JPH1018U

JPH1018U - 光ファイバジャイロスコープの位相制御フィードバック装置

Info

Publication number: JPH1018U
Application number: JP002315U
Authority: JP
Inventors: チャン，チン・ラング; ダンクウオート，ルドルフ・カール
Original assignee: ハネウエル・インコーポレーテッド
Priority date: 1989-01-26
Filing date: 1997-03-17
Publication date: 1998-01-27
Also published as: EP0455737A1; JPH04503111A; WO1990008941A1; US5018859A; CA2045602A1

Abstract

(57)【要約】【課題】位相検出復調器の出力信号の直線範囲内で動
作できるが、低い回転速度に対して正確に応答でき、か
つその速度の急激な変化を示すことができる光ファイバ
ジャイロスコープを得る。【解決手段】光ファイバジャイロスコープに用いる位
相差制御フィードバック装置であり、ファイバコイルに
通常の余弦から正弦へ変換するための変調器とは別に２
つの変調器を接続詞、一方に正セロダイン変調信号を加
え、他方に負セロダイン変調信号を加える。それらのセ
ロダイン信号は光検出器からの出力信号から生成させ
る。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は回転検出のために用いられる光ファイバジャイロスコープに関するものであり、更に詳しくいえば、帰還ループ中で作動させられる光ファイバジャイロスコープに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

光ファイバジャイロスコープは回転検出のための魅力的な手段である。それらは非常に小型に製造でき、しかもかなりの機械的な衝撃、温度、変化およびその他の厳しい環境に耐えるように製作できる。動く部分がないから、それらはほとんど保守不要であり、ますます安価になる可能性を秘めている。また、それらは、他の種類の光学的ジャイロスコープにおいては問題になり得る低回転速度を検出できる。

【０００３】光ファイバジャイロスコープは、回転の中心となる軸線を中心としてコアに巻かれた光ファイバのコイルを有する。光ファイバは典型的には１００〜２０００メートル等の長さであって、電磁波、または光波が入射させられ、一対の波に分割されて、コイルを通って両方向に伝わり、最終的には光検出器に入射する。コアの軸線、またはコイル状に巻かれた光ファイバの軸線を中心とする回転により、それらの波の１つに対する実効光路長が１つの回転の向きには長くなり、他の回転の向きでは光路長が短くなる。波の間のそのような光路長の違いのために、いずれの回転の向きに対してもそれらの波の間に位相差が生ずる。これが周知のサグナック効果である。回転による位相差の推移の量、したがって出力信号が逆向きの２つの電磁波が伝わるコイルの全光路長の長さに依存し、したがって長い光ファイバにおいて大きな位相差推移を、コイル状に巻かれて比較的小さい容量で得ることができるから、コイル状に巻かれた光ファイバを使用することは望ましい。

【０００４】コイル状の光ファイバを通った後に光検出器のシステム光ダイオードに入射した、逆向きに伝わる電磁波に応答して、光ダイオードから発生される出力電流は余弦関数に追従する。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差推移の相対的な向きについての指示を与えず、したがって軸線を中心とする回転の向きについての指示を与えない。また、零付近の余弦関数の変化率が非常に小さいから、その出力関数は低い回転速度に対する感度が非常に低い。

【０００５】そのような満足できない特性のために、コイル状の光ファイバの一方の側に光位相変調器を置くことにより、２つの電磁波の間の位相差が変調される。その結果として、互いに逆向きに伝わる波の一方が変調器を通ってコイルに入り、他方の波はコイルを逆向きに伝わって、コイルを出た時に変調器を通る。また、光検出器の出力電流を受けるために位相検出復調器が設けられている。光位相変調器と位相検出復調器とは、いわゆる「適正な」周波数を有する正弦波信号発生器によって動作させられるのが普通であるが、基本周波数が同じで、波形の種類が異なるものを使用できる。他の周波数も使用できる。

【０００６】この「適正な」周波数は、波の一方の変調が他方の波の変調と位相が１８０度異なる結果となるような周波数であるように選択される。２つの波の間で位相差を１８０度にするこの変調により、結果として得られる光検出器信号が変調器により振幅変調されることが無くされる効果が得られる。この「適正な」周波数の値は光ファイバの長さと、それのための等価屈折率とから決定できる。

【０００７】位相検出復調器の結果としての信号出力は正弦関数に従う、すなわち、出力信号は光ダイオードに入射する２つの電磁波の間の位相差、主として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。正弦関数は奇関数であって、零において変化率が最大で、零の両側で代数符号が変化する。したがって、位相変数復調器信号は、コイルの軸線を中心としてどの向きに回転が起きているかの指示を与えることができ、かつ零回転速度付近における回転速度の関数としての信号値の最大変化率を与えることができる。すなわち、それの最高感度は零位相推移近くである。したがって、その出力信号は低い回転速度に対する感度が非常に高い。もちろん、他の移相源、すなわち誤差による位相が十分に小さい時だけに限られる。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非常に近い。位相検出復調器の出力信号に対するそのような特性は、光検出器の出力電流の特性に対する大きな改善である。

