発生器手段に応答して前記コイル状に巻かれた前記光ファイバ（１０）中を 互いに逆向きに伝わる基本位相差振幅の電磁波の間の、前記基本周波数における 変化する位相差を供給し、前記第１の部分と前記第２の部分は、前記実効最大オ フセット誤差と前記基本位相差振幅との比よりも低い値である信号成分選択手段 （１４、２１、２２）と、を有する回転センサ。 ２．請求の範囲１記載の回転センサであって、前記第２の部分のために必要な値 は前記位相変調発生器手段（２０）内のフィルタ手段により達成され、そのフィ ルタ手段を通って前記位相変調発生器手段の出力信号が供給され、前記フィルタ 手段はそれを介して供給され、かつ前記基本周波数の２倍の周波数における周波 数成分の振幅を選択された減衰率だけ、それを介して供給される、前記基本周波 数の信号成分の振幅以下に減少できる回転センサ。 ３．請求の範囲１記載の回転センサであって、前記第１の部分のために必要とさ れる値は前記バイアス光学的位相変調器手段により達成され、そのバイアス光学 的位相変調器手段は入力端子と、この入力端子へ供給される電気信号に応答して 長さを変えることができる周縁部を持つ回転面とを有する圧電物質構造手段（３ ０）と、光路中に挿入でき、かつ前記回転面に巻かれるコイルを形成するある長 さの光ファイバ（４０）と、圧縮できるが、圧縮に対する抵抗が圧縮の十分な増 大と共に大幅に増加するように、圧縮に抵抗する一対のインタフェース層（３３ 、３５）と、それの内部の前記一対のインタフェース層（３３、３５）の間に圧 電物質構造手段（３０）が装着されるような固定手段（３２、３６、３７）とを 備える回転センサ。 ４．請求の範囲１記載の回転センサであって、前記位相変調発生器手段（２０） の出力信号は矩形波形に近似し、前記第２の部分は、前記立上がり時間と前記立 下がり時間の間に起きる差を、電磁波が前記バイアス光学的位相変調器手段（１ ９）からコイル状に巻かれた前記光ファイバ（１０）を通って、そのコイル状に 巻かれた前記光ァイバ（１０）の反対側の、それの間の光路中の対称点まで伝播 するために要する時間の長さで除したものにほぼ等しい回転センサ。 ５．請求の範囲１記載の回転ヤンサであって、前記信号成分選択手段（１４、２ １、２２）は、前記出力信号を前記位相変調発生器手段（２０）から受けるため にそれの出力端子へ電気的に接続される復調入力端子を有し、前記信号成分選択 手段（１４、２１、２２）は前記復調入力端子に供給され、選択された復調周波 数の十分な復調信号成分を有する信号を使用できて、前記復調周波数を基にして 、それの前記入力端子に生ずる信号の振幅を表す信号を、それの前記出力端子に 出現させる回転ヤンサ。 ６．コイル状に巻かれた光ファイバ（１０）中を互いに逆向きに伝わって、特定 された最大回転速度オフセット誤差に関連させられた実効最大オフセット誤差を 有する位相関係で光検出器（１３）へ入射する電磁波を基にして、コイル状に巻 かれた光ファイバ（１０）の軸線（紙面に垂直なコイル軸線）を中心とする回転 を検出できる回転センサ（図１）であって、入力端子を存し、前記光検出器（１ ３）までの光路上で前記コイル状に巻かれた前記光ファイバ（１０）へ到達し、 またはそれから出る電磁波がたどる光路部分中の選択された光路部分中に配置さ せられるバイアス光学的位相変調器手段（１９）であって、前記コイル状に巻か れた前記光ファイバ（１０）中を互いに逆向きに伝わる電磁波に変化する位相差 を与えるように、そのバイアス光学的位相変調器手段（１９）を通り、前記光路 に沿って伝わる電磁波を入力端子における対応する電気信号に応答して、位相変 調でき、前記対応する電気信号は、第１の周波数でほぼ周期的であるならば、前 記第１の周波数の２倍の周波数で変化する位相に、前記変化する位相が前記第１ の周波数において有するその振幅の第１の部分である振幅を持たせたバイアス光 学的位相変調器と、このバイアス光学的位相変調器手段の入力端子へ電気的に接 続される出力端子を有し、選択された基本周波数および選択された振幅の基本成 分を持ち、かつ前記基本周波数の２倍の周波数で、前記基本成分の振幅の第２の 部分である振幅の高周波成分を有するほぼ周期的な電気的出力信号を前記出力端 