JPH0942976A - 光ファイバジャイロ - Google Patents

光ファイバジャイロ

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JPH0942976A
JPH0942976A JP7193359A JP19335995A JPH0942976A JP H0942976 A JPH0942976 A JP H0942976A JP 7193359 A JP7193359 A JP 7193359A JP 19335995 A JP19335995 A JP 19335995A JP H0942976 A JPH0942976 A JP H0942976A
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JP
Japan
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signal
optical fiber
phase difference
interference light
intensity
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Application number
JP7193359A
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English (en)
Inventor
Tsurashi Yamamoto
貫志 山本
Shinichi Kawada
伸一 河田
Yoshiyuki Okada
芳幸 岡田
Takeshi Hojo
武 北條
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Tokyo Keiki Inc
Original Assignee
Tokimec Inc
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の位相変調方式、セロダイン変調方式及
びディジタル変調方式の光ファイバジャイロの欠点を除
去することを目的とする。 【解決手段】 三角形状波形、即ち、デルタセロダイン
波形信号を使用して、干渉光の強さ信号Ｉに基準位相差
Δβを生成する。基準位相差Δβは、時間Ｔ／２毎に絶
対値が同じで符号が異なる一定値ΔβA 及びΔβB に変
化する。干渉光の強さ信号Ｉの位相ｘは＝Δθ＋Δβと
なる。また、２つの基準位相差ΔβA 、ΔβB に対応し
た干渉光の強さ信号Ｉの差ΔＩ＝ＩA −ＩB はサグナッ
ク位相差Δθの正弦値として得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば航空機、船
舶、自動車等の角速度計として使用して好適な光ファイ
バジャイロに関する。
【０００２】
【従来の技術】光ファイバジャイロは角速度を計測する
装置として広く使用されており、小型で且つ高い信頼性
を有する長所がある。光ファイバジャイロは光のサグナ
ック効果（サニャック効果ともいう。）を利用して角速
度を計測するように構成されている。干渉型の光ファイ
バジャイロとして、例えば位相変調方式、セロダイン変
調方式及びディジタル変調方式があり、これらについて
説明する。
【０００３】先ず図９を参照して位相変調方式の光ファ
イバジャイロを説明する。光ファイバジャイロ装置は、
半導体レーザ、発光ダイオード等の発光器１と検出光を
電流に変換する受光器２と１本の光ファイバを複数回巻
いて形成された光ファイバループ３と偏光子４と光ファ
イバを伝播する光を合成し又は分岐する第１及び第２の
カプラ５、６と光ファイバループ３の一端に設けられた
位相変調器８とを有する。
【０００４】発光器１より出力された光は第１のカプラ
５及び偏光子４を経由し、第２のカプラ６によって２つ
の伝播光に分岐され、光ファイバループ３を互いに反対
方向に伝播する。即ち、一方は光ファイバループ３を右
周りに伝播し、他方は左周りに伝播する。
【０００５】光ファイバループ３に外から角速度Ωが加
わると、サグナック効果によって、光ファイバループ３
内を互いに反対方向に伝播する光の間に位相差Δθが生
じる。斯かる位相差Δθはサグナック位相差と称され、
角速度Ωに比例し、次の式で表される。
【０００６】
【数１】Δθ＝（２πＤＬ／λｃ）Ω
【０００７】ここに、Ｄは光ファイバループ３のループ
径、Ｌは光ファイバループ３の長さ、λは発光器１から
出力される光の波長、ｃは光速、Ωは光ファイバループ
３のループの中心軸線周りの角速度を表す。
【０００８】位相変調方式によると、光ファイバループ
３を右周りに伝播する光と左周りに伝播する光は位相変
調器８によってそれぞれ位相変調される。光ファイバル
ープ３を右周りに伝播する光ＥC と左周りに伝播する光
ＥCCは光ファイバループ３の両端にて次のように表され
る。
【０００９】
【数２】ＥC ＝Ｅ0 ｓｉｎ（ωｔ−Δθ／２＋β0 ） ＥCC＝Ｅ0 ｓｉｎ（ωｔ＋Δθ／２＋βT ）
【００１０】ここに、Ｅ0 は振幅、ωは光の周波数に対
する角周波数、ｔは時間、Δθ／２はサグナック効果に
より生じた位相差、β0 及びβT は位相変調器８によっ
て生成された位相差である。右周りに伝播する光ＥC の
位相差β0 は光ファイバループ３を右周りに伝播してか
ら光ファイバループ３の出口にて位相変調されて生成し
たものであり、左周りに伝播する光ＥCCの位相差βT は
光ファイバループ３の入口にて位相変調されてから光フ
ァイバループ３を左周りに伝播した光に生成されたもの
である。
【００１１】斯かる２つの伝播光ＥC 、ＥCCは第２のカ
プラ６によって合成され、干渉光は第１のカプラ５を経
由して受光器２によって検出される。受光器２によって
検出される干渉光の強さＩは次の式によって表される。
【００１２】
【数３】 Ｉ＝２Ｅ0 2〔１＋ｃｏｓ（Δθ＋βT −β0 ）〕 ＝２Ｅ0 2〔１＋ｃｏｓ（Δθ＋Δβ）〕 ＝２Ｅ0 2（１＋ｃｏｓｘ）
【００１３】但し、Δβ＝βT −β0 、ｘ＝Δθ＋Δβ
である。位相変調をしない方式（Δβ＝０）では、受光
器２によって検出される干渉光の強さＩは位相差Δθの
余弦値ｃｏｓΔθの関数だから、入力角速度Ωが小さい
と、干渉光の強さＩの変動量が小さく、正確な位相差Δ
θを得られない。位相変調方式（Δβ≠０）では、正弦
曲線の勾配が大きい領域に動作点があるから、入力角速
度Ωが小さいときでも正確な位相差Δθを得ることがで
きる。
【００１４】位相変調は角周波数ωm の基準周波数の正
弦波を使用して行われる。斯かる場合、位相差βT 及び
