JPH04503111A - 光フアイバジヤイロスコープ複数変調器位相差制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光フアイバジャイロスコープ複数変調 器位相差制御装置 発明の背景 本発明は回転検出のために用いられる光フア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アイバジャイロ スコープに関するものである。

光フア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 ては問題になシ得る低回転速度を検出できる。

光フア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、一対のそのよ うな波に分割されて、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りの回転の向きに長く なシ、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。

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、零附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。

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シ、２つの電磁波の間の位相差が通常変調される。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シ、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る。光位相変調器と 位相検出復調器は、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あるが、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。

この「適性な」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シ、結果として得られる光検出器信号が変調器によ シ振幅変調されることが無くされる効果が得られる。この「適性な」周波数の値 は光ファイバの長さと、それのための等側屈折率とから決定できる。

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あるから、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、かつ零回転速度附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、それ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、他の移送源、すなわち誤差、による位相が十分に 小さい時だけそれは可能である。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 。

しかし、正弦関数に従う位相検出復調器の出力は、零から更に遠い回転速度にお いて、ますます非直線的になる出力となる。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、周期的であるために、回転速度 が生じているものに関しては不明確である。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。

これは、コイル状の光ファイバを通って光検出器に達する、互向きに伝わる電磁 波によシ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シそれを行うことができる。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。

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。鋸歯信号または鋸歯状信号が選択される理由は、鋸歯信号 が変調された電磁波に対する純粋な周波数変換に達するものを供給できる、単側 波帯変調器、ことを示すことができるから、鋸歯信号または鋸歯状信号を選択す るものである。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、それ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を受けず、その代シに付加調波が発 生される。それらの付加調波は、鋸歯状波形に非常に近くシ、変調器を良く設計 することによシそれらの付加調波を小さく保つことができる。

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、一方の波は他方よシ高い周波数を持って（もつとも、光検出器に達 した時は両方とも同じ周波数を有する）ループを伝わシ、その結果として、周波 数が固定されている変調器（またはセロゲイン発生器）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 性質によシ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シひき起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、鋸歯発土器、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。

しかし、回転速度が低いと問題が起る。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「フライバンク部分」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、零速度附近での回転速度の 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遍くなシ、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ア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。

発明の概要 本発明は電磁波が逆向きに内部を伝って、帰還ループ内で動作させられる１つの 周波数変換器を通った後で光検出器に達するような、コイル状光ファイバを基に した回転センサ用の位相差制御装置を提供するものである。光検出器へ接続され ている位相検出器は、光検出器に入射する電磁波の間の相対的な位相差を指示し 、一対の出力信号を生ずる二重出力発生器を動作させる。１つの出力信号は各周 波数変換装置を動作させる。逆向きに伝わる電磁波の間の位相差と、差の向きと を示す信号を発生する検出器は、光フアイバコイルの軸線を中心とする回転によ る電磁波の間の位相差を打消す電磁波中の位相差推移を行わせるために周波数変 換装置を動作させるために適切な周波数と適切な極性を有する一対の鋸歯状信号 を発生器が発生できるようにする。発生器はループ誤差を表すものを格納させる ことによシ定常状態においてループ誤差を零にすることができるようにするため に積分装置を発生器に設けることかで第１図は本発明の実施例を線図の態様で示 し、第２Ａ図と第２Ｂ図は本発明に含まれる波形を示し、第３図は第１図に示さ れている本発明の一部の別の面を示し、第４図は本発明に用いるための部品を示 し、第５図は本発明に用いるための別の部品を示す。

第１図は）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アイ バ内を逆向きに進行する電磁波の七ロダイン位相変調を制御するために帰還ルー プを用いる光フア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 光フア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。

装置が可逆的である、すなわち、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 ノくけ、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＝＋イル１０ｔ”形成する。単一モード光 ファイノ（ヲ使用することによシミ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 によシ可逆性と、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。

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、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シ、または磁界中のフ ァラデー効果によシ、するいはその他の原因でひき起されて、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比較的大きくならないように、非常に大き い複屈折がファイバ中に形成される。