子へ供給できる位相変調発生器手段（２０）と、前記光検出器（１３）へ電気的 に接続されて、それへ入射する電磁波対の間に生ずる任意の位相差を表す出力を それから受ける検出入力端子と、出力端子とを有し、かつ、前記検出入力端子に 前記基本周波数を基にして生ずる信号の成分の振幅を表す信号を前記出力端子に 出現させることができる信号成分選択手段（１４、２１、２２）であって、前記 基本周波数を基にして前記検出入力端子に生ずる信号の成分の振幅を表す信号を その前記出力端子に出現させ、前記バイアス光学的位相変調器手段（１９）は、 前記位相変調発生器手段（２０）の出力信号をその前記出力端子へ供給する前記 位相変調発生器手段に応答して前記コイル状に巻かれた前記光ファイバ（１０） 中を互いに逆向きに伝わる基本位相差振幅の電磁波の間の、前記基本周波数にお ける変化する位相差を供給し、前記バイアス光学的位相変調器手段（１９）およ び前記位相変調発生器手段（２０）は、前記第１の部分と前記第２の部分の少な くとも一方に乘じてそれとの積を形成する重みづけ係数を供給し、前記第１の部 分と前記第２の部分のうちの残りの１つと、前記積との値が前記実効最大オフセ ット誤差と前記基本位相差振幅との比より小さく、前記積の形成に用いられる前 記第１の部分と前記第２の部分の１つが前記出力比より大きいようにする信号成 分選択手段（１４、２１、２２）と、を有する回転センサ。 ７．請求の範囲６記載の回転センサであって、前記第１の部分と前記第２の部分 の両方は、前記重みづけ係数を乘ずることにより対応する第１の部分と対応する 第２の部分を形成し、前記第１の積と前記第２の積の両方の値は前記出力比より 小さく、前記第１の部分と前記第２の部分の両方は前記出力比より大きい回転セ ンサ。 ８．請求の範囲６記載の回転センサであって、前記重みづけ係数は応答比を基に し、前記バイアス光学的位相変調器手段（１９）は、前記位相変調発生器手段（ ２０）の前記出力端子へ前記位相変調発生器手段出力信号を供給する前記位相変 調発生器手段に応答して、前記コイル状に巻かれた前記光ファイバ（１０）中を 伝わる基本位相差振幅の電磁波中の碁木周波数における変化する位相を供給し、 前記位相変調発生器手段（２０）の前記出力端子へ前記基本周波数の２倍の周液 数の周期信号を供給する前記位相変調発生器手段に応答して、前記コイル状に巻 かれた前記光ファイバ（１０）中を伝わる高周波位相振幅の電磁波中の前記基本 周波数の２倍の周波数における変化する位相を更に供給し、前記周答比は前記高 周波位相振幅と基本周波数振幅との比に等しい回転センサ。 ９．請求の範囲６記載の回転センサであって、前記信号成分選択手段（１４、２ １、２２）は前記位相変調発生器手段（２０）から前記出力信号を受けるために その位相変調発生器手段へ電気的に接続される復調入力端子を有し、前記信号成 分選択手段（１４、２１、２２）は、それの前記復調入力端子へ供給された、選 択された復調周波数の十分な復調信号成分を有する信号を用いて、それの前記検 出入力端子に生ずる成分の振幅を表す信号を、前記復調周波数に応答してそれの 前記出力端子に出現させることができる回転センサ。 １０．請求の範囲７記載の回転センサであって、前記重みづけ係数は（ω■τ／ ２）を基にしており、ここにω■は前記基本周波数であって、選択された温度範 囲にわたってπ／τを中心とする選択された範囲内に保たれ、τは、電磁波が前 記光学的位相変調器手段（１９）から前記コイル状に巻かれた前記光ファイバ（ １０）を通って、そのコイル状に巻かれた前記光ファイバ（１０）の反対側の、 それの問の光路中の対称的な点まで伝播するために要する時間である回転センサ 。 １１．請求の範囲７記載の回転センサであって、前記重みづけ係数は〔Ｊ１（φ ）−Ｊ，（φ）〕を基にしており、ここにφは前記基本位相差振幅であって、選 択された温度範囲にわたって３．０５を中心とする選択された範囲内に保たれる 同転ヤンサ。 １２．