β0 は次の式によって表される。
【００１５】
【数４】βT ＝βｓｉｎ（ωm ｔ＋ωm ・τ／２） β0 ＝βｓｉｎ（ωm ｔ−ωm ・τ／２）
【００１６】ここに、βは定数、τは光が光ファイバル
ープ３を伝播するのに要する時間である。この式より２
つの位相差βT 、β0 の差Δβ＝βT −β0 を求めると
次のようになる。
【００１７】
【数５】 Δβ＝βT −β0 ＝２βｓｉｎ（ωm ・τ／２）・ｃｏｓωm ｔ ＝ｚｃｏｓωm ｔ
【００１８】ここにｚは位相変調度と称され次の式によ
って表される。
【００１９】
【数６】ｚ＝２βｓｉｎωm τ／２
【００２０】位相変調度ｚは位相変調器８に供給される
電圧信号の大きさによって変化する。位相差Δβを数３
の式に代入すると次の式が得られる。
【００２１】
【数７】Ｉ＝２Ｅ0 2〔１＋ｃｏｓΔθ・｛Ｊ0 （ｚ）＋
２Σk=1 Ｊ2k（ｚ）ｃｏｓ２ｋ・ωm ｔ｝−２ｓｉｎΔ
θ・Σk=0 Ｊ2k+1（ｚ）ｓｉｎ（２ｋ＋１）ωm ｔ〕
【００２２】ＥO は光の強さに関係する定数、ωm は位
相変調器８によって付与された角周波数、ｚは位相変調
度、Ｊ0 、Ｊ1 、Ｊ2 、・・・はベッセル関数、ｔは時
間である。
【００２３】数７の式は次の数８の式のように表され
る。
【００２４】
【数８】Ｉ＝Ｉ0 −Ｉ1 ｓｉｎωm ｔ＋Ｉ2 ｃｏｓ２ω
m ｔ−Ｉ3 ｓｉｎ３ωm ｔ＋Ｉ4ｃｏｓ４ωm ｔ＋・・
・
【００２５】但し、Ｉ0 、Ｉ1 、Ｉ2 、Ｉ3 、Ｉ4 は次
の数９の式によって表される。尚、Ｉ0 は直流成分、Ｉ
1 は１倍波成分、Ｉ2 は２倍波成分、Ｉ3 は３倍波成分
等と称される。
【００２６】
【数９】Ｉ0 ＝２Ｅ0 2｛１＋Ｊ0 （ｚ）ｃｏｓΔθ｝ Ｉ1 ＝４Ｅ0 2Ｊ1 （ｚ）ｓｉｎΔθ Ｉ2 ＝４Ｅ0 2Ｊ2 （ｚ）ｃｏｓΔθ Ｉ3 ＝４Ｅ0 2Ｊ3 （ｚ）ｓｉｎΔθ Ｉ4 ＝４Ｅ0 2Ｊ4 （ｚ）ｃｏｓΔθ
【００２７】位相変調方式の光ファイバジャイロ装置で
は、受光器２が受光する干渉光の強さＩは数９の式に示
されるように、ｃｏｓΔθの項ばかりでなくｓｉｎΔθ
の項を含むから、入力角速度Ωが小さくサグナック位相
差Δθの値が小さいときには、ｓｉｎΔθの項を取り出
してサグナック位相差Δθを求めれば正確な値が得られ
る。
【００２８】再び図９を参照する。光ファイバジャイロ
装置は更に電流電圧変換器７と信号発生器１１と同期検
波器１２と信号処理部１３とを有する。電流電圧変換器
７は受光器２より出力された電流信号を電圧信号に変換
し、それを同期検波部１２に出力する。信号発生器１１
は角周波数ωm の基準信号を発生する信号発生部と斯か
る基準信号を倍周して角周波数２ωm 、３ωm 、４ωm
のパルス信号を生成する倍周器とを有する。
【００２９】同期検波器１２は信号発生器１１より供給
された角周波数ωm 、２ωm 、３ω m 、４ωm の信号と
電流電圧変換器７より出力された電圧信号を入力する。
先ず、干渉光の強度信号Ｉより直流成分ＩO を除去す
る。次に、角周波数ωm 、２ω m 、３ωm 、４ωm の信
号によって干渉光の強度信号Ｉを同期検波し、１倍波成
分Ｉ1 、２倍波成分Ｉ2 、３倍波成分Ｉ3 及び４倍波成
分Ｉ4 等の信号成分を得る。
【００３０】これらの信号を使用してサグナック位相差
Δθを求めるためには、数９の式よりＥ0 、Ｊ
1 （ｚ）、Ｊ2 （ｚ）、Ｊ3 （ｚ）、Ｊ4 （ｚ）を消去
すればよい。例えば、Ｊ1 （ｚ）＝Ｊ2 （ｚ）であれば
よい。Ｊ1 （ｚ）＝Ｊ2 （ｚ）を満たす変調度ｚのうち
最大値を最適な変調度ｚ0 とすると、ｚ0 ≒２．６３で
ある。従って、変調度ｚ≒２．６３となるように位相変
調器８によって位相変調すればよい。それによって、数
９の２式を使用してサグナック位相差Δθが求められ
る。これは信号処理部１３によって演算される。
【００３１】次に図１０を参照して従来のセロダイン変
調方式の光ファイバジャイロを説明する。セロダイン変
調方式の光ファイバジャイロは位相変調方式の光ファイ
バジャイロを改良したもので、位相変調方式の光ファイ
バジャイロより広いダイナミックレンジを得ることがで
きるように構成されている。
【００３２】セロダイン変調方式の光ファイバジャイロ
では位相変調器８に加えて更にセロダイン変調器９が設
けられている。光ファイバループ３を右周りに伝播する
光Ｅ C と左周りに伝播する光ＥCCは位相変調器８による
位相変調に重畳して更にセロダイン変調される。光ファ
イバループ３を伝播した光は数２の式の代わりに次の数
１０の式によって表される。
【００３３】
【数１０】 ＥC ＝Ｅ0 ｓｉｎ（ωｔ−Δθ／２＋β0 ＋αT ） ＥCC＝Ｅ0 ｓｉｎ（ωｔ＋Δθ／２＋βT ＋α0 ）
【００３４】α0 、αT は光ファイバループ３を右周り
に伝播する光と左周りに伝播する光において、セロダイ
ン変調器９によって生成された位相差である。受光器２
によって検出される干渉光の強さＩは次の式によって表
される。
【００３５】
【数１１】 Ｉ＝２Ｅ0 2〔１＋ｃｏｓ（Δθ＋βT −β0 ＋α0 −αT ）〕 ＝２Ｅ0 2〔１＋ｃｏｓ（Δθ＋Δβ＋Δα）〕
【００３６】ここにΔβは位相変調器８によって生成さ
れた位相差、Δαはセロダイン変調器９によって生成さ
れた位相差である。Δαはセロダイン位相差と称され
る。
【００３７】
【数１２】Δβ＝βT −β0 Δα＝α0 −αT
【００３８】数３の式と数１１の式を比較すると明らか
なように、セロダイン変調方式では、干渉光の光の強さ
Ｉは数７の式にてΔθの代わりにΔθ＋Δαを代入して
得られる。従って、受光器２によって出力される電流信
号の直流成分、１倍波成分、２倍波成分、３倍波成分等
は数９の式に対応して次の式によって表される。
【００３９】
【数１３】 Ｉ0 ＝２Ｅ0 2｛１＋Ｊ0 （ｚ）ｃｏｓ（Δθ＋Δα）｝ Ｉ1 ＝４Ｅ0 2Ｊ1 （ｚ）ｓｉｎ（Δθ＋Δα） Ｉ2 ＝４Ｅ0 2Ｊ2 （ｚ）ｃｏｓ（Δθ＋Δα） Ｉ3 ＝４Ｅ0 2Ｊ3 （ｚ）ｓｉｎ（Δθ＋Δα） Ｉ4 ＝４Ｅ0 2Ｊ4 （ｚ）ｃｏｓ（Δθ＋Δα）
【００４０】図１１に斯かるセロダイン変調によって生
成された位相差信号α0 、αT 及びセロダイン位相差Δ
αを示す。図１１Ａに示すように、位相差信号α0 、α
T は振幅２π、周期ＴS の鋸歯状波である。図１１Ｂに
示すように、セロダイン位相差Δαは交互に値がαS と
αS −２πに変化する矩形波である。αS は鋸歯状波の
勾配２π／ＴS に比例し、次の式によって表される。
【００４１】
【数１４】αS ＝２πτ／ＴS ＝２πｆS τ
【００４２】ここで、ＴS はセロダイン位相差Δαの周