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。

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。これによシ、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コアイノくの典型的な長さは１００ｍ〜 ２０００ｍのオーダーである。

コイル１０内を逆向きに伝わる電磁波は第１図の電磁波源、または光源、１１か ら供給される。この源Ｈ１８３０ｎｍ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典型的にはレーザダイオードである。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、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シ、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。これにょシモード移 相が打消されることになる。

レーザダイオード１１と光７アイパコイル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ることにょシ形成される光路装置が第１図に示されている 。コイル１゜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。

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つのボートの間で延長する。それらの４つのボートのうち２ つがその媒体の各端部に＄シ、第１図における結合器１２の各端部に設けられる 。それらのボートのうちの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 ある他のボートには、光検出装置、１４、へ電気的に接続される光ダイオード、 １３、Ｋ対して位置させられるために延長し、それに対して位置させられる別の 光ファイバが示されている。

光ダイオード１３はそれに対して位置させられている光ファイバの部分からそれ に入射する電磁波または光波を検出し、応答して光電流を供給する。上記のよう に、この光電流は、それに入射するは埋コヒーレントな光波の場合には、余弦関 数に従って、そのような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。この充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。

光方向性結合器１２はそれの他端部におけるボートに対して、偏光器、１５、ま で延長する別の光７アイバを有する。結合器１２の同じ側の他のボートには、光 ファイバの別の部分を含む非反射性端末器、１６、が設けられる。

任意のボートに電磁波、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、入来ボートを有する端部に向き合う端部における２つ のボートのおのおのに現われるように１その光を送る。

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シ、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。これに関して、用すられる光フアイバ中の高い複 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。

偏光器１５の両端にボートが設けられる。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ボートに向 き合って別の光フアイバ部分が位置させられる。その別の光フアイバ部分は別の 光方向性結合器１７まで延長する。この光方向性結合器１Ｔは結合器１２と同じ 光透過特性を有する。

そこからボートが偏光器１５へ結合される結合器１７の同じ端部におけるボート が、別の光フア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１１ の他端部におけるボ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 それまで延長する光路部分内の別の光部品へ一方が接続される。結合器１７の他 のボートは光フアイバコイル１０の残シの端部へ直結される。

コイル１０と結合器１Ｔの間では、コイル１ｏの直結されている側とは反対側に ２つの光位相検出器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つのボートを有する。それらは第１図 では各変調器の両端に起る。コイル１０からの光ファイバは変調器１９のボート に向き合って位置させられる。変調器１Ｔから延長している光ファイバは変調器 ２０のボートに向き合って位置させられる。各変調器の１つのボートに向き合っ て位置させられている変調器１９と２０の間に光フアイバ部分が示され、それに よシコイル１０からその側の結合器１１までの光路を完成する。ある種の光集積 回路においては、この変調器対を代シ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アイバ部分を使用することを避けること ができる。

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シ光路長を変え 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ことができる。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内容を 有する波形に位相変化を生じさせることができる。

これで、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 された第１図の装置の光学的部分につｂての説明を終る。その光はその源から光 フアイバ部分を通って光方向性結合器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、その光の残シは偏光器１５を通って光方向性結合器１γへ送られる。

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、 結合器のボートに入る光は約半分に分割され、それの一方の部分それの両端部に おける２つの各ボートから出る。結合器１７のその反対側の端部の１つのボート から光波は光フアイバコイル１０と、変調器１９，２０．２１を通って結合器１ γへ戻る。そこでその戻る光の一部が結合器１１の接続端部における偏光器１５ の他のボ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１γの他のボ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１γとの他のボートを出る光の他の部分は変調器１９ ，２０．２１と光フアイバコイル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。

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 破壊的妨害が起るかに応じて変化する。波のこの妨害はコイル１Ｇ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シ変化する。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、第１ 図の残シ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。

第１図の電気装置部分は、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を通る時の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。その正弦関数に従うと、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。変調器１９はノ（イアス変調信号発生器、２２、によシ駆動される。そ の）（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。