請求の範囲８記載の回転センサであって、前記応答比に対する値は、前記 バイアス光学的位相変調器手段によりヤットされ、そのバイアス光学的位相変調 器手段は入力端子と、この入力端子へ供給される電気信号に応答して長さを変え ることができる周縁部を持つ回転面とを有する圧電物質構造手段（３０）と、光 路中に挿入でき、かつ前記回転面に巻かれるコイルを形成するある長さの光ファ イバ（４０）と、圧縮できるが、圧縮に対する抵抗が圧縮の十分な増大と共に大 幅に増加するように、圧縮に抵抗する一対のインタフェース層（３３、３５）と 、それの内部の前記一対のインタフェース層（３３、３５）の間に圧電物質構造 手段（３０）が装着されるような固定手段（３２、３６、３７）とを備える回転 センサ。 １３．請求の範囲１０記載の回転センサであって、前記位相変調発生器手段（２ ０）の出力信号は矩形波形に近似し、前記第２の部分は、前記立上がり時間と前 置立下がり時間の問に起きる差を、電磁波が前記バイアス光学的位相変調器手段 （１９）からコイル状に巻かれた前記光ファイバ（１０）を通って、そのコイル 状に巻かれた前記光ファイバ（１０）の反対側の、それの間の光路中の対称点ま で伝播するために要する時間の長さで除したものにほぼ等しい回転ヤンサ。 １４．光路中に位置させるため、およびそれを通って、その光路に沿って伝播す る電磁波を位相変調できるバイアス光学的位相変調器（図２Ａ、図２Ｂ）であっ て、 入力端子と、この入力端子へ供給される電気信号に応答して長さを変えることが できる周縁部を待つ回転面とを有する圧電物質構造手段（３０）と、 光路中に挿入でき、かつ前記回転面に巻かれるコイルを形成するある長さの光フ ァイバ（４０）と、 圧縮できるが、圧縮に対する抵抗が圧縮の十分な増大と共に大幅に増加するよう に、圧縮に抵抗する一対のインタフェース層（３３、３５）と、その内部の前記 一対のインタフェース層（３３、３５）の間に圧電物質構造手段（３０）が装着 されるような固定手段（３２、３６、３７）と、を備えるバイアス光学的位相変 調器。 １５．請求の範囲１４記載のバイアス光学的位相変調器であって、前記一対のイ ンクフェース層（３３、３５）は柔らかい発泡材でおのおの形成されるバイアス 光学的位相変調器。 １６．請求の範囲１４記載のバイアス光学的位相変調器であって、前記圧電物質 構造手段（３０）は層構造として構成され、圧縮できるが、圧縮に対する抵抗が 圧縮の十分な増大と共に大幅に増加するように、圧縮に抵抗する非直線スチフネ スを持つ心出し環（８４）を更に備え、この心出し環（３４）は、頑丈な配置コ アの周囲の前記圧電物質環構造手段（３０）の内部に位置させられるバイアス光 学的位相変調器。 １７．請求の範囲１４記載のバイアス光学的位相変調器であって、前記ある長さ の光ファイバ（４０）は簿くて、付着性のある外被を周囲に有するバイアス光学 的位相変調器。 １８．請求の範囲１４記載のバイアス光学的位相変調器であって、前記ある長さ の光ファイバ（４０）はそれ自体と、前記圧電物質環構造手段（３０）とへ接合 されるバイアス光学的位相変調器。 １９．請求の範囲１４記載のバイアス光学的位相変調器であって、位相変調発生 器手段は、前記バイアス光学的位相変調器手段の入力端子に近い部分における可 撓性線（３８、３９）である相互接続で、前記バイアス光学的位相変調器手段へ 電気的に接続される出力端子を有するバイアス光学的位相変調器。 ２０．請求の範囲１５記載のバイアス光学的位相変調器であって、前記発泡材は 開放セル泡であるバイアス光学的位相変調器。 ２１．請求の範囲１６記載のバイアス光学的位相変調器であって、前記心出し環 （３４）は柔らかい発泡材でおのおの形成されるバイアス光学的位相変調器。 ２２．請求の範囲１８記載のバイアス光学的位相変調器であって、前記ある長さ の光ファイバ（４０）はそれの周囲に、硬化していない接合剤を付着されている 前記圧電物質構造手段（３０）を巻くことにより接合され、その接合剤はそのよ うに巻かれた後で硬化するバイアス光学的位相変調器。 ２３．請求の範囲１８記載のバイアス光学的位相変調器であって、前記ある長さ の尤ファイバ（４０）は前記圧電物質構造手段（３０）の周囲に巻かれているほ ぼ整数の巻き回数を有するバイアス光学的位相変調器。 ２４．請求の範囲２１記載のバイアス光学的位相変調器であって、前記発泡材は 開放セル泡であるバイアス光学的位相変調器。