【０００８】しかし、正弦関数に従う移相検出復調器の出力は、零から遠い回転速度においては非直線的な出力となる。正弦関数の極大の１つを通るほど十分な振幅の回転速度に対しては、出力応答値は、周期的になり、回転速度が生じていても不明確である。したがって、位相検出復調器の出力信号が、零回転速度値の近くの領域に留まるようにジャイロスコープを動作させたいという強い希望がある。

【０００９】コイル状の光ファイバを通って光検出器に達する、互いに逆向きに伝わる電磁波に用いられる光路部分においてコイルの近くに、別の位相変調器、または別の周波数偏移器を付加することにより零回転速度値の近くに留まるようになる。この位相変調器、または周波数偏移器は光検出器装置からの帰還ループ内で動作させられ、位相変調器がひき起こす位相変化が、コイル状に巻かれた光ファイバの軸線を中心とする回転の結果としての逆向きに進む電磁波の間の位相推移の差を打ち消すためにちょうど十分であるように十分な負帰還を行う。その結果として、過渡的な回転速度の変化によるものを除いて光検出器には位相推移の差はほとんど起こらず、したがって推移位相を位相検出復調器で検出する必要はほとんどない。したがって、この位相検出復調器の出力信号は零に近いか、零である。この付加光位相変調器を動作させるために位相検出復調器へ接続されている発生器からの信号は、回転による位相を打ち消すために十分な特定の移相を行うことを変調器に指示する信号を供給することにより、それの中に、または関連する信号中に、回転速度の大きさと向きについての情報を含む。

【００１０】帰還ループ内の位相検出復調器へ接続されている発生器からの出力信号のためのいくつかの形式が、この付加光位相変調器を動作させるために提案されている。１つの共通な良い選択は、鋸歯状信号を光位相変調器へ加えるセロダイン発生器を用いることである。鋸歯信号は変調された電磁波を純粋に周波数変換されたものとすることができるので、鋸歯信号又は鋸歯状信号が選択される。その結果、そのような鋸歯状信号で動作させられている位相変調器を通る光は、その周波数が鋸歯状信号の周波数に等しい量だけ変換されて変調器を出る。鋸歯状信号は純粋な周波数変換とならなないと、その代わりに付加高調波が発生される。それらの付加高調波は、鋸波状波形に非常に近くし、変調器を良く設計することによりそれらの付加高調波を小さく保つことができる。

【００１１】そのように動作させられる光位相変調器はコイル状の光ファイバの一方の側に設けられるから、一方の電磁波の周波数はコイルに入った時に変換され、他方はコイルを出るまでその周波数を変換されない。したがって、一方の波は他方より高い周波数を持って（もっとも、光検出器に達した時は両方とも同じ周波数を有する）ループを伝わり、その結果として、周波数が固定されている変調器（またはセロダイン発生器）の場合には、光検出器においては一方の位相が他方に対して、鋸歯の周波数と２πτΔｆの光ファイバの性質によりセットされる量だけ移相される。ここに、Δｆは変調器または発生器の周波数、τは光波がコイルを通る進行時間である。この移相は回転によりひき起こされる光波の間の移相に対抗するように作用する。その理由は、変調器が設けられている負帰還ループのためである。したがって、鋸歯発生器、または鋸歯状発生器の出力信号の周波数は回転速度を示し、鋸歯の極性は回転の向きを示す。

【００１２】

【考案が解決しようとする課題】

しかし、回転速度が低いと問題が起こる。回転速度が低くなると鋸歯波形の周波数を低くせねばならない。その結果、波形の「傾斜部分」、すなわち、波形の一定に増大または減少する振幅部分の比較的長い（波形の対応する比較的短い減少する部分または増大部分すなわち「フライバック部分」に対して）持続時間が非常に長くなる。この状況の結果として、電子回路で発生することが困難となる波形となる。また、それらの状況においてはジャイロスコープは、零速度付近での回転速度の急な変化のような、鋸歯波形の長い増大部分または減少部分の間に起こることがある回転速度の変化を追従する能力が非常に制約される。それらの問題の結果として回転速度の変化に対する応答が遅くなり、かつ回転速度を出力信号に関連させる非直線的すなわち不正確な換算係数と、直線的であることが望ましい換算係数が得られることになる。したがって、位相検出復調器の出力信号の直線範囲内で動作できるが、低い回転速度に対して正確に応答でき、かつその速度の急激な変化を示すことができる光ファイバジャイロスコープを得ることに対する強い希望がある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】

本校案は、光ファイバを通って互いに反対方向に進行し、一定の周波数信号によって位相変調され、かつ鋸歯状電圧信号でセロダイン変調される、双方がある位相差関係を互いに持って光検出器へ入射する一対の電磁波でコイル状光ファイバの軸の回りの回転を検出する光ファイバジャイロスコープに用いる位相差制御フィードバック装置である。本考案は、光検出器に接続され、電磁波間の位相差を表わす誤差信号を検出する位相検出手段と、その位相検出手段に接続され、一定時間前記誤差信号を格納し、その誤差信号の時間積分に基づいて計数信号を生成する積分手段と、その積分手段に接続され、前記鋸歯状電圧信号を生成する鋸歯状電圧信号生成手段と、その鋸歯状電圧信号生成手段に接続され、その鋸歯状電圧信号によってセロダイン変調を実施する変調手段とを有する。さらに、本考案は、鋸歯状電圧信号生成手段が、カウンタ手段を含みかつ積分回路に接続されて計数信号を処理してデジタル信号を生成するデジタル処理手段と、前記カウンタ手段に接続され、デジタル信号を前記鋸歯状電圧の長期間にわたる傾斜部分の中の増加または減少するいくつかの小電圧を有するアナログ信号に変換するデジタル・アナログ変換手段とを有することを特徴とする。

