JPH11108669A - 光ファイバジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡素な構成で精度よく作動し、激しい環境下
でも動作できる光ファイバジャイロを提供する。 【解決手段】 光学路１が回転したことにより発生する
左右回り光の位相差が逆符号の位相差により相殺されて
検出される位相差が零になるように階段波発生手段７を
負帰還制御しつつ光学路１の回転角速度を計測するクロ
ーズドループ方式の光ファイバジャイロにおいて、階段
波がリセットにより最大振幅変化したときに左右回り光
に与える位相シフト量が２πラジアンからずれた量を検
出する位相シフトずれ量検出手段９と、その位相シフト
ずれ量を用いて光学路１の回転角速度を補正する補正手
段１０とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、左右回り光を階段
波で位相変調して回転による位相差を相殺することによ
り回転角速度を計測するクローズドループ方式の光ファ
イバジャイロに係り、特に、簡素な構成で精度よく作動
し、激しい環境下でも動作できる光ファイバジャイロに
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】クローズドループ方式光ファイバジャイ
ロの従来構成を図４に示す。この光ファイバジャイロ
は、少なくとも一周する光学路１と、この光学路１に対
し右回り光及び左回り光を入射すると共にこの光学路１
を伝搬した前記左右回り光を互いに干渉させる干渉手段
２と、その干渉手段２と前記光学路１との間で前記左右
回り光を位相変調する位相変調手段３と、前記左右回り
光に交番の位相差を与えるべくバイアス位相変調信号を
発生するバイアス位相変調信号発生手段５と、前記干渉
手段２よりの干渉光の強度を電気信号として検出する光
電変換手段４と、この光電変換手段４からの出力に含ま
れている前記左右回り光間の位相差を検出する位相差検
出手段６と、この位相差検出手段６が検出する位相差に
対し逆符号の位相差を与えるべく階段波による位相変調
信号を発生する階段波発生手段７とを有する。

【０００３】光源２２からの光は、光カプラ２３を通じ
て光集積回路２４上の干渉手段２としての光分岐合成部
２５に至り、光分岐合成部２５で分岐されて、光学路１
としてのセンシングコイル２６の両端に右回り光及び左
回り光として入射される。センシングコイル２６を伝搬
してこれより出射される左右回り光は、干渉手段２とし
ての光分岐合成部２５で合成されて互いに干渉し、その
干渉光は、光カプラ２３を通じて光電変換手段４として
の受光器３１に入射され、その光強度に応じた電気信号
に変換される。位相変調手段３としての位相変調器２７
には、バイアス位相変調信号発生手段５からのバイアス
位相変調信号と階段波発生手段７からの階段波変調信号
とが印加される。

【０００４】バイアス位相変調は、位相変調器２７を通
過する左右回り光に対し約＋π／４ラジアンの位相シフ
トと約−π／４ラジアンの位相シフトとを、光が光学路
１を一周する時間（伝搬時間）τごとに交番に与える。
バイアス位相変調の周波数ｆｍ＝１／（２τ）である。

【０００５】光学路１に回転角速度が生じていない状態
では、光学路１を伝搬した左右回り光の位相差は零であ
る。しかし、光学路１に回転角速度が生じるとサニャッ
ク効果により位相差Φｓが発生する。位相差Φｓは、回
転角速度Ωに対し、 Φｓ＝｛４πＲｌ／（λｃ）｝・Ω …（１） ただし、Ｒは光学路の半径 ｌは光学路の長さ λは光源の波長 ｃは光速 の関係になる。クローズドループ方式では、この位相差
Φｓとは逆符号の位相差を与える階段波位相変調信号を
位相変調器２７に加えて受光器３１の出力が一定になる
よう制御する。

【０００６】図２に、階段波位相変調信号、バイアス位
相変調信号及びこれらの合成信号の波形を示す。図２
（ａ）に示されるように、階段波位相変調信号は、階段
の１段の平坦部持続時間を伝搬時間τとし、左右回り光
に階段の１段の段差に相当する位相差を与えることがで
きる。この階段波は傾斜が正であるが、傾斜が負のもの
を使用することもできる。また、図２（ｂ）に示される
ように、バイアス位相変調信号は、伝搬時間τごとに反
転する信号であり、左右回り光に約＋π／４ラジアンの
位相差と約−π／４ラジアンの位相差とを交番に与える
ことができる。両者を合成すると図２（ｃ）のようにな
る。