期、ｆS （＝１／ＴS ）はセロダイン位相差Δαの周波
数、τは光ファイバループ３を光が伝播するのに要する
時間である。
【００４３】セロダイン変調方式では、ｓｉｎ（Δθ＋
Δα）＝０となるように、セロダイン変調器９によって
伝播光は位相変調される。従って、セロダイン変調器９
を含むフィードバックループによる安定点ではΔα＝−
Δθである。このとき図１１Ａに示す鋸歯状波の勾配２
π／ＴS はサグナック位相差Δθ（即ち角速度Ω）に比
例している。
【００４４】Δα＝αS ＝２πτ／ＴS とすると、正負
の符号を無視して、Δθ＝２πτ／ＴS となる。これを
数１の式に代入すると、次の式が得られる。
【００４５】
【数１５】Ω＝λｃτ／ＤＬＴS ＝λｃτｆS ／ＤＬ
【００４６】再び図１０を参照する。光ファイバジャイ
ロは更に信号発生器１１と同期検波器１２と第１及び第
２の積分器１５、１６とカウンタ１７とリセット回路１
８と２π基準器１９とを有する。
【００４７】同期検波器１２は信号発生器１１より出力
された角周波数ωm の基準信号を入力して数１３の式の
１倍波成分Ｉ1 を同期検波する。従って、同期検波器１
２より第１の積分器１５に１倍波信号Ｉ1 が供給され
る。第２の積分器１６はセロダイン位相差Δαに比例し
た勾配にて増加する傾斜信号を生成する。
【００４８】一方、２π基準器１９によって生成された
２π信号はリセット回路１８に供給される。リセット回
路１８は２πリセット信号を生成し、積分器１６の傾斜
信号の値が増加して２πになったらそれをリセットす
る。こうして、第２の積分器１６からは図１１Ａに示す
如きセロダイン変調信号が生成され、斯かるセロダイン
変調信号はセロダイン変調器９に供給される。
【００４９】上述のように、セロダイン変調方式では、
ｓｉｎ（Δθ＋Δα）＝０となるように位相変調され
る。このとき、同期検波器１２の出力信号Ｉ1 はゼロと
なる。従って、このときカウンタ１７によって図１１Ａ
に示す如きセロダイン位相波形の波数が計数され、周波
数ｆS が求められる。この周波数ｆS より数１５の式に
よって角速度Ωが求められる。
【００５０】次に図１２〜図１４を参照して従来のディ
ジタル変調方式の光ファイバジャイロを説明する。ディ
ジタル変調方式では、位相変調器８によって光ファイバ
ループ３を伝播する光は位相変調され、それによって干
渉光の強さ信号Ｉに時間τ毎にΔβ1 ＝＋π／２とΔβ
2 ＝−π／２に交互に変化する位相差Δβが生成され
る。従って、干渉光の強さ信号Ｉは、数３の式にΔβ＝
±π／２を代入して、次のように表される。
【００５１】
【数１６】 Ｉ1 ＝２Ｅ0 2｛１＋ｃｏｓ（Δθ＋Δβ1 ）｝ ＝２Ｅ0 2｛１＋ｃｏｓ（Δθ＋π／２）｝ ＝２Ｅ0 2（１−ｓｉｎΔθ） Ｉ2 ＝２Ｅ0 2｛１＋ｃｏｓ（Δθ＋Δβ2 ）｝ ＝２Ｅ0 2｛１＋ｃｏｓ（Δθ−π／２）｝ ＝２Ｅ0 2（１＋ｓｉｎΔθ）
【００５２】これより、位相差がΔβ1 ＝＋π／２のと
きとΔβ2 ＝−π／２のときの干渉光の強さＩの差ΔＩ
＝Ｉ1 −Ｉ2 を求める。
【００５３】
【数１７】 ΔＩ＝Ｉ1 −Ｉ2 ＝２Ｅ0 2（１−ｓｉｎΔθ）−２Ｅ0 2（１＋ｓｉｎΔθ） ＝−４Ｅ0 2ｓｉｎΔθ
【００５４】この式の右辺は位相変調器８によって生成
された位相差Δβを含まないから、サグナック位相差Δ
θを求めることができる。こうして、ディジタル変調方
式によると、位相変調器８によって干渉光Ｉに時間τ毎
に変化する位相差Δβ＝±π／２を生成し、位相差がΔ
β1 ＝＋π／２のときの光の強さＩ1 とΔβ2 ＝−π／
２のときの光の強さＩ2 の差ΔＩを求め、これよりΔθ
の値を求める。
【００５５】図１３〜図１４を参照してディジタル変調
方式を具体的に説明する。ディジタル変調方式による
と、右周りの光Ｅcwはその位相差β0 が例えば図１３Ａ
に示すように周期２τ且つ振幅π／４の周期的な矩形波
となるように位相変調され、左周りの光Ｅccw はその位
相差βT が例えば図１３Ｂに示すように矩形波となるよ
うに位相変調される。左周りの光Ｅccw の位相差βT は
右周りの光Ｅcwの位相差の波形と同一の矩形波を有する
が、右周りの光Ｅcwの位相差に対して時間τだけ遅れて
いる。
【００５６】こうして、右周りの光Ｅcwの位相差β0 と
左周りの光Ｅccw の位相差βT との差、即ち位相差Δβ
＝β0 −βT は図１３Ｃに示すように時間τ毎に交互に
＋π／２と−π／２に変化する矩形波となる。
【００５７】図１３Ｄは数３の式の位相ｘ＝Δθ＋Δβ
の波形を表す。光ファイバジャイロに角速度Ωが働かな
いときは、Δθ＝０だから図１３Ｄの位相ｘの波形は図
１３Ｃの位相差Δβに一致する。
【００５８】次に、図１４を参照して、数３の式又は数
１６の式を使用して、位相差ΔβがΔβ1 ＝＋π／２の
ときの干渉光の強さＩ1 、Δβ2 ＝−π／２のときの干
渉光の強さＩ2 を求める方法を示す。
【００５９】図１４Ａは数３の式のグラフであり、位相
差ｘと光の強さＩの関係を表すのによく用いられる。斯
かるグラフにて、横軸は位相ｘ（＝Δθ＋Δβ）、縦軸
は干渉光の強さＩ（ｘ）である。図１４Ａの下側に示さ
れた図１４Ｂ及び図１４Ｃは横軸（図１４Ａの縦軸方
向）が時間、縦軸（図１４Ａの横軸方向）が位相ｘ（＝
Δθ＋Δβ）である。図１４Ａの右側に示された図１４
Ｄ及び図１４Ｅは横軸（図１４Ａの横軸方向）が時間、
縦軸（図１４Ａの縦軸方向）が干渉光の強さＩである。
【００６０】図１４Ｂはサグナック位相差Δθ＝０の場
合の位相ｘ（＝Δθ＋Δβ）の波形を示し、図１３Ｃの
波形に対応している。図１４Ｄは斯かる場合の干渉光の
強さＩを表す。同様に、図１４Ｃはサグナック位相差Δ
θ≠０の場合の位相ｘ（＝Δθ＋Δβ）の波形を示し、
図１３Ｄの波形に対応している。図１４Ｅは斯かる場合
の干渉光の強さＩを表す。
【００６１】サグナック位相差Δθ＝０の場合には、図
１４Ｂに示すように位相ｘの値が＋π／２と−π／２と
に交互に変化しても、干渉光の強さＩは図１４Ｄに示す
ように（スパイク状の突起部を除いて）一定値となる。
しかしながら、サグナック位相差Δθ≠０の場合には、
図１４Ｃに示すように位相ｘの値は時間τ毎に交互にΔ
θ−π／２とΔθ＋π／２に変化し、このとき干渉光の
強さＩは図１４Ｅに示すように（スパイク状の突起部を
除いて）時間τ毎に交互に変化する。
【００６２】図１４Ｄにて干渉光の強さＩの値が時間τ
毎にスパイク状の突起部を有するのは、図１４Ｂの波形
にて示す位相ｘの値が−π／２と＋π／２との間を変化
するときに、図１４Ａの正弦波の干渉光の強さＩが増加
するからである。同様に、図１４Ｅにて干渉光の強さＩ