【００１４】

【考案の実施の形態】

図１は、２つのセロダイン信号を組合わせることを基にしたコイル状光ファイバ内を互いに逆向きに進行する電磁波のセロダイン位相変調を制御するために帰還ループを用いる光ファイバジャイロスコープ装置のシステム線図を示す。装置はその光ファイバコイルの軸線を中心として低い回転速度で良く動作でき、かつそのように低い回転速度において回転速度の変化に速やかに応答できる。

【００１５】装置が可逆的である、すなわち、以下に説明するように非可逆的位相差推移の導入を除き、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ようにするために、装置の光学部分は光路に沿っていくつかの構成を含む。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すなわち巻枠の周囲にコイル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または光波の光路を独特に定めることができ、更にそのような導かれる波の位相前面も独特に定めることができる。これにより可逆性と、下記に示すように非可逆的位相推移の導入を維持することが大きく助けられる。

【００１６】更に、光ファイバというのはいわゆる偏光を維持するファイバであって、非常に大きい複屈折がファイバ中に形成されている。それにより、機械的な応力、または避けることができない偏光器内の欠点により、または磁界中のファラデー効果により、あるいはその他の原因でひき起こされて、位相差推移をランダムに変化させることがある複屈折が相対的に大きくならないようにしている。したがって、装置内の他の光学部品に応じて電磁波を伝わらせるために、高い屈折率の軸線、遅い伝播軸線、または低い屈折率の軸線が選択される。この装置においては、そこに用いられている光学部品にかんがみて遅い軸線が選択されている。

【００１７】コイル中の類似して配置されている点が互いに接近するように、コイルは「四極」技術を用いて巻枠に巻かれる。これにより、温度勾配のような時間的に変化する現象の効果が逆向きに伝わる電磁波に互いに異なる影響を及ぼすことが減少させられる。コイル内の巻枠を中心とする光ファイバの典型的な長さは１００ｍ〜２０００ｍのオーダーである。

【００１８】コイル１０内を逆向きに伝わる電磁波は図１の電磁波源、すなわち光源１１から供給される。この光源は、８３０ｎｍの典型的な波長の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レーザダイオードを用いるのが一般的である。コイル１０における散乱場所におけるレイレーおよびフレネル散乱に起因する、それらの波の間の移相差誤差を減少させるために、光源１１は放出された光に対して短いコヒーレンス長を持たねばならない。コイル１０中の非直線的なカー効果のために、逆向きに伝わる２つの電磁波の強さが異なることにより、それらの電磁波の間の位相が異なるようになることがある。この状況は光源１１のために短いコヒーレンス長の源を使用することによっても克服できる。これによりモード移相が打ち消されることになる。

【００１９】レーザダイオード１１と光ファイバコイル１０の間に、全体の光路をいくつかの光路部分に分離させるいくつかの光結合部分まで、コイル１０を構成する光ファイバの端部を延長させて形成させた光路装置が図１に示されている。コイル１０におけるのと同じ種類の偏光維持光ファイバの一部が、それからの最適光放出の点においてレーザダイオード１１に向き合って位置させられる。その点は、それがその点から第１の光方向性結合器１２まで延びるような点である。

【００２０】光方向性結合器１２は内部に光透過媒体を有する。その光透過媒体は４つのポートの間に延びている。それらの４つのポートのうち２つがその媒体の各端部にあり、図１における結合器１２の各端部に設けられる。それらのポートのうちの１つは、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。光方向性結合器１２の同じ端部にある他のポートには、光検出装置１４へ電気的に接続される光ダイオード１３に対して位置させられるように延びる別の光ファイバも示されている。

【００２１】光ダイオード１３はそれに対向する光ファイバから入射する電磁波または光波を検出し、応答して光電流を出力する。上記のように、この光電流は、それに入射するほぼコヒーレントな光波の場合には、余弦関数に従って一対の電磁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。この光電圧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ものであって、典型的にはｐ−ｉ−ｎ光ダイオードとすることができる。

【００２２】光方向性結合器１２はそれの他端部におけるポートに偏光器１５まで延びる別の光ファイバを有する。結合器１２の同じ側の他のポートには、光ファイバの別の部分を含む非反射性端末器１６が設けられている。