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、を通ってそのような位相検 出器、２５、へ供給される。位相検出器２４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によシ提供される。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。

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の調波成分も発生する。フィルタ２４は第 ２の調波成分を除去するためのノツチフィルタである。

動作時には、以下に説明する光路中のコイル１０を逆向きに伝わる２つの波の位 相差の、変調器２０と２１による、変化によって波の間で非常に小さい正味の位 相差変化が生じさせられる。その位相差変化は、変調器１９による位相差変化と 比較して比較的ゆつくシと変化する。変調器２０と２１、またはサグナック効果 によるどの位相差も、復調時に変調器１９に基づく波の変調によシセットされる この位相差の正弦対する換算係数を有する波の間の位相差を単に推移させるだけ である。したがって、同期復調によシ、発生器２２と変調器１９に基づく正弦変 調の影響を除去する。

もちろん、電気装置部分に第１図に示されている種類の帰還に負帰還を使用する と、変調器１１と発生器２２による光波の間の位相差は別にして、光波の間に零 の正味位相差が存在し、または一定の回転速度が存在する。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める。したがって、光ダイオード１３に入射する光波に 起る、バイアス変調器が起した位相差の外側の、正味だけの位相差は、回転速度 の変化によシ表される過渡状態中に起る位相差であろう。

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シひき起される定 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シ、零に させられる。積分器２６は位相検出器２４の出力端子における全ての誤差信号の 移動を格納し、それらの誤差の時間積分を基にして対抗する出力信号を供給する 。この積分器２６の出力信号は変調器２０と２１を通る光路において十分な位相 をひき起して、一定回転速度の結果としての定常状態中に、バイアス変調位相差 は別にして、誤差を零にし、または位相差を零にする。

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 ゲイン発生器、２８、の入力端子へ加えられる。発生器２６と２７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シセットされる。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。

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シ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シ、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２うに、いずれかの発生器を変調することによシ実効単側帯波変調される結 果となシ、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。

理想的な鋸歯波からのずれは調波として示される。

それらの調波はずれの増大とともに多少増大する。

しかし、比較的少い調波内容が存在するように、光波の位相をほぼ理想的な鋸歯 の変化に非常に近く変化させるために、いずれかの発生器によシ駆動できる。し たがって、対応するセロダイン発生器によシ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と対応するセロゲイン発生器によシこ 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。

維持されているセンナの零回転速度のために積分器２６からの出力信号が無いと 、コイル１ｏ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、によシ上方へ偏移させられるが、その光波に対しては正味の周 波数偏移が起らないように、変調器２０へ入る光波は初期周波数にょシ下方へ偏 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によシ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らないように、変調器２ １において周波数の値によシ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。それよシも、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によシ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２６．２７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。

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１Ｌ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１１０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シ位相検出器２５から初期出力を生じさせる。その初期 出力は積分器２６によシ積分される。積分器２６の出力は変化し、それに従って 正のセロゲイン発生器２Ｔと負のセロダイン発生器２８の周波数を変化させる。

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、負のセロゲイン発生器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２Ｔ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存在する。発生器の周波数のそれらの変化は 、低（ハ）回転速度における変化に対しても、非常に速く起ル得るから、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。

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の光波よクコイル１０内のよシ高い周波数と 、よシ低い周波数である。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と、第１の場合における光波の間の 正の相対的な位相差推移と、第２の場合における負の正味の位相差推移が残る。

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消すのにちょうど十分になるであろう。

任意の位相変調器２１−’！たは２２のいずれかによシ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、工／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 かられかるように、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。

その結果、第２Ｂ図かられかるように、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シ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シ、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 る位相推移を表し、したがって一定の差を表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 シ、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。

第１図における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 によシ駆動されて、変調器２０と２１の対応する１つをおのおの動作させる。し かし、セロゲイン発生器２７と２８の一方を積分器２６によシ動作させることが でき、他方をそれの初期周波数に維持できる。積分器２６によシ動作させられる 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 。

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シ、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、それによシミ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。

第４図は変調器２０と２１が上に形成されているそのようなＬｉＮｂ０１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４ ２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１．５μｍ隔てられる。