の値が時間τ毎にスパイク状の突起部を有するのは、図
１４Ｃの波形にて示す位相ｘの値がΔθ−π／２とΔθ
＋π／２の間を変化するときに、図１４Ａの正弦波の干
渉光の強さＩが増加するからである。
【００６３】図１４Ｅの矩形波がハイレベルにあるのは
位相ｘ＝Δθ−π／２のときの干渉光の強さＩ2 を表
し、矩形波がロウレベルにあるのは位相ｘ＝Δθ＋π／
２のときの干渉光の強さＩ1 を表す。従って、図１４Ｅ
の矩形波のハイレベルとロウレベルの差は、干渉光の強
さの偏差ΔＩ＝Ｉ2 −Ｉ1 に対応している。
【００６４】即ち、図１４Ｅの矩形波のハイレベルとロ
ウレベルの差の大きさは数１７の式の右辺を表す。こう
して、ディジタル変調方式では、図１４Ａの光の強さＩ
を示す正弦波より、図１４Ｅの干渉光の強さＩの矩形波
を生成し、斯かる矩形波のハイレベルとロウレベルの差
より数１７の式によってΔθが求められる。
【００６５】再び図１２を参照して説明する。本例の光
ファイバジャイロは更にタイミング信号発生器２１と位
相変調信号発生部２２とＡＤ変換器２３と信号処理部２
４とを有する。タイミング信号発生器２１は周期τのタ
イミング信号を生成してそれを位相変調信号発生部２２
及び信号処理部２４に供給する。位相変調信号発生部２
２は図１３Ａ、図１３Ｂ及び図１３Ｃに示す如き位相差
β0 、βT 、Δβを生成するための位相変調器駆動信号
を生成する。
【００６６】一方、Ａ／Ｄ変換器２３は電流電圧変換器
７からの電圧信号（図１４Ｄ及び図１４Ｅに示す。）を
入力して、干渉光の強さＩを示すディジタル信号を生成
し、その値Ｉ1 及びＩ2 を信号処理部２４に供給する。
信号処理部２４はタイミング信号発生器２１からのタイ
ミング信号に基づいて作動し、斯かる２つの値Ｉ1 、Ｉ
2 を交互に記憶し、数１７の式の引き算をする。それに
よって得られたサグナック位相差Δθより数１の式に従
って角速度Ωが計算される。
【００６７】
【発明が解決しようとする課題】位相変調方式及びセロ
ダイン変調方式の光ファイバジャイロ装置では、同期検
波器１２の入力信号Ｉは数９の式及び数１３の式に示す
ように、正弦波成分ばかりでなく余弦波成分を含み、斯
かる余弦波成分のため、入力角速度Ωがゼロのときでも
入力信号Ｉは大きな値となる。従って、同期検波器１２
の交流ゲインを大きくすることが困難となり、同期検波
器１２のノイズが直接ジャイロ信号の誤差源となる欠点
があった。
【００６８】従来のディジタル変調方式の光ファイバジ
ャイロでは、位相変調に用いる矩形波信号β0 、βT の
周期は２τ（τは光が光ファイバループ３を伝播するの
に要する時間。）である。このため、通常の長さの光フ
ァイバループ３を使用する場合、斯かる周期２τに対応
する周波数はメガHzのオーダとなり、使用する全ての回
路が高周波回路となる。従って電気的ノイズ等の対策が
必要となり、低周波回路を使用する場合に比べて費用が
高くなる欠点があった。
【００６９】本発明は斯かる点に鑑み、従来の位相変調
方式、セロダイン変調方式及びディジタル変調方式の光
ファイバジャイロの欠点を除去することを目的とする。
【００７０】
【課題を解決するための手段】本発明によると、例えば
図１に示すように、光源と、光ファイバループと、該光
ファイバループ内を互いに反対方向に伝搬する第１の伝
播光と第２の伝播光との間の位相を変化させる位相変調
器と、上記第１の伝播光と第２の伝播光の干渉光を検出
する受光器と、を有し、上記光ファイバループがループ
の中心軸線周りに角速度Ωにて回転するとき上記干渉光
の強さ信号Ｉに発生するサグナック位相差Δθより上記
角速度Ωを求めるように構成された光ファイバジャイロ
において、上記位相変調器によって上記干渉光の強さの
信号Ｉに時間Ｔ／２毎に互いに符号が反対で絶対値が等
しい２つの一定値ΔβA 及びΔβB に交互に変化する矩
形波信号の基準位相差Δβが生成され、上記基準位相差
Δβを生成するために上記位相変調器に供給される制御
電圧信号は、時間Ｔ／２毎に傾斜が正負に反転して折れ
曲がる三角形状波のデルタセロダイン波形信号であるこ
とを特徴とする。
【００７１】本発明によると、光ファイバジャイロにお
いて 、上記基準位相差は、ｎを正の整数としてΔβA
＝−（２ｎ−１）π／２及びΔβB ＝＋（２ｎ−１）π
／２となることを特徴とする。他の例では、上記基準位
相差は、ｎを正の整数、δを｜δ｜＜π／２を満たす任
意の定数としてΔβA ＝−〔（２ｎ−１）π／２＋δ〕
及びΔβB ＝＋〔（２ｎ−１）π／２＋δ〕となること
を特徴とする。
【００７２】本発明によると、光ファイバジャイロにお
いて、上記２つの基準位相差ΔβA 、ΔβB に対応した
上記干渉光の強さＩの２つの値ＩA 、ＩB の差ΔＩ＝Ｉ
A −ＩB に基づいて入力角速度Ωを演算することを特徴
とする。
【００７３】本発明によると、光ファイバジャイロにお
いて、上記受光器から出力された上記干渉光の強さ信号
Ｉを入力して上記干渉光の強さの差信号ΔＩ＝ＩA −Ｉ
B に対応した電圧信号Ｖ0 を生成する信号処理部と上記
デルタセロダイン波形信号を生成するデルタセロダイン
部とを有することを特徴とする。
【００７４】本発明によると、光ファイバジャイロにお
いて、上記信号処理部は上記干渉光の強さ信号Ｉより直
流成分を除去して時間Ｔ／２毎に交互にΔＩ／２に変化
する交番信号を生成する直流除去器と該直流除去器の出
力信号を交流増幅するための交流増幅器と該交流増幅器
の出力信号より直流電圧信号Ｖ0 を得るための同期検波
器とを含むことを特徴とする。
【００７５】本発明によると、光ファイバジャイロにお
いて、上記デルタセロダイン部は基準電圧信号Ｖ* を時
間Ｔ／２毎に交互に正負の符号を変化させて積分するこ
とによって上記デルタセロダイン波形信号を生成するこ
とを特徴とする。
【００７６】本発明によると、光源と、光ファイバルー
プと、該光ファイバループ内を互いに反対方向に伝搬す
る２つの伝播光の干渉光の強さ信号にセロダイン位相差
Δαを生成するためのセロダイン変調器と、上記干渉光
の強さの信号Ｉに時間Ｔ／２毎に互いに符号が反対で絶
対値が等しい２つの一定値ΔβA 及びΔβB に交互に変
化する矩形波信号の基準位相差Δβを生成するための位
相変調器と、上記干渉光を検出する受光器と、を有し、
上記光ファイバループがループの中心軸線周りに角速度
Ωにて回転するとき上記干渉光の強さ信号Ｉに発生する
サグナック位相差Δθより上記角速度Ωを求めるように
構成された光ファイバジャイロにおいて、上記セロダイ
ン位相差Δαはｓｉｎ（Δθ＋Δα）＝０となるように
フィードバック制御され、上記基準位相差Δβを生成す