【００２３】任意のポートに電磁波、または光を受けている方向性光結合器１２は、その光の約半分が、結合器１２の端部における２つのポートのおのおのに現れるようにする。

【００２４】単一モード光ファイバにおいても、光ファイバを通る光において２つの偏光モードが可能であるから偏光器が用いられる。したがって、それらの偏光の１つを、上記のようにその光ファイバの遅い軸線に沿って送り、他方を阻止する目的で偏光器１５が設けられる。しかし、偏光器１５は阻止することを意図する偏光の１つの状態において光を完全に阻止することはない。また、このために、逆向きに伝わる２つの波の間に小さい非可逆性がもたらされるから、それらの電磁波の間に、偏光器が設けられている環境の条件に応じて変化することがある小さい非可逆的位相差が生じさせられる。しかし、用いられる光ファイバ中の高い複屈折率が、上記のように結果としての位相差誤差を減少させることを助ける。

【００２５】偏光器１５の両端にポートが設けられる。光を伝える媒体が偏光器１５の内部で端部の間に含まれる。偏光器の光方向性結合器１２へ接続されている端部とは反対側の端部ポートに向き合って別の光ファイバ部分が位置させられる。その別の光ファイバ部分は別の光方向性結合器１７まで延長する。この光方向性結合器１７は結合器１２と同じ光透過特性を有する。

【００２６】そこからポートが偏光器１５へ結合される結合器１７の同じ端部におけるポートが、別の光ファイバ部分を用いて非反射性端末器へ再び接続される。結合器１７の他端部におけるポートについて考えると、コイル１０の光ファイバの一端から結合器までの間に設けられた別の光部品へ一方が接続される。結合器１７の他のポートは光ファイバコイル１０の残りの端部へ直結される。

【００２７】コイル１０と結合器１７の間では、コイル１０に直結されている側とは反対側に２種類の光位相変調器１９，２０と２１が設けられる。それらの各光位相変調器は、それに含まれている伝送媒体の両端に２つのポートを有する。それらは図１では各変調器の両端にある。コイル１０からの光ファイバは変調器１９のポートに向き合って位置させられる。変調器１９から延長している光ファイバは変調器２０のポートに向き合って位置させられる。各変調器の１つのポートに向き合って位置させられている変調器１９と２０の間に光ファイバ部分が示され、それによりコイル１０からその側の結合器１７までの光路を完成する。ある種の光集積回路においては、この変調器対を代わりに共通の光集積回路内に設けて、光路を完結する目的のためにそれの対の間に光ファイバ部分を使用することを避けることができる。

【００２８】変調器１９，２０と２１内の伝送媒体の屈折率を変えることにより光路長を変えることによって、それらの変調器を通される光に位相差を生じさせる電気信号を各光位相変調器は受ける。光集積回路の態様で製造された光位相変調器は広い帯域幅を有する、すなわち、光位相変調器は十分に高い周波数を有する波形に位相変化を生じさせることができる。

【００２９】これで、光源１１により放出された電磁波、または光波が伝わる光路に沿って形成された図１の装置の光学的部分についての説明を終わる。その光はその光源から光ファイバ部分を通って光方向性結合器１２へ結合される。光源１１から結合器１２へ入るその光のいくらかは、それの反対側にある非反射端末器１６において失われるが、その光の残りは偏光器１５を通って光方向性結合器１７へ送られる。

【００３０】結合器１７はビーム分割器として機能する。すなわち、偏光器１５から受けて、結合器のポートに入る光は約半分に分割され、分割されたそれぞれが両端部における２つの各ポートそれぞれから出る。結合器１７のその反対側の端部の１つのポートから光波は光ファイバコイル１０と、変調器１９，２０，２１を通って結合器１７へ戻る。その戻る光の一部が結合器１７の偏光器１５へのポートと反対側のポートへ接続されている非反射性装置１８において失われるが、その光の残りは結合器１７の他のポートを通って偏光器１５と結合器１２へ達し、そこでその光の一部が光ダイオード１３へ送られる。偏光器１５からコイル１０へ送られて、コイル１０と結合器１７との他のポートを出る光の他の部分は変調器１９，２０，２１と光ファイバコイル１０を通って結合器１７に再び入り、また、他の部分が通るのと同じ光路を通るその光の一部が光ダイオード１３に最終的に入射する。

【００３１】上記のように、光ダイオード１３はそれに入射した２つの電磁波または光波の強さに比例する出力光電流を供給する。その出力光電流は、そのダイオードに入射するそれら２つの波の間の位相差の余弦を基にした余弦関数に追従する。その理由は、電流が光ダイオード１３に入射する２つの波の結果としての光学的な強さに依存するからである。その強さは２つの波の間にどれだけの建設的妨害または破壊的妨害が起こるかに応じて変化する。波のこの妨害はコイル１０の軸線を中心としてコイル１０を形成するコイル状光ファイバの回転により変化する。というのは、その回転が２つの波の間に位相差推移を導入するからである。更に、図１の残りの部分に示されている電気装置に関連して説明するように、位相変調器１９，２０，２１により付加位相差推移を導入できる。

【００３２】図１の電気装置部分は、光ダイオード１３を含めた光検出器１４から、光が光位相変調器２０と２１を通る光路までの帰還ループを形成する。光位相変調器１９は、上記のような種類のものであって、光検出器１４の余弦関数に従う出力信号を正弦関数に従う信号へ変換するために位相検出復調器、または位相検出器とともに使用される。正弦関数に従うと、その出力信号中に、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が供給される。そのための変調器１９はバイアス変調信号発生器２２により駆動される。そのバイアス変調信号発生器は、上記のように位相検出復調器である位相検出器を駆動する信号も供給する。