【０００７】階段波は、無限に振幅を高くすることはで
きないので、周期的にリセットが行われる。リセットに
より、階段波は最大振幅の状態から最小振幅の状態に瞬
時変化することになる。最小振幅を零とするとリセット
により階段波は最大振幅の変化をすることになる。この
最大振幅変化によって左右回り光に位相シフトが生じ
る。従来は、階段波がリセットにより最大振幅変化した
ときに左右回り光に与える位相シフト量Φ_R が２πラジ
アンかその自然数倍となるよう最大振幅を制御するよう
になっている。

【０００８】図３は、上図に、位相差Φｍに対する受光
器３１の光電変換出力の大きさ（光出力）を示し、下図
に、リセット前後における位相差Φｍの時間変化を示す
ものである。下図には、異なる４種類の波形Ａ，Ｂ，
Ｃ，Ｄが示されている。また、右図には、波形Ａ，Ｂを
もたらす階段波の傾斜を示す鋸歯状波と、波形Ｃ，Ｄを
もたらす階段波の傾斜を示す鋸歯状波とが示されてい
る。図示されるように、リセット時ｔ_A ，ｔ_B ，ｔ_C ，
ｔ_D の位相差Φｍはバイアス位相変調による位相差に位
相シフト量Φ_R が重なったものとなる。階段波の傾斜が
正のときリセットによる位相シフトは負方向になり、階
段波の傾斜が負のときリセットによる位相シフトは正方
向になる。

【０００９】バイアス位相変調のみ（リセット時以外）
の位相差Φｍに対する光出力は、上図に示されるように
光出力の最大値と最小値との中心値Ｍに位置する。リセ
ット時ｔ_A ，ｔ_B ，ｔ_C ，ｔ_D の位相差Φｍに対する光
出力も、位相シフト量Φ_R がちょうど２πラジアンであ
れば中心値Ｍに位置する。従って、リセットしたときに
光出力が変化することはない。

【００１０】ところが、リセットによる位相シフト量Φ
_R が２πラジアンと異なる場合、リセットしたときに光
出力が変化する。例えば、波形Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄにおい
て、リセット時の位相シフト量Φ_R が２πラジアンより
大きいと、それぞれの位相差Φｍに対する光出力は値Ｍ
_A ，Ｍ_B ，Ｍ_C ，Ｍ_D となるので、リセットされた瞬間
に光出力が変化する。

【００１１】このような光出力変化が見られるときは、
リセットによる位相シフト量Φ_R が２πラジアンからず
れているということであり、リセットによる位相シフト
量Φ_R が２πラジアンから異なるとリセット周期が適正
でなくなる。クローズドループ方式では、光学路の回転
角速度をリセット周波数に比例する量として求めるよう
になっており、そのためのスケールを持たせてあるの
で、リセット周期が不正になるとスケールエラーを生じ
る。

【００１２】従来は、リセットされた瞬間の光出力変化
量を検出し、光出力が中心値Ｍにくるように階段波振幅
制御回路３９で階段波の最大振幅を制御している。な
お、階段波発生回路３８及び階段波振幅制御回路３９
は、Ｄ／Ａ変換器を用いて構成している。論理回路は、
ゲートアレイで構成している。

【００１３】なお、上記従来技術の参考文献として「光
ファイバジャイロ」保立和夫，電子情報通信学会誌 Vo
l.73,No.2,pp149-160,1990.2 がある。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】従来技術の問題点は以
下の通りである。

【００１５】（１）値Ｍ_A ，Ｍ_D は中心値Ｍより小さ
く、値Ｍ_B ，Ｍ_C は中心値Ｍより大きい。このように位
相シフト量Φ_R が２πラジアンから同じだけずれても、
光出力変化は増加する場合と減少する場合とがあるた
め、位相シフト量Φ_R がどのようにずれたかを知ること
が困難である。