るために上記位相変調器に供給される制御電圧信号は、
時間Ｔ／２毎に傾斜が正負に反転して折れ曲がる三角形
状波のデルタセロダイン波形信号であることを特徴とす
る。
【００７７】本発明によると、三角形状波形、即ち、デ
ルタセロダイン波形信号を使用して、干渉光の強さ信号
Ｉに基準位相差Δβを生成する。デルタセロダイン波形
信号は半周期Ｔ／２毎に折れ曲がる三角形状波である。
干渉光の強さ信号Ｉの位相ｘはｘ＝Δθ＋Δβとなる。
基準位相差Δβは、半周期Ｔ／２毎に絶対値が同じで符
号が異なる一定値ΔβA 及びΔβB に変化する。
【００７８】本発明の１つの好ましい例によると、基準
位相差Δβはｎを整数として１周期ＴにてロウレベルΔ
βA ＝−（２ｎ−１）π／２とハイレベルΔβB ＝＋
（２ｎ−１）π／２に変化する。斯かる場合、干渉光の
強さ信号Ｉの位相ｘはｘ＝Δθ＋Δβ＝Δθ＋〔±（２
ｎ−１）π／２〕となる。また第１の位相差ΔβA にお
ける干渉光の強さ信号ＩA と第２の位相差ΔβB におけ
る干渉光の強さ信号ＩBの差ΔＩはΔＩ＝２Ｉ0 ｓｉｎ
Δθとなる。従って、斯かる差ΔＩよりサグナック位相
差Δθが求められる。
【００７９】本発明の好ましい例によると、基準位相差
Δβは、ｎを整数、δを｜δ｜＜π／２を満たす任意の
定数として、１周期Ｔ内でΔβA ＝−〔（２ｎ−１）π
／２＋δ〕とΔβB ＝＋〔（２ｎ−１）π／２＋δ〕に
交互に変化する。即ち、この例では基準位相差Δβが正
確に±（２ｎ−１）π／２になるように制御する必要が
ない。斯かる場合、干渉光の強さ信号Ｉの位相ｘはｘ＝
Δθ＋Δβ＋δ＝Δθ＋｛±〔（２ｎ−１）π／２＋
δ〕｝となる。サグナック位相差Δθ＝０のときは、２
つの干渉光の強さ信号ＩA 、ＩB の差ΔＩはΔＩ＝０と
なる。
【００８０】
【発明の実施の形態】図１に本発明による光ファイバジ
ャイロの構成例を示す。本例の光ファイバジャイロは、
光源である発光器１と受光した光を電流信号に変換する
受光器２と光ファイバループ３と偏光子４と２つのカプ
ラ５、６と電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換
器７と光ファイバループ３を伝播する光の位相を制御す
るための位相変調器８とを有し、更に、信号処理部３
１、デルタセロダイン部３３、角度角速度演算部３４及
び基準クロック３５を有する。
【００８１】先ず本発明による光ファイバジャイロの概
念を説明する。本発明による光ファイバジャイロでは、
位相変調器８によって干渉光の強さ信号Ｉに基準位相差
Δβを生成させる。斯かる基準位相差Δβは周期Ｔの矩
形波形であり、半周期Ｔ／２毎に交互にΔβ＝±（２ｎ
−１）π／２に変化する。例えば、１周期Ｔの前半周期
ＴB ＝Ｔ／２ではハイレベルΔβB ＝＋（２ｎ−１）π
／２となり後半周期Ｔ A ＝Ｔ／２ではロウレベルΔβA
＝−（２ｎ−１）π／２となる。
【００８２】尚、基準位相差Δβの周期Ｔは一定であ
り、斯かる周期Ｔは、伝播光が光ファイバループ３を伝
播するのに要する時間τより充分大きいものとする。例
えば、時間τの数１０倍〜数１００倍であってよい。
【００８３】ｎは正の整数であるが、以下では随時ｎ＝
１として説明する。数３の式に基準位相差Δβとして、
±π／２を代入する。基準位相差ΔβがロウレベルΔβ
A ＝−π／２のときの干渉光の強さ信号ＩをＩA とし、
基準位相差ΔβがハイレベルΔβB ＝＋π／２のときの
干渉光の強さ信号ＩをＩB とする。数１６の式と同様な
式が求められる。尚、定数２Ｅ0 2＝Ｉ0 と置く。
【００８４】
【数１８】 ＩA ＝Ｉ0 〔１＋ｃｏｓ（Δθ＋ΔβA ）〕 ＝Ｉ0 〔１＋ｃｏｓ（Δθ−π／２）〕 ＝Ｉ0 （１＋ｓｉｎΔθ） ＩB ＝Ｉ0 〔１＋ｃｏｓ（Δθ＋ΔβB ）〕 ＝Ｉ0 〔１＋ｃｏｓ（Δθ＋π／２）〕 ＝Ｉ0 （１−ｓｉｎΔθ）
【００８５】基準位相差ΔβがロウレベルΔβA のとき
は干渉光の強さ信号ＩはハイレベルＩA となり、基準位
相差ΔβがハイレベルΔβB ＝＋π／２のときは干渉光
の強さ信号ＩはロウレベルＩB となる。２つの干渉光の
強さ信号ＩA 、ＩB の差ΔＩを求めると、数１７の式と
同様な式が求められる。
【００８６】
【数１９】 ΔＩ＝ＩA −ＩB ＝Ｉ0 （１＋ｓｉｎΔθ）−Ｉ0 （１−ｓｉｎΔθ） ＝２Ｉ0 ｓｉｎΔθ ΔＩ／２＝Ｉ0 ｓｉｎΔθ
【００８７】図２を参照して説明する。図２は図１４と
同様な図である。即ち、図２Ａは数３の式のグラフであ
り、位相差ｘと干渉光の強さＩの関係を表すのによく用
いられる。斯かるグラフにて、横軸は位相差ｘ（＝Δθ
＋Δβ）、縦軸は干渉光の強さＩ（ｘ）である。図２Ａ
の下側に示された図２Ｂ及び図２Ｃは横軸（図２Ａの縦
軸方向）が時間、縦軸（図２Ａの横軸方向）が位相差ｘ
（＝Δθ＋Δβ）である。図２Ａの右側に示された図２
Ｄ及び図２Ｅは横軸（図２Ａの横軸方向）が時間、縦軸
（図２Ａの縦軸方向）が干渉光の強さＩである。
【００８８】図２Ａの曲線上の丸印Ａ、Ｂはサグナック
位相差Δθ＝０の場合の動作点を示し、丸印Ａ’、Ｂ’
はサグナック位相差Δθ≠０の場合の動作点を示す。
【００８９】図２Ｂはサグナック位相差Δθ＝０の場合
の位相ｘ（＝Δθ＋Δβ）の波形を示し、図２Ｃはサグ
ナック位相差Δθ≠０の場合の位相ｘ（＝Δθ＋Δβ）
の波形を示す。図２Ｄはサグナック位相差Δθ＝０の場
合の干渉光の強さＩを表し、同様に、図２Ｅはサグナッ
ク位相差Δθ≠０の場合の干渉光の強さＩを表す。
【００９０】図２Ｂ及び図２Ｄに示すように、サグナッ
ク位相差Δθ＝０の場合には、位相ｘ（＝Δθ＋Δβ＝
Δβ）は上述のように半周期Ｔ／２毎に−π／２と＋π
／２に変化する矩形波だから、干渉光の強さＩは図２Ｄ
に示すように（スパイク状の突起部を除いて）一定値と
なる。
【００９１】しかしながら、図２Ｃ及び図２Ｅに示すよ
うに、サグナック位相差Δθ≠０の場合には、図２Ｃに
示すように位相ｘの値は半周期Ｔ／２毎にΔθ−π／２
とΔθ＋π／２に変化し、このとき干渉光の強さＩは図
２Ｅに示すように（スパイク状の突起部を除いて）半周
期Ｔ／２毎にハイレベルとロウレベルに変化する。
【００９２】図２Ｅの矩形波のハイレベルは位相ｘ＝Δ
θ＋ΔβA ＝Δθ−π／２のときの干渉光の強さＩA を
表し、矩形波のロウレベルは位相ｘ＝Δθ＋ΔβB ＝Δ
θ＋π／２のときの干渉光の強さＩB を表す。従って、
図２Ｅの矩形波のハイレベルとロウレベルの差は、偏差
ΔＩ＝ＩA −ＩB に対応している。即ち、図２Ｅの矩形
波のハイレベルとロウレベルの差の大きさは数１９の式
の右辺を表す。
【００９３】図２Ｄにて干渉光の強さＩの値が時間Ｔ／