おのおのの長さは典型的には１．６α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。

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打消すために駆動される、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。

ＬｉＮｂ０　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つの可能性が第６図に示されている。第１図の結合器１γは、導波器４１のや シ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ｒＹＪ結合は結合器１７の機能を果すから、第５図には１７’で示され ている。１１′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。

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２１または２８からの信号のいずれかに組合わせてから、 残シの対応する変調器へ加えることができる。

正のセロダイン発生器２γ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における、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、３０ 、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 し、回転速度と回転の向きに関する情報を含む。

第３図は、正のセロゲイン発生器２７と負のセロゲイン発生器２８をいくらか詳 しくして、第１図の電気的帰還ループの実施例を示す。第１図と第３図における 類似の各部品には同じ数字で示す。

各セロダイア発生器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２１の周波数が高くなるように、発生器２Ｔの入力端子へ電 圧制御発振器、３１が接続される。積分器２６の出力信号が増大すると発生器２ ８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、を介して接続される。発生器２１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、３ ４、°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ビツ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、３ ５、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デジタルビツトの出力を供給し、変換器３５と３６は同数のデジタル ビットの入力を受ける。

変換器３５の出力端子へ供給されたアナログ信号へ加えられる。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第３図 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。

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、シたがって積分器２ ６からの信号がない定常において典型的Ｃ”　７５．０　ＫＨｚ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。はばその周波数の 波形が、発生器２１に対しては増幅器３１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。

それらの波形かられかるように、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３ ５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２１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。

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 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 。

第３図かられかるように、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。

好適な実施について本発明を説明したが、本発明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。

国際調査報告 国際調査報告 ＵＳ　９０００４８２

Claims (25)