【００１６】（２）階段波振幅制御回路３９に使用する
Ｄ／Ａ変換器等の電子部品が必要であり高価になる。

【００１７】（３）階段波振幅制御回路３９に使用する
Ｄ／Ａ変換器等の電子部品の性能に限界があるため、回
転角速度計測の精度が上がらない。。

【００１８】（４）階段波振幅制御回路３９で行う階段
波の最大振幅の制御幅に制限があるため、外部環境の大
きな変化に対応できず、動作不良になる可能性がある。

【００１９】（５）制御のタイミングが悪いと発振する
可能性がある。

【００２０】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、簡素な構成で精度よく作動し、激しい環境下でも動
作できる光ファイバジャイロを提供することにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、少なくとも一周する光学路と、この光学路
に対し右回り光及び左回り光を入射すると共にこの光学
路を伝搬した前記左右回り光を互いに干渉させる干渉手
段と、その干渉手段と前記光学路との間で前記左右回り
光を位相変調する位相変調手段と、前記左右回り光に交
番の位相差を与えるべくバイアス変調信号を発生するバ
イアス位相変調信号発生手段と、前記干渉手段よりの干
渉光の強度を電気信号として検出する光電変換手段と、
この光電変換手段からの出力に含まれている前記左右回
り光間の位相差を検出する位相差検出手段と、この位相
差検出手段が検出する位相差に対し逆符号の位相差を与
えるべく階段波による位相変調信号を発生する階段波発
生手段とを有し、前記光学路が回転したことにより発生
する前記左右回り光の位相差が前記逆符号の位相差によ
り相殺されて検出される位相差が零になるように前記階
段波発生手段を負帰還制御しつつ前記光学路の回転角速
度を計測するクローズドループ方式の光ファイバジャイ
ロにおいて、前記階段波がリセットにより最大振幅変化
したときに前記左右回り光に与える位相シフト量が２π
ラジアンからずれた量を検出する位相シフトずれ量検出
手段と、その位相シフトずれ量を用いて前記光学路の回
転角速度を補正する補正手段とを備えたものである。

【００２２】前記位相シフトずれ量検出手段は、バイア
ス位相変調信号の符号と前記階段波の傾斜の符号と光電
変換出力変化量とから位相シフトずれ量を検出してもよ
い。

【００２３】前記位相シフトずれ量検出手段は、位相シ
フト量が２πラジアンの自然数倍からずれた量を検出し
てもよい。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を添付
図面に基づいて詳述する。

【００２５】図１に示されるように、光ファイバジャイ
ロは、光源駆動回路２１により駆動される光源２２が光
カプラ２３を介して光集積回路２４上の光分岐合成部２
５に接続されている。光分岐合成部２５の両分岐には、
センシングコイル２６の左右回り端が接続されている。
センシングコイル２６は周回する光学路１を構成するも
のであり、光分岐合成部２５は光学路１に対し左右回り
光を入射すると共に左右回り光を互いに干渉させる干渉
手段２を構成するものである。光集積回路２４上には、
光分岐合成部２５とセンシングコイル２６との間に挿入
される位相変調器２７が設けられている。この位相変調
器２７は、左右回り光を位相変調する位相変調手段３を
構成するものである。

【００２６】光分岐合成部２５の合成側には、光カプラ
２３を介して受光器３１が接続されている。受光器３１
は、干渉光の強度を電気信号として検出する光電変換手
段４を構成するものである。受光器３１の出力はプリア
ンプ３２を介して制御基板３３上のＡ／Ｄ変換器３４に
入力されている。

【００２７】制御基板３３上には、バイアス位相変調信
号発生論理回路３５、光ジャイロ信号制御論理回路３
６、データ積分論理回路３７、階段波発生回路３８が搭
載されている。バイアス位相変調信号発生論理回路３５
は、左右回り光に交番の位相差、即ち±π／２の位相差
を与える変調信号を発生するバイアス位相変調信号発生
手段５を構成するものである。光ジャイロ信号制御論理
回路３６は、左右回り光間の位相差を検出する位相差検
出手段６を構成するものであり、Ａ／Ｄ変換器３４の出
力から回転角速度を求め、階段波用のデータを演算する
と共に、階段波の振幅最大値が位相差２πに相当するよ
うに振幅を制御するためのデータを演算するものであ
る。また、本発明にあっては、光ジャイロ信号制御論理
回路３６は、階段波がリセットにより最大振幅変化した
ときに左右回り光に与える位相シフト量が２πラジアン
からずれた量を検出する位相シフトずれ量検出手段９を
構成するものである。データ積分論理回路３７は、光ジ
ャイロ信号制御論理回路３６から出力される回転角速度
を積分して回転角を求めるものであり、後述するマイク
ロコンピュータとのインタフェース機能も有する。

【００２８】この実施形態では、バイアス位相変調信号
発生論理回路３５、光ジャイロ信号制御論理回路３６及
びデータ積分論理回路３７は、一体のゲートアレイ４０
に組み込まれている。

【００２９】階段波発生回路３８は、論理回路とＤ／Ａ
変換器とで構成され、階段波用のデータをＤ／Ａ変換し
た電圧を出力するものであり、データのデジタル値が最
大値のとき最大電圧を出力することができる。

【００３０】温度を検出する手段８としてサーミスタ４
１が設けられている。サーミスタ４１の出力は、制御基
板３３上のマイクロコンピュータ４３に入力されてい
る。

【００３１】マイクロコンピュータ４３は、ＣＰＵ、Ｒ
ＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器からなり、光ジャイロ信号
制御論理回路３６が検出した位相シフトずれ量を用いて
光学路の回転角速度を補正する補正手段１０を構成する
ものである。補正手段１０には、マイクロコンピュータ
を使用せず、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）や
ゲートアレイを使用してもよい。