２毎にスパイク状の突起部を有するのは、図２Ｂにて示
す位相波形ｘの値がｘ＝−π／２とｘ＝＋π／２との間
を変化するときに、図２Ａの正弦波の上を動作点が、そ
れぞれ、ＡからＢへ又はＢからＡへ移動し、干渉光の強
さＩが増加するからである。同様に、図２Ｅにて干渉光
の強さＩの値が時間Ｔ／２毎にスパイク状の突起部を有
するのは、図２Ｃにて示す位相波形ｘの値がｘ＝Δθ−
π／２とｘ＝Δθ＋π／２との間を変化するときに、図
２Ａの正弦波の上を動作点が、それぞれ、Ａ’からＢ’
へ又はＢ’からＡ’へ移動し、干渉光の強さＩが増加す
るからである。
【００９４】再び図１を参照する。基準クロック３５は
周期Ｔ／２毎に符号が反転する切り換え信号ＶC を生成
し、それを信号処理部３１及びデルタセロダイン部３３
に供給する。信号処理部３１は電流電圧変換器７の出力
信号ＶI を入力して振幅ΔＩ／２に対応した電圧信号Ｖ
0 を生成する。図４Ａに信号処理部３１の入力信号Ｖ I
に対応した干渉光の強さＩの波形を示し、図４Ｂに出力
信号Ｖ0 に対応したΔＩ／２の波形を示す。斯かる電圧
信号Ｖ0 はデルタセロダイン部３３及び角度角速度演算
部３４に供給される。
【００９５】角度角速度演算部３４は電圧信号Ｖ0 を入
力してサグナック位相差Δθを求める。上述のように電
圧信号Ｖ0 は振幅ΔＩ／２の値を指示しているから、数
１９の式を使用してサグナック位相差Δθが求められ
る。
【００９６】サグナック位相差Δθより数１の式を使用
して角速度Ωが求められる。また斯かる角速度Ωを積分
して旋回角度が得られる。角度角速度演算部３４の構成
の詳細は説明しないが、数１９の式を使用してサグナッ
ク位相差Δθを求めるための逆三角関数演算機能を有す
るものであればよい。
【００９７】デルタセロダイン部３３は時間Ｔ／２毎に
折れ曲がった三角形波信号、即ち、デルタセロダイン波
信号ＶS を生成する。位相変調器８はデルタセロダイン
波信号ＶS によって光ファイバループ３を伝播する光を
位相制御する。それによって干渉光の強さ信号Ｉに位相
差Δβが生成される。
【００９８】図３及び図４を参照して本例による信号処
理部３１の構成及び動作を説明する。図３に示すよう
に、信号処理部３１は、直流除去器３１−１と交流増幅
器３１−２と同期検波器３１−３とを有する。
【００９９】信号処理部３１は、上述のように図４Ａに
示す如き電流電圧変換器７の出力信号ＶI を入力して図
４Ｂに示す如き矩形波信号ΔＩ／２に相当する出力信号
Ｖ0を生成する。電流電圧変換器７の出力信号ＶI は図
２Ｄ又は図２Ｅに示す干渉光の強さ信号Ｉに相当してい
る。
【０１００】本例によると、干渉光の強さ信号Ｉは、図
４Ａに示すように、周期Ｔの矩形波信号であり、時間Ｔ
／２毎に交互にハイレベルとロウレベルになる。即ち、
１周期Ｔの前半周期ＴA ＝Ｔ／２ではハイレベルＩA と
なり、後半周期ＴB ＝Ｔ／２ではロウレベルＩB とな
る。
【０１０１】数１８の式より明らかなように、干渉光の
強さ信号の２つの値ＩA とＩB の中間の値はＩ0 であ
る。従って図４Ｂに示すように、干渉光の強さ信号Ｉよ
り定数Ｉ0 を減算することによって、時間Ｔ／２毎に−
ΔＩ／２と＋ΔＩ／２に変化する矩形波信号ΔＩ／２が
得られる。
【０１０２】直流除去器３１−１は電流電圧変換器７の
出力信号ＶI より直流成分Ｉ0 を除去する。図４Ｃは直
流除去器３１−１の出力信号ＶI ’の波形を示す。電流
電圧信号変換器７より出力された干渉光の強さ信号Ｉの
波形は図２Ｄ又は図２Ｅに示したように実際には矩形波
のハイレベルとロウレベルとの切り換え時にてスパイク
状の突起を有する。従って直流除去器３１−１の出力信
号ＶI ’の波形も、実際にはそれに対応したスパイク状
の突起を有する。図４Ａに示した直流除去器３１−１の
出力信号ＶI ’の波形では、説明の便宜のため、斯かる
スパイク状の突起は省略されている。
【０１０３】図４Ｃの矩形波信号ＶI ’を同期検波すれ
ば、振幅ΔＩ／２に比例した値が得られるが、本例では
より高い精度を達成するために、交流増幅器３１−２を
通過させる。図４Ｄは交流増幅器３１−２の出力信号Ｖ
I ”の波形を示す。交流増幅器３１−２によって矩形波
信号ＶI ’は交流増幅され、図４Ｄに示す如き、周期Ｔ
の正弦波形ＶI ”が得られる。交流増幅器３１−２はバ
ンドパスフィルタを有しており、それによって高周波に
富むスパイク状の突起が除去されるが、図４Ｄに示すよ
うに僅かな位相遅れＴF が生ずる。
【０１０４】交流増幅器３１−２の出力信号ＶI ”は同
期検波器３１−３に供給され、周期Ｔ／２の切り換え信
号ＶC によって同期検波される。図４Ｅは同期検波器３
１−３の出力信号ＶI ’”の波形を示す。同期検波器３
１−３は例えば時間Ｔ／２毎に極性を反転させる機能を
有する回路であってよい。斯かる信号ＶI ’”の直流成
分Ｖ0 は振幅ΔＩ／２に比例する。
【０１０５】こうして信号処理部３１は振幅ΔＩ／２に
比例した直流電圧信号Ｖ0 を生成し、それを角度角速度
演算部３４に供給する。本例の信号処理部３１は上述の
ように交流増幅方式にて構成されているが、所要のゲイ
ンが得られるなら従来の如き同期検波器１２によって構
成してもよい。
【０１０６】図５及び図６を参照して本例のデルタセロ
ダイン部３３の構成及び動作を説明する。デルタセロダ
イン部３３は、図５に示すように、切り換え器３３−１
とデルタセロダイン積分器３３−２とを有する。
【０１０７】切り換え器３３−１は、図６Ａに示す如き
デルタセロダイン部３３内の基準直流電圧信号Ｖ* と基
準クロック３５より供給された周期Ｔ／２の切り換え信
号Ｖ C より、図６Ｂに示す如き、時間Ｔ／２毎に交互に
−Ｖ* 又は＋Ｖ* となる矩形波信号±Ｖ* を生成する。
【０１０８】デルタセロダイン積分器３３−２は、切り
換え器３３−１の出力信号±Ｖ* を時間積分し、図６Ｃ
に示す如き、三角形波信号、即ち、デルタセロダイン波
形信号を生成する。デルタセロダイン波形信号の傾斜は
矩形波信号±Ｖ* に対応している。
【０１０９】次にデルタセロダイン波形の傾斜と基準位
相差Δβの関係について説明する。１周期Ｔの前半周期
ＴA ＝Ｔ／２の基準位相差ΔβをΔβA ＝−（２ｎ−
１）π／２、後半周期ＴB ＝Ｔ／２の基準位相差Δβを
ΔβB ＝＋（２ｎ−１）π／２とする。
【０１１０】位相変調器８の電圧位相変換係数をｋ、デ
ルタセロダイン積分器３３−２の積分時間をＴI とし、
前半周期ＴA ＝Ｔ／２におけるデルタセロダイン位相角
の傾斜をｄΔβA ／ｄｔ、後半周期ＴB ＝Ｔ／２におけ
るデルタセロダイン位相角の傾斜をｄΔβB ／ｄｔとす
る。これらは次のように表される。