【００３３】したがって、光ダイオード１３を含む光検出器１４からの出力信号は増幅器２３へ供給され、そこで増幅されてからフィルタ２４を通って位相検出器２５へ供給される。位相検出器２５として機能する位相検出復調器は周知の装置である。その位相検出復調器は発生器２２の第１の高調波、すなわち基本周波数の変化を検出して、光検出器１４に入射する光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検出器２５により与えられる。その出力信号は光ダイオード１３に入射する２つの光波の間の位相差の正弦に従う。

【００３４】バイアス変調信号発生器２２は、上記「適切な」周波数で光路内の光を変調する際に、光検出器１４において強い第２の高調波成分も発生する。フィルタ２４は第２の高調波成分を除去するためのノッチフィルタである。

【００３５】動作時に、光路中のコイル１０を逆向きに伝わる２つの波の変調器２０と２１による位相差の変化は、その波の間の正味の位相差の変化となる。それは非常に小さいく、かつ、変調器１９による位相差変化と比較して比較的ゆっくり変化する。変調器２０と２１による又はサグナック効果によるいずれの位相差の偏移又は推移（シフト）も、復調時に、変調器１９による波の変調によって設定される位相差の正弦に対する振幅検算係数で単に光波間の位相差を偏移させるだけである。したがって、同期復調により、発生器２２と変調器１９による正弦変調の影響を除去する。

【００３６】もちろん、図１の電気装置部分に示されている種類の帰還システムでの負帰還を使用すると、変調器１９と発生器２２とによる光波間の位相差は別にして、一定の回転速度に対する光波間の正味位相差をゼロとすることができる。バイアス変調器の位相差の外側の正味の位相差は、この帰還系における誤差信号を表わすから、これは、定常状態誤差が零に駆動されると述べることと同じである。それは帰還ループが積分制御則に従うことを求める。したがって、光ダイオード１３に入射する光波に起こる、バイアス変調器が起こした位相差の外側の、正味だけの位相差は、回転速度の変化により表される過渡状態中に起こる位相差である。

【００３７】したがって、光ダイオード１３に入射する光波の間に回転によりひき起こされる定常状態誤差、または位相差は、コイル１０の軸線を中心とする一定の回転速度の定常状態中に、この帰還ループ内に積分器２６が存在することにより、零にさせられる。積分器２６は位相検出器２５の出力端子の誤差信号を格納し、それらの誤差の時間積分に基づく計数した出力信号を供給する。その積分器２６の出力信号は変調器２０と２１を通る光路中に充分な移相を起こさせ、一定回転速度の結果として誤差を零にし、または移相差を零にする。ただし、その際バイアス変調移相差は考慮しない。

【００３８】積分器２５の出力信号は正のセロダイン発生器２７の入力端子と、負のセロダイン発生器２８の入力端子へ加えられる。発生器２７と２８は、典型的には７５．０ＫＨｚの同一の初期周波数で動作させられる。それらの周波数は初期周波数制御発生器２９からの出力信号によりセットされる。この周波数においては、正発生器２７はそれの出力端部に正のピークを有する鋸歯電圧、または少なくとも鋸歯状電圧を有する。その鋸歯状電圧の基本波形部分は、電圧を十分に増大させる比較的長い持続時間と、それに続く電圧を十分に低くする非常に短い持続時間とを有する。同様に、負発生器２８はそれの出力端子に鋸歯電圧、または鋸歯状電圧を有する。しかし、一方は負電圧ピークを有する。

【００３９】正発生器２７と負発生器２８からのそれらの各波形の電圧は光位相変調器２１と２０へそれぞれ加えられる。変調器２１と２０の構成と、それへ接続されているそれぞれのセロダイン発生器により供給される出力信号波形におけるピーク電圧の値は、ピークにおいて各変調器が２πラジアンの位相推移を行わせるように選択される。このピーク位相推移の選択により、変調器およびそれのセロダイン発生器を含めたほぼ純粋の周波数変換装置になるように選択できる。すなわち、上記のように、いずれかの発生器を変調することにより実効単側帯波変調される結果となり、変調器を通る光波の周波数が、変調器を動作させる信号波形の周波数に等しい量だけ偏移させる。

【００４０】理想的な鋸歯波からのずれは高調波として示される。それらの高調波はずれの増大とともに多少増大する。しかし、変調器２０、２１を通る光波の位相をほぼ理想的な鋸歯状に非常に近く変化させるために、高調波が少なくなるように変調器２０、２１がそれぞれ発生器により駆動される。したがって、対応するセロダイン発生器により供給される鋸歯波形の周波数がどのようなものであっても、変調器２０、２１と対応するセロダイン発生器によりこの２πラジアンのピーク位相差は維持される。したがって、積分器２６の出力信号の効果は、変調器を通る光波の周波数を、発生器２７と２８がそれの周波数に関して動作する周波数だけ偏移させることである。