【００３２】次に、動作を説明する。

【００３３】クローズドループ方式では、サニャック効
果による位相差Φｓとは逆符号の位相差を与える階段波
位相変調信号を位相変調器２７に加えて受光器３１の出
力が一定になるよう制御している。従って、光ジャイロ
信号制御論理回路３６から階段波発生回路３８のＤ／Ａ
変換器に入力されるデータは、光学路１の回転角速度に
より発生する位相差Φｓの積算値に等しい。このデータ
は、光ジャイロ信号制御論理回路３６においてＤ／Ａ変
換器の入力最大幅でリセットされる。このときのリセッ
ト周波数が光学路の回転角速度に比例する。従って、リ
セットによる位相シフト量Φ_R が２πラジアンからずれ
ているとリセット周期が不正になり、スケールエラーを
生じる。

【００３４】本発明では、位相シフト量が２πラジアン
からずれた量を検出してスケール誤差を補正する。即
ち、位相シフトずれ量検出手段は、バイアス位相変調信
号の符号と階段波の傾斜の符号と光電変換出力（光出
力）変化量とから位相シフトずれ量を検出する。このた
めに、図３に示されるように、バイアス位相変調信号の
符号は、＋π／４ラジアンの位相シフトを与える場合に
正（＋）とし、−π／４ラジアンの位相シフトを与える
場合に負（−）とする。階段波の傾斜の符号は、振幅が
漸次増加する場合に正（＋）とし、漸次減少する場合に
負（−）とする。符号の演算のために値は１とする。

【００３５】 位相シフトずれ量Δ＝光出力変化量 ×バイアス位相変調信号の符号（＋１又は−１） ×階段波の傾斜の符号（＋１又は−１） …（２） これにより位相シフトずれ量Δが符号付きで求められ
る。図３において、波形Ａのリセット時ｔ_A では、バイ
アス位相変調信号の符号が−、階段波の傾斜の符号が＋
であり、光出力変化量は負（減，暗）であるから、位相
シフトずれ量Δは正、即ち、位相シフト量Φ_R が２πラ
ジアンより大きいことがわかる。波形Ｂのリセット時ｔ
_B では、バイアス位相変調信号の符号が＋、階段波の傾
斜の符号が＋であり、光出力変化量は正（増，明）であ
るから、位相シフトずれ量Δは正、即ち、位相シフト量
Φ_R が２πラジアンより大きいことがわかる。同様にし
て、波形Ｃのリセット時ｔ_C では、バイアス位相変調信
号の符号が−、階段波の傾斜の符号が−、光出力変化量
が正であり、波形Ｄのリセット時ｔ_D では、バイアス位
相変調信号の符号が＋、階段波の傾斜の符号が−、光出
力変化量が負であるから、いずれの場合も、位相シフト
ずれ量Δが正で、位相シフト量Φ_R が２πラジアンより
大きいことがわかる。

【００３６】光ジャイロ信号制御論理回路３６は、
（２）式による復調を実施して、得られた位相シフトず
れ量をマイクロコンピュータ４３に伝送する。マイクロ
コンピュータ４３は、予めＲＡＭ上に位相シフトずれ量
とスケール補正係数とを対応付けて格納したテーブルを
有する。マイクロコンピュータ４３は、テーブル上の離
散的な位相シフトずれ量の中から、（２）式で検出した
位相シフトずれ量に近い複数の位相シフトずれ量を検索
し、それぞれの位相シフトずれ量に対応するスケール補
正係数を用いて補間演算することにより、（２）式で検
出した位相シフトずれ量に対応するスケール補正係数を
求める。また、マイクロコンピュータ４３は、データ積
分論理回路３７から回転角速度及び回転角を読み込み、
これらの値にスケール補正係数を乗算して正しい回転角
速度及び回転角を得て、必要に応じて出力する。さら
に、マイクロコンピュータ４３は、上記処理と並行して
サーミスタ４１から得られる温度データによりスケール
補正を行う。

【００３７】なお、本発明の光ファイバジャイロにあっ
ては、階段波がリセットされた瞬間に光出力が変化す
る。この光出力変化が光学路１の回転による位相差をキ
ャンセルする階段波に影響しないよう、リセット時のデ
ータが階段波発生回路３８のＤ／Ａ変換用データに積算
されない論理回路を使用することが望ましい。