【０１１１】
【数２０】ｄΔβA ／ｄｔ＝−ｋＶ* ／ＴI ｄΔβB ／ｄｔ＝＋ｋＶ* ／ＴI
【０１１２】デルタセロダイン位相差ΔβA 、Δβ
B は、デルタセロダイン位相角の傾斜に時間τを乗ずる
ことによって得られ、次のようになる。τは光が光ファ
イバループ３を伝播するのに要する時間である。
【０１１３】
【数２１】ΔβA ＝−ｋＶ* τ／ＴI ΔβB ＝＋ｋＶ* τ／ＴI
【０１１４】この式の右辺と基準位相差Δβ＝±（２ｎ
−１）π／２を等しいとおくと次の関係が成り立つ。
【０１１５】
【数２２】 Ｖ* ／ＴI ＝（１／ｋτ）（２ｎ−１）π／２
【０１１６】図７を参照して本発明の他の例を説明す
る。以上の例では、基準位相差Δβとして±π／２を奇
数（２ｎ−１）倍したものを使用している。しかしなが
ら、本発明によると、基準位相差Δβは必ずしもΔβ＝
±（２ｎ−１）π／２を満たす必要はない。
【０１１７】所定の分解能を得るためには、位相ｘ＝Δ
θ＋Δβ、即ち、動作点は正弦波曲線の勾配が十分大き
い領域にあればよい。基準位相差Δβとして±（２ｎ−
１）π／２に近い「任意の位相」を使用した例を説明す
る。
【０１１８】
【数２３】Δβ＝±〔（２ｎ−１）π／２＋δ〕
【０１１９】δは｜δ｜＜π／２を満たす任意の定数で
ある。ここで簡単化のためｎ＝１とする。干渉光の強さ
信号Ｉは数１８の式と同様に次の式によって表される。
【０１２０】
【数２４】 ＩA ＝Ｉ0 〔１＋ｃｏｓ（Δθ＋ΔβA ）〕 ＝Ｉ0 〔１＋ｃｏｓ（Δθ−π／２−δ）〕 ＝Ｉ0 〔１＋ｓｉｎ（Δθ−δ）〕 ＩB ＝Ｉ0 〔１＋ｃｏｓ（Δθ＋ΔβB ）〕 ＝Ｉ0 〔１＋ｃｏｓ（Δθ＋π／２＋δ）〕 ＝Ｉ0 〔１−ｓｉｎ（Δθ＋δ）〕
【０１２１】
【数２５】 ΔＩ＝ＩA −ＩB ＝Ｉ0 〔ｓｉｎ（Δθ−δ）＋ｓｉｎ（Δθ＋δ）〕 ＝２Ｉ0 ｓｉｎΔθｃｏｓδ ΔＩ／２＝Ｉ0 ｓｉｎΔθｃｏｓδ
【０１２２】図７は基準位相差Δβとして「任意の位
相」を使用した例を示す。図７は図２と同様な図であ
り、図７Ａの丸印Ａ、Ｂはサグナック位相差Δθ＝０の
場合を表し、図７Ａの丸印Ａ’、Ｂ’はサグナック位相
差Δθ≠０の場合を表す。図７Ｂはサグナック位相差Δ
θ＝０の場合の位相ｘ＝Δβ＝±（π／２＋δ）を表
し、例えば２π／３に略等しい。図７Ｄは斯かる場合の
干渉光の強さ信号Ｉを表す。図７Ｃはサグナック位相差
Δθ≠０の場合の位相ｘ＝Δθ＋Δβ＝Δθ±（π／２
＋δ）を表し、図７Ｅは斯かる場合の干渉光の強さ信号
Ｉを表す。
【０１２３】こうして、干渉光の強さ信号Ｉの位相ｘの
動作点Ａ’、Ｂ’が正弦波曲線の勾配が十分大きい領域
にある限り、本発明を適用することは可能である。δを
付加した「任意の位相」を使用する場合には、信号系の
ゲインを単に１／ｃｏｓδ倍すればよい。例えば、信号
処理部３１の交流ゲインを１／ｃｏｓδ倍だけ増加すれ
ばよい。
【０１２４】次に図８を参照して本発明の光ファイバジ
ャイロの他の例を説明する。この例は図１０を参照して
説明した従来のセロダイン変調方式の光ファイバジャイ
ロに位相変調信号として本例のデルタセロダイン波形信
号を使用したものである。図８に示す本例を図１０に示
した従来例と比較すると、信号発生器１１及び同期検波
器１２の代わりに基準クロック３５及び信号処理部３１
が置き換えられ、更にデルタセロダイン部３３が設けら
れている。
【０１２５】本例の基準クロック３５、信号処理部３１
及びデルタセロダイン部３３は図１〜図６を参照して説
明したものと同様である。位相変調器８は図６Ｃに示す
如きデルタセロダイン波形信号によって光ファイバルー
プ３を伝播する光を位相変調し、セロダイン変調器９は
図１１Ａに示す如き鋸歯状のセロダイン波形信号によっ
て光ファイバループ３を伝播する光を位相変調する。そ
れによって、干渉光の強さ信号Ｉにそれぞれ基準位相差
Δβ及びセロダイン位相差Δαが生成される。従って、
数１８の式及び数１９の式の代わりに次の式が成り立
つ。
【０１２６】
【数２６】 ＩA ＝Ｉ0 〔１＋ｃｏｓ（Δθ＋ΔβA ＋Δα）〕 ＝Ｉ0 〔１＋ｃｏｓ（Δθ−π／２＋Δα）〕 ＝Ｉ0 〔１＋ｓｉｎ（θ＋Δα）〕 ＩB ＝Ｉ0 〔１＋ｃｏｓ（Δθ＋ΔβB ＋Δα）〕 ＝Ｉ0 〔１＋ｃｏｓ（Δθ＋π／２＋Δα）〕 ＝Ｉ0 〔１−ｓｉｎ（Δθ＋Δα）〕
【０１２７】
【数２７】 ΔＩ＝ＩA −ＩB ＝Ｉ0 〔１＋ｓｉｎ（Δθ＋Δα）〕−Ｉ0 〔１−ｓｉｎ（Δ θ＋Δα）〕 ＝２Ｉ0 ｓｉｎ（Δθ＋Δα） ΔＩ／２＝Ｉ0 ｓｉｎ（Δθ＋Δα）
【０１２８】セロダインループの安定点ではｓｉｎ（Δ
θ＋Δα）＝０であり、数１５の式によって入力角速度
Ωが求められる。
【０１２９】本例の光ファイバジャイロは従来の位相変
調方式及びセロダイン変調方式の光ファイバジャイロが
有する共通の欠点が回避される。数９の式又は数１３の
式によって表されるように、従来の位相変調方式及びセ
ロダイン変調方式では電流電圧変換器の出力信号Ｉの各
倍波成分は余弦函数を含むから、入力角速度Ωがゼロの
ときでも出力信号Ｉが大きくなる。本例では電流電圧変
換器７の出力信号Ｉは数２６の式によって表されるよう
に、余弦函数を含まないから、信号処理部３１にて交流
増幅ゲインを容易に大きくすることができる利点があ
る。
【０１３０】以上本発明の実施例について詳細に説明し
てきたが、本発明は上述の実施例に限ることなく本発明
の要旨を逸脱することなく他の種々の構成が採り得るこ
とは当業者にとって容易に理解されよう。
【０１３１】例えば、図１に本発明の光ファイバジャイ
ロの構成例をブロック図として示したが、これは単なる
例示であり、信号処理部３１、デルタセロダイン部３
３、角度角速度演算部３４等を適宜、ＣＰＵ、記憶装
置、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等を組み合わせて構成
してよい。
【０１３２】また図１に示す例では、２つのカプラ５、
６、偏光子４、位相変調器８等を別個の要素として説明
したが、これらの要素の幾つかを１つの光集積回路によ
って置き換えてよい。
【０１３３】
【発明の効果】従来の位相変調方式の光ファイバジャイ
ロでは変調度制御のために２倍波及び４倍波検出用の同
期検波器と交流ゲインが比較的大きい倍波キャンセル回
路等を使用していたが、本発明の光ファイバジャイロで
は、それらを必要としないから、小型化及び低コスト化
が可能となる利点を有する。
【０１３４】特に図８を参照して説明した本発明の第２
の例では、従来のセロダイン変調方式の光ファイバジャ
イロにおいて、位相変調器８に本例のデルタセロダイン