【特許請求の範囲】
1. １．一対の電磁波がコイル状光フアイバを逆向きに伝わり、ある位相差関係を互 いに持って光検出器へ入射することを基にして前記コイル状光フアイバの軸線を 中心とする回転を検出できる回転センサ用の位相差制御装置において、この位相 差制御装置は、前記光検出器に入射する一対の電磁波中に生ずる位相差を表す出 力信号をその光検出器から受けるために前記光検出器へ入力端子が電気的に接続 され、前記光検出器の出力信号により示された前記位相差の大きさと向きを表す 出力信号を出力端子に供給できる位相検出器手段と、 第１の出力端子と第２の出力端子を有し、この位相検出器手段の前記出力信号を 受けるために前記位相検出器手段の出力端子へ電気的に接続され、十分に増大す る振幅の比較的長い持続時間、およびそれに続く十分に減少する振幅のはるかに 短い持続時間で構成された選択されて、前記位相検出器手段の出力信号により決 定される周波数で繰返えされる基本的な波形部分を有するそれの第１の出力信号 と、十分に減少する振幅の比較的長い持続時間、およびそれに続く十分に減少す る振幅のはるかに短い持続時間で構成されて、前記位相検出器手段の前記出力信 号により決定される選択された周波数で繰返えされる基本的な波形部分を有する それの第２の出力信号とを含む一対の出力信号を供給できる二重出力発生器手段 と、 前記コイル状光フアイバに達したり、前記コイル状光フアイバから出るために電 磁波がとる光路部分のうちから選択された対応する光路部分内におのおの位置さ せられ、前記二重出力発生器手段の第１の出力端子へ電気的に接続される第１の 周波数変換手段と、前記二重出力発生器手段の第２の出力端子へ接続される第２ の周波数変換手段とを含み、ある光路をたどって前記回転センサ内の前記光検出 器へ進み、前記光路に沿って伝わってそれを通る任意のそのような電磁波の周波 数を変換できる一対の周波数変換手段と、 を備える回転センサ用の位相差制御装置。
2. ２．請求項１記載の装置において、前記コイル状光フアイバを逆向きに伝わるそ のような電磁波の間で変化する位相差を持たせるように、前記光路に沿って伝わ ってそれを通る任意のそのような電磁波を位相変調できるバイアス光位相変調器 も前記光路部分中に位置される装置。
3. ３．請求項１記載の装置において、ある周波数で変化する信号を前記位相検出器 手段へ供給し、かつある周波数で変化する信号を前記二重出力発生器手段へ供給 するバイアス変調信号発生器を更に備え、そこでそれは前記二重出力発生器の第 １の出力信号と前記二重出力発生器の第２の出力信号のうちの選択された１つに 組合わされて、そのように組合わされた前記二重出力発生器の第１の出力信号と 前記二重出力発生器の第２の出力信号のうちのその１つに置換信号を供給する装 置。
4. ４．請求項１記載の装置において、前記コイル状光ファイバの前記軸線を中心と する回転がほとんど起きなければ、前記二重出力発生器手段の第１の出力信号と 第２の出力信号は選択された初期周波数をおのおのとり、前記コイル状光ファイ バの前記軸線を中心とする回転が起きるならば、前記二重出力発生器手段の第１ の出力信号は他の周波数をとる装置。
5. ５．請求項１記載の装置において、前記一対の周波数変換手段のいずれかを含む 前記光路部分のいずれかがおのおのビーム分割手段まで延長する装置。
6. ６．請求項１記載の装置において、前記一対の周波数変換手段は光位相変換器で ある装置。
7. ７．請求項１記載の装置において、前記第１の出力信号と前記第２の出力信号は おのおのほぼ鋸歯波形である装置。
8. ８．請求項２記載の装置において、前記バイアス光位相変調器はある周波数で変 化する信号をパイアス変調器信号発生器の出力端子から受け、前記位相検出器手 段もある周波数で変化する信号も前記パイアス変調器信号発生器から受ける装置 。
9. ９．請求項３記載の装置において、前記バイアス変調信号発生器は正弦出力信号 を供給し、前記二重出力発生器手段により受けられた前記信号は、前記位相検出 器手段により受けられた信号中に生ずる周波数にほぼ等しい周波数を有する装置 。
10. １０．請求項４記載の装置において、前記二重出力発生器手段は積分手段を含み 、その積分手段の入力端子は前記二重出力信号発生器手段の入力端子へ接続され る装置。
11. １１．請求項４記載の装置において、前記二重出力信号発生器手段は一対の電圧 制御発振器手段を含み、一方の電圧制御発振器手段の入力端子は前記二重出力発 生器手段の入力端子へ接続され、その一方の二重出力発生器手段の入力端子は極 性反転器を介して前記二重出力信号発生器手段の入力端子へ電気的に接続された ままであり、前記一対の電圧制御発振器手段のおのおのの出力端子は対応するデ ジタルカウンタ手段の入力端子へ電気的に接続され、各前記デジタルカウンタ手 段の出力端子が対応するデジタルーアナログ変換器の入力端子へ電気的に接続さ れ、前記各デジタルーアナログ変換器の出力端子は前記二重出力信号発生岩手段 の第１の出力端子と第２の出力端子の対応する１つに電気的に接続される装置。