【００３８】また、左右回り光の位相バイアス量は、位
相変化に対して光出力が直線的に変化するよう、π／２
ラジアンにすることが望ましい。

【００３９】また、階段波リセットが与える光の位相シ
フト量の変化は、主に光集積回路２４の位相変調効率の
変動による。位相変調効率は温度特性を持つ。従って、
マイクロコンピュータ４３が位相シフトずれ量を読み込
んでスケール補正を行う時間間隔は、光集積回路２４の
特性と環境温度とにより設定することが望ましい。

【００４０】さらに、階段波の最大振幅は、従来のよう
に階段波振幅制御回路を用いて厳密に制御する必要はな
いが、図示しないハードウェアを用いて位相シフト量Φ
_R がおおよそ２πラジアンかその自然数倍になるよう調
整することが望ましい。

【００４１】また、本発明の光ファイバジャイロは、計
測した回転角速度を補正するだけでなく、検出した位相
シフトずれ量から光集積回路２４の故障を判断すること
もできる。

【００４２】本発明は、デジタル型クローズドループ方
式光ファイバジャイロに限るものではなく、アナログ型
にも適用できる。

【００４３】

【発明の効果】本発明は次の如き優れた効果を発揮す
る。

【００４４】（１）従来に比べて階段波振幅制御回路が
不要なので安価になる。

【００４５】（２）階段波振幅制御回路に使用する電子
部品の性能で制限されていた光ファイバジャイロの性能
が向上する。

【００４６】（３）階段波の最大振幅の制御幅に制限が
なくなると共に、帰還制御エラーによる発振の可能性が
排除できる。

【００４７】（４）光集積回路の故障が容易に判断でき
る。

【００４８】（５）環境の影響で位相シフト量Φ_R が２
πラジアンからずれても正しい回転角速度が計測できる
ので、激しい環境下でも使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す光ファイバジャイロ
の構成図である。

【図２】（ａ）階段波位相変調信号の波形図、（ｂ）バ
イアス位相変調信号の波形図、（ｃ）両位相変調信号を
合成した波形図である。

【図３】位相差光出力特性、位相差の時間波形、階段波
の傾斜を示す鋸歯状波の時間波形を示す図である。

【図４】従来の光ファイバジャイロの構成図である。

【符号の説明】

１ 光学路 ２ 干渉手段 ３ 位相変調手段 ４ 光電変換手段 ５ バイアス位相変調信号発生手段 ６ 位相差検出手段 ７ 階段波発生手段 ９ 位相シフトずれ量検出手段 １０ 補正手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 梶岡 博 茨城県日立市砂沢町880番地 日立電線株 式会社高砂工場内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも一周する光学路と、この光学
   路に対し右回り光及び左回り光を入射すると共にこの光
   学路を伝搬した前記左右回り光を互いに干渉させる干渉
   手段と、その干渉手段と前記光学路との間で前記左右回
   り光を位相変調する位相変調手段と、前記左右回り光に
   交番の位相差を与えるべくバイアス変調信号を発生する
   バイアス位相変調信号発生手段と、前記干渉手段よりの
   干渉光の強度を電気信号として検出する光電変換手段
   と、この光電変換手段からの出力に含まれている前記左
   右回り光間の位相差を検出する位相差検出手段と、この
   位相差検出手段が検出する位相差に対し逆符号の位相差
   を与えるべく階段波による位相変調信号を発生する階段
   波発生手段とを有し、前記光学路が回転したことにより
   発生する前記左右回り光の位相差が前記逆符号の位相差
   により相殺されて検出される位相差が零になるように前
   記階段波発生手段を負帰還制御しつつ前記光学路の回転
   角速度を計測するクローズドループ方式の光ファイバジ
   ャイロにおいて、前記階段波がリセットにより最大振幅
   変化したときに前記左右回り光に与える位相シフト量が
   ２πラジアンからずれた量を検出する位相シフトずれ量
   検出手段と、その位相シフトずれ量を用いて前記光学路
   の回転角速度を補正する補正手段とを備えたことを特徴
   とする光ファイバジャイロ。
2. 【請求項２】 前記位相シフトずれ量検出手段は、バイ
   アス位相変調信号の符号と前記階段波の傾斜の符号と光
   電変換出力変化量とから位相シフトずれ量を検出するこ
   とを特徴とする請求項１記載の光ファイバジャイロ。
3. 【請求項３】 前記位相シフトずれ量検出手段は、位相
   シフト量が２πラジアンの自然数倍からずれた量を検出
   することを特徴とする請求項１又は２記載の光ファイバ
   ジャイロ。