【００４１】零回転速度が維持されているためにセンサの積分器２６からの出力信号が無いと、コイル１０に達する前に変調器２１に入る最初の光波は初期周波数、すなわち７５．０ＫＨｚにより上方へ偏移させられるが、その光波に対しては正味の周波数偏移が起こらないように、変調器２０へ入る光波は初期周波数により下方へ偏移させられる。他方、コイル１０を出て変調器２０に入る第２の光波も初期周波数の値、再び７５．０ＫＨｚにより下方へ偏移させられるが、それから、この第２の逆向きに伝わる光波に対しては周波数変換が再び起こらないように、変調器２１において周波数の値により上方へ偏移させられる。周波数が低くて、傾斜部分が長い鋸歯状波形を零近くの回転速度で発生する必要がないように、初期周波数は十分な周波数であることに注目されたい。それらの回転速度によって発生器２７と２８の出力信号の間の周波数の差が小さくなるが、それらの差は発生器２９によりセットされた初期周波数を中心として生ずる。したがって、各発生器２７、２８は低い回転速度に対しては、電子回路が発生に困難でないそれの初期周波数の近くで動作する。

【００４２】他方、コイル１０の軸線を中心とする回転速度が変化すると、逆向きに回転するそれら２つの光波の間にサグナック効果位相推移が生ずる。（この位相推移差の値は値２πＬＤΩ／λｃを有する。ここに、Ｌはファイバの長さ、Ｄはコイルの直径、Ωは角回転速度、λは源１１の波長、ｃは自由空間内の光速度である。）そのような位相推移により位相検出器２５から初期出力を生じさせる。その初期出力は積分器２６により積分される。積分器２６の出力は変化し、それに従って正のセロダイン発生器２７と負のセロダイン発生器２８との周波数を変化させる。

【００４３】回転速度が正の角度の向きであるとすると、積分器２６の出力は正であって、正のセロダイン発生器２７の周波数を高くさせ、負のセロダイン発生器２８の周波数を低くする。逆向きの回転の場合には、積分器２６の出力が負になってセロダイン発生器２７と２８の周波数を逆の結果にする。いずれにしても、第１の場合には正味の上向きの周波数偏移が存在し、第２の場合には正味の下向きの周波数偏移が存在する。発生器の周波数のそれらの変化は、低い回転速度における変化に対しても、非常に速く起こり得るから、ジャイロスコープの出力信号は、発生器の信号の間の正味の周波数差を基にして、任意の回転速度レベルにおける回転速度の変化に対して急速に変化する。

【００４４】その結果、変調器２１と２０を通った後でコイル１０に入る第１の光波は、コイル１０へそれの他端部から入る第２の光波よりコイル１０内のより高い周波数と、より低い周波数である。２つの異なる周波数でコイル１０を通る２つの光波の結果は、２つの光波の間で正味の位相差推移が残る。第１の場合においては光波の間の正の相対的な位相差推移で、第２の場合においては負の正味の位相差推移である。発生された位相差推移は、回転速度が逆向きの位相差推移のまま定常であるとすると、サグナック効果位相差推移を打ち消すのにちょうど十分になるであろう。

【００４５】任意の位相変調器２１または２２のいずれかにより光ビームに加えられる実効位相推移（変調器１９による位相差推移を示すことなしに）が、１／Ｔに等しいように任意に示されている選択された周波数で第２Ａ図に示されている。それからわかるように、位相推移のピークは、上記のように各光波に対して２πラジアンである。また、変調器に達する前にコイル１０を通る第２の光波を表わす破線は、コイル１０を通る光波の進行時間だけ遅らされることがわかる。その進行時間は上記のようにτである。

【００４６】その結果、第２Ｂ図からわかるように、２つの光波が光ダイオード１３に入射した時に、いずれかの変調器により２つの光波の間で維持される正味の位相差推移がある。その位相推移差は、ここで選択した例ではほとんどの時間は正であるが、正の値より２πラジアン小さい値も周期的にとる。いずれかの変調器に対する正味の位相差推移は、２πτΔｆに等しい一定の位相推移とみなすことができる。ここに、Δｆは前と同様にその発生器に対するセロダイン波形の基本周波数である。光ダイオード１３の出力応答の周期的な性質により、２πラジアン離れている第２Ｂ図の正の値と負の値を持ち、同じ光電流出力を生じて、各変調器における位相推移を表わし、したがって一定の差を表わす瞬時出力信号を与える。各変調器２０と２１の正味の位相差推移は代数的に実効的に組合わされ、帰還ループにより、コイル１０の軸線を中心とする回転に起因するサグナック効果位相推移に等しくさせられる。

【００４７】図１における２つのセロダイン発生器は、上記のように積分器２６の出力信号により駆動されて、変調器２０と２１の対応する１つを動作させる。しかし、セロダイン発生器２７と２８の一方を積分器２６により動作させることができ、他方をそれの初期周波数に維持できる。積分器２６により動作させられるものはそれの初期周波数から両方向へ再び推移するが、その推移量はより大きい。