12. １２．請求項４記載の装置において、前記コイル状光ファイバの前記軸線を中心 とする回転が起きたとすると、前記二重出力発生器手段の第１の出力信号と第２ の出力信号は前記初期間波数とは異なる別の周波数である装置。
13. １３．請求項５記載の装置において、前記ビーム分割手段は伝送媒体の向き合う 端部のおのおのに一対のポートを有する第１の光方向性結合器手段であり、上記 のように、そこへ延長する前記光路部分は前記伝送媒体の一端における前記ポー ト対へ延長し、前記第１の光方向性結合器手段の第１の１つの光路部分はそれの 反対側の端部から偏光器内のポートまで延長し、前記偏光器の前記第１の１つの 光路部分と第２の１つの前記光路部分はそれに含まれている伝送媒体の両端部の ボートから延長し、前記第１の１つの光路部分は前記第１の光方向性結合器に類 似する第２の光方向性結合器のポートまで延長し、伝送媒体の両端部における一 対のポートがそれに含まれ、前記第２の光方向性結合器の反対側の端子における ポートから前記光検出器へ延長する第３の１つの前記光路部分が設けられる装置 。
14. １４．請求項７記載の装置において、前記各光位相変調器は共通の集積回路チッ プに設けられる装置。
15. １５．請求項８記載の装置において、前記バイアス変調器信号発生器は正弦出力 信号を供給し、前記バイアス光位相変調器の周波数は、前記位相検出器手段によ り受けられる前記信号中に生ずる周波数とほぼ同一である装置。
16. １６．請求項１０記載の装置において、前記二重出力発生器手段は一対の電圧制 御発振器手段を含み、一方の電圧制御発振器手段の入力端子は前記積分器手段の 出力端子へ接続され、他方の前記電圧制御発振器手段の入力端子が極性反転器を 介して前記積分器手段の出力端子へ接続され、前記一対の電圧制御発振器手段の おのおのの出力端子が対応するデジタルカウンタ手段の入力端子へ電気的に接続 され、各前記デジタルカウンタ手段の出力端子が対応するデジタルーアナログ変 換器の入力端子へ電気的に接続され、前記各デジタルーアナログカウンタ手段の 出力端子は前記二重出力信号発生器手段の第１の出力端子と第２の出力端子の対 応する電気的に接続される装置。
17. １７．請求項１１記載の装置において、各前記デジタルーアナログ変換器の前記 出力端子における信号は逆の大きさの向きに値を変化する装置。
18. １８．請求項１３記載の装置において、前記第２の光方向性結合器のポートと電 磁放射線の間に第４の単一の光路部分に設けられる装置。
19. １９．請求項１６記載の装置において、前記デジタルーアナログ変換器の前記出 力端子における信号は逆の大きさの向きに値を変化する装置。
20. ２０．請求項１７記載の装置において、前記二重出力発生器手段は、前記二重出 力発生器手段の入力端子と両方の前記極性反転器の前記入力端子および前記電圧 制御発振器の１つとの間に電気的に接続される装置。
21. ２１．コイル状光フアイバを逆向きに伝わって、一対の周波数変換手段を通った 後で光検出器に入射する、光路をたどる一対の電磁波を供給する過程と、前記光 検出器に入射した前記電磁波の間の任意の位相差を表す信号を供給する過程と、 前記一対の周波数変換手段中の各周波数変換手段の動作を指示するために、一対 の各周波数変換制御信号を前記一対の周波数変換手段中の各周波数変換手段へ供 給する過程と、 前記一対の電磁波の間に生ずる前記位相差を、前記光路中の前記周波数変換手段 を動作させることにより、前記周波数変換制御信号に従って変化させ、前記一対 の電磁波の周波数を偏移させる過程と、を備え、前記周波数変換手段の１つへ供 給される前記周波数変換制御信号は、十分に増大する大きさの比較的長い持続時 間、およびそれに続く十分に減少する大きさのはるかに短い持続時間で構成され て、選択された周波数で繰返えされる基本的な波形部分を有し、それの前記一対 中の残りの前記周波数変換制御信号は十分に減少する大きさの比較的長い持続時 間、およびそれに続く十分に減少する振幅のはるかに短い持続時間で構成されて 、選択された周波数で繰返えされる基本的な波形部分を有し、前記一対の周波数 変換制御信号の前記周波数は信号を示す前記位相差により決定される、コイル状 光ファイバの軸線を中心とする回転を検出する方法。
22. ２２．請求項２１記載の方法において、前記一対の周波数変換手段は光位相変調 器である方法。
23. ２３．請求項２１記載の方法において、位相を表す信号を供給する前記過程は、 前記一対の電磁波を別の光位相変調器を通させる道程を有し、その間にその光位 相変調器を選択された周波数で動作させるために正弦信号を供給する方法。
24. ２４．請求項２１記載の方法において、位相を表す信号を供給する前記過程は、 前記周波数変換制御信号の１つに組合わせる正弦信号を供給することを含む方法 。
25. ２５．請求項２１記載の方法において、前記各周波数変換制御信号はほぼ鋸歯波 形である方法。