【００４８】光位相変調器２０と２１およびバイアス変調器１９がコイル状光ファイバ１０の一方の側にあるのが示されている。これは便利である。その理由は、変調器２０と２１、または全ての変調器２０，２１，１９を１つのＬｉＮｂＯ₃ 基板または上記のように集積回路に設けることができるからである。変調器２０と２１を１枚の基板に置くことにより、温度が変化しても、光路に沿って互いに正確かつほぼ一定の間隔を維持して、装置のドリフトを減少させ、光ファイバの光学部品のインターフェイスの数を減少し、それにより電磁波の減衰を減少させるからである。１枚の基板は寸法も小さくする。

【００４９】図４は変調器２０と２１が上に形成されているそのようなＬｉＮｂＯ₃ 基板の表現を示す。チタンを基板４０の上に付着し、それを基板内に拡散させて、基板表面に５μｍの結果としての幅を形成することにより導波器４１が基板内に形成される。基板４０へ付着させるためにクロムの薄い層と、３０００μｍの厚さの電極を完成するためにより厚い金の層とを用いて、変調器２０のための電極対４２が形成される。各電極は典型的には４０μｍであって、導波器４１から１．５ μｍ隔てられる。おのおのの長さは典型的には１．６cmであって、変調器２１に用いられる別の電極対４３から５０μｍだけ隔てられる。電極４３は電極４２と全く同様に形成される。

【００５０】しかし、変調器をコイル１０の単一の側に置くことは必要でなく、たとえば、変調器２０と２１をコイル１０の両側に置くことができる。２つの変調器の間の位相差が十分である限りは、帰還ループのためにコイル１０の軸線を中心とする回転に起因するサグナック効果位相推移を打ち消すように駆動されている２つの光波には正味の位相差推移がいぜんとして存在する。

【００５１】ＬｉＮｂＯ₃ 基板５０を用いてコイル１０の両側に変調器２０と２１を置く１つの可能性が図５に示されている。図１の結合器１７は、導波器４１のやり方でチタンで再び形成された分割導波器５１で置き換えることができる。導波器５１の「Ｙ」結合は結合器１７の機能を果たすから図５には１７′で示されている。１７′から延長する導波器の１本の脚は２つの電極５２と５３の間を通って変調器２０を形成する。他の脚は電極５３と別の電極５４の間を通って変調器２０を形成する。電極５２，５３，５４は、電極を対４２と４３で形成するために用いた材料と方法で形成される。

【００５２】また、バイアス変調器１９をなくすことができ、それの変調機能を変調２０または２１のいずれかに組合わせることができる。そのために、バイアス変調器２２からの信号を、発生器２７または２８からの信号のいずれかに組合わせてから、残りの対応する変調器へ加えることができる。

【００５３】正のセロダイン発生器２７の周波数と負のセロダイン発生器２８の周波数との差は、コイル１０の中を逆向きに伝わる光波の光位相変調器２０と２１による位相差推移を決定し、かつ電気的帰還ループが、回転によるサグナック効果位相差推移をちょうど打ち消すのに十分な値までその位相差推移を駆動するから、それら２つの発生器の間の周波数差は回転速度を表わす。それら２つの周波数の相対的な値はどの向きに回転が行われているかを示す。したがって、正のセロダイン発生器２７の出力と負のセロダイン発生器２８の出力は周波数差検出器３へ加えられる。そうすると、検出された差はジャイロスコープの出力信号を表わし、回転速度と回転の向きに関する情報を含む。

【００５４】図３は、正のセロダイン発生器２７と負のセロダイン発生器２８をいくらか詳しくした図１の電気的帰還ループの実施形態を示す。図１と図３における類似の各部品には同じ数字で示す。

【００５５】各セロダイン発生器２７と２８は破線内に示されている。積分器２６の出力信号が増大すると発生器２７の周波数が高くなるように、発生器２７の入力端子へ電圧制御発振器３１が接続されている。積分器２６の出力信号が増大すると発生器２８の周波数が低くなるように、発生器２８の入力端子へは別の電圧制御発振器３２が極性反転器３２′を介して接続されている。発生器２７の電圧制御発振器３１の出力端子が、アップデジタルカウンタ３３のクロック入力端子へ接続される。同様に、電圧制御発振器３２の出力端子はダウンデジタルカウンタ３４のクロック入力端子へ接続される。発生器２７のアップカウンタ３３の出力端子は、６ビット長デジタル信号を変換できるデジタル−アナログ変換器３５へ接続される。また、発生器２８のダウンカウンタ３４の出力端子は、変換器３５に類似するデジタル−アナログ変換器３６へ接続される。変換器３５と３６は６デジタルビットの出力を供給し、変換器３５と３６は同数のデジタルビットの入力を受ける。

【００５６】変換器３５の出力端子へ供給されたアナログ信号は増幅器３７へ加えられてから、光位相変調器２１へ加えられる。その光位相変調器は、それの等価回路の主な部品を示すために、コンデンサに似た接続で図３に示されている。発生器２８に対しても同じ構成が用いられ、変換器３６の出力が増幅器３８へ加えられてから光位相変調器２０へ加えられる。

【００５７】上記のように、初期周波数制御発生器２９は、光位相変調器２１と２０へ加えられる信号が、光検出器装置１４からのどの回転信号もなく、したがって積分器２６からの信号がない定常において典型的ｃ＝７５．０ＫＨｚの周波数を有するように、制御信号を電圧制御発振器３１と３２へ供給する。ほぼその周波数の波形が、発生器２７に対しては増幅器３７の下側に示され、別のそのような波形が発生器２８のために増幅器２８の下側に示されている。

【００５８】それらの波形からわかるように、各々の長い持続時間の傾斜部すなわちランプ部分に、いくつかの小さい電圧の増分または減分がある。それらの段は、変換器３５と３６の対応する１つの変換器の入力端子へ接続されている対応するカウンタからの増大するカウント、または減少するカウントの各々に対して、増幅後のデジタル−アナログ変換器３５と３６の電圧出力を表わす。鋸歯波形に良く近似する鋸歯状波形が供給される。それらの鋸歯状波形は、発生器２７に対しては、それの対応する波形中に正のピークを有し、発生器２８に対してはそれの対応する波形中に負のピークを有し、位相変調器２１と２０へそれぞれ加えられる。

【００５９】セロダイン波形を近似するために６４個のカウントステップが用いられ、各ステップはカウンタ３３と３４の出力端子におけるカウントの増分または減分を表わすから、電圧制御発振器３１と３２は、変調器２０と２１へ加えられる波形中に起こる基本周波数の６４倍である周波数で動作する。電圧制御発振器３１と３２の実際の動作周波数は、上記のように発生器２９と積分器２６によってセットされる。

【００６０】図３からわかるように、周波数差検出器３０は電圧制御発振器３１と３２の出力端子へ接続される。したがって、検出器３０により検出された周波数差は、光位相変調器２０と２１へ加えられる波形の間の実際の周波数差の６４倍である。しかし、周波数差検出器３０の出力は、コイル１０の軸線を中心とするジャイロスコープの回転速度と、その回転の向きとに関する情報を含む。

【００６１】好適な実施について本考案を説明したが、本考案の要旨と範囲を逸脱することなしに当業者は態様と細部を変更できることがわかるであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の実施形態を線図の態様で示した図。

【図２】本考案に含まれる波形を示した図。

【図３】図１に示されている本考案の一部の別の面を
示す図。

【図４】本考案に用いるための部品を示す図。

【図５】本考案に用いるための別の部品を示す図。

【符号の説明】

１０光ファイバループ、１１光源、１３光ダイオ
ード、１４光検出器、１５偏光器、１９、２０、２
１光位相変調器、２７正セロダイン発生器、２８
負セロダイン発生器。

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【手続補正書】

【提出日】平成９年７月２９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２】

【図４】

【図１】

【図５】

【図３】

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】光ファイバを通って互いに反対方向に進
行し、一定の周波数信号によって位相変調され、かつ鋸
歯状電圧信号でセロダイン変調される、双方がある位相
差関係を互いに持って光検出器へ入射する一対の電磁波
でコイル状光ファイバの軸の回りの回転を検出する光フ
ァイバジャイロスコープに用いる位相差制御フィードバ
ックシステムにおいて、前記光検出器に接続され、前記
電磁波間の位相差を表す誤差信号を検出する位相検出手
段と、前記位相検出手段に接続され、一定時間前記誤差
信号を格納し、その誤差信号の時間積分に基づいて計数
信号を生成する積分手段と、前記積分手段に接続され、
前記鋸歯状電圧信号を生成する鋸歯状電圧信号生成手段
と、前記鋸歯状電圧信号生成手段に接続され、その鋸歯
状電圧信号によってセロダイン変調を実施する変調手段
とを有し、前記鋸歯状電圧信号生成手段が、カウンタ手
段を含みかつ前記積分回路に接続されて計数信号を処理
してデジタル信号を生成するデジタル処理手段と、前記
カウンタ手段に接続され、デジタル信号を前記鋸歯状電
圧の長期間にわたる傾斜部分の中の増加または減少する
いくつかの小電圧を有するアナログ信号に変換するデジ
タル・アナログ変換手段とを有することを特徴とする位
相制御フィードバック装置。
【請求項２】前記デジタル処理手段が、初期周波数制
御信号を発生する初期周波数制御発生器手段と、前記積
分手段と初期周波数制御発生器手段とに接続されて前記
計数信号によって制御された周波数を持つ入力信号とし
て前記カウンタ手段へ加えられる制御された信号を生成
する電圧制御発振手段とを有することを特徴とする請求
項１記載の位相制御フィードバック装置。
【請求項３】前記セロダイン変調器が、フィードバッ
ク装置から供給される可変鋸歯状電圧信号によって電磁
波を変調するものと、一定の鋸歯状電圧信号によって電
磁波を変調するものの２つのものからなる請求項１また
は２記載の位相制御フィードバック装置。
【請求項４】前記セロダイン変調器が光結合器とコイ
ル状光ファイバとの間に配置された導波管である請求項
１記載の位相制御フィードバック装置。
【請求項５】前記光結合器とセロダイン変調器とが導
波路である請求項４記載の位相制御フィードバック装
置。