波信号を供給するだけで上述の利点が得られる。
【０１３５】従来のディジタル変調方式の光ファイバジ
ャイロでは２τ（τは光ファイバループ３を光が伝播す
るのに要する時間。）を１周期とする位相差Δβを生成
するように構成されており、ＭHzのオーダーの変調周波
数を必要としたが、本発明による光ファイバジャイロで
はデルタセロダイン波信号の周期Ｔはτの数十倍〜数百
倍とすることができるので、数ＫHz〜数十ＫHzのオーダ
の低周波数領域の変調周波数を使用することができるた
め、製造費を安価にすることができる利点を有する。
【０１３６】従来のディジタル変調方式の光ファイバジ
ャイロでは干渉光の強さ信号Ｉに基準位相差Δβ＝±π
／２を生成するように構成されており、斯かる基準位相
差Δβが正確に±π／２に等しくないと誤差が生ずるた
め、斯かる基準位相差Δβ＝±π／２の制御と管理に費
用がかかる欠点があったが、本発明による光ファイバジ
ャイロでは基準位相差ΔβはΔβ＝±（２ｎ−１）π／
２でなくてもよく、例えば、Δβ＝±（２ｎ−１）π／
２の近傍の広い範囲の値とすることができる利点を有す
る。
【０１３７】本発明によると従来の位相変調方式、セロ
ダイン変調方式及びディジタル変調方式の光ファイバジ
ャイロの欠点又は問題点を除去してより高い精度の光フ
ァイバジャイロを提供することができる利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光ファイバジャイロの構成例を示
す図である。
【図２】本発明による光ファイバジャイロにおける干渉
光の強さ信号と位相差の関係を示す図である。
【図３】本発明による光ファイバジャイロの信号処理部
の構成例を示す図である。
【図４】本発明による光ファイバジャイロの信号処理部
の動作を説明するための波形図である。
【図５】本発明による光ファイバジャイロのデルタセロ
ダイン部の構成例を示す図である。
【図６】本発明による光ファイバジャイロのデルタセロ
ダイン部の動作を説明するための波形図である。
【図７】本発明による光ファイバジャイロにおける干渉
光の強さ信号と位相差の関係を示す図である。
【図８】本発明による光ファイバジャイロ（セロダイン
変調方式）の第２の例の構成を示す説明図である。
【図９】従来の光ファイバジャイロ（位相変調方式）の
構成例を示す図である。
【図１０】従来の光ファイバジャイロ（セロダイン変調
方式）の構成例を示す説明図である。
【図１１】従来の光ファイバジャイロ（セロダイン変調
方式）の動作を説明するための波形図である。
【図１２】従来の光ファイバジャイロ（ディジタル変調
方式）の構成例を示す説明図である。
【図１３】従来の光ファイバジャイロ（ディジタル変調
方式）の動作を説明するための波形図である。
【図１４】従来の光ファイバジャイロ（ディジタル変調
方式）における干渉光の強さ信号と位相差の関係を示す
図である。
【符号の説明】
１ 発光器 ２ 受光器 ３ 光ファイバループ ４ 偏光子 ５、６ カプラ ７ 電流−電圧変換器 ８ 位相変調器 ９ セロダイン変調器 １１ 信号発生器 １２ 同期検波器 １３ 信号処理部 １５、１６ 積分器 １７ カウンタ １８ リセット回路 １９ ２π基準器 ２１ タイミング信号発生器 ２２ 位相変調信号発生部 ２３ Ａ／Ｄ変換器 ２４ 信号処理部 ３１ 信号処理部 ３３ デルタセロダイン部 ３４ 角度角速度演算部 ３５ 基準クロック
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 北條 武 東京都大田区南蒲田２丁目16番46号 株式 会社トキメック内

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光源と、光ファイバループと、該光ファ
    イバループ内を互いに反対方向に伝搬する第１の伝播光
    と第２の伝播光との間の位相を変化させる位相変調器
    と、上記第１の伝播光と第２の伝播光の干渉光を検出す
    る受光器と、を有し、上記光ファイバループがループの
    中心軸線周りに角速度Ωにて回転するとき上記干渉光の
    強さ信号Ｉに発生するサグナック位相差Δθより上記角
    速度Ωを求めるように構成された光ファイバジャイロに
    おいて、 上記位相変調器によって上記干渉光の強さの信号Ｉに時
    間Ｔ／２毎に互いに符号が反対で絶対値が等しい２つの
    一定値ΔβA 及びΔβB に交互に変化する矩形波信号の
    基準位相差Δβが生成され、 上記基準位相差Δβを生成するために上記位相変調器に
    供給される制御電圧信号は、時間Ｔ／２毎に傾斜が正負
    に反転して折れ曲がる三角形状波のデルタセロダイン波
    形信号であることを特徴とする光ファイバジャイロ。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の光ファイバジャイロにお
    いて、 上記基準位相差は、ｎを正の整数としてΔβA ＝−（２
    ｎ−１）π／２及びΔβB ＝＋（２ｎ−１）π／２とな
    ることを特徴とする光ファイバジャイロ。
  3. 【請求項３】 請求項１記載の光ファイバジャイロにお
    いて、 上記基準位相差は、ｎを正の整数、δを｜δ｜＜π／２
    を満たす任意の定数としてΔβA ＝−〔（２ｎ−１）π
    ／２＋δ〕及びΔβB ＝＋〔（２ｎ−１）π／２＋δ〕
    となることを特徴とする光ファイバジャイロ。
  4. 【請求項４】 請求項１、２又は３記載の光ファイバジ
    ャイロにおいて、 上記２つの基準位相差ΔβA 、ΔβB に対応した上記干
    渉光の強さＩの２つの値ＩA 、ＩB の差ΔＩ＝ＩA −Ｉ
    B に基づいて入力角速度Ωを演算することを特徴とする
    光ファイバジャイロ。
  5. 【請求項５】 請求項１、２、３又は４記載の光ファイ
    バジャイロにおいて、 上記受光器から出力された上記干渉光の強さ信号Ｉを入
    力して上記干渉光の強さの差信号ΔＩ＝ＩA −ＩB に対
    応した電圧信号Ｖ0 を生成する信号処理部と上記デルタ
    セロダイン波形信号を生成するデルタセロダイン部とを
    有することを特徴とする光ファイバジャイロ。
  6. 【請求項６】 請求項５記載の光ファイバジャイロにお
    いて、 上記信号処理部は上記干渉光の強さ信号Ｉより直流成分
    を除去して時間Ｔ／２毎に交互にΔＩ／２に変化する交
    番信号を生成する直流除去器と該直流除去器の出力信号
    を交流増幅するための交流増幅器と該交流増幅器の出力
    信号より直流電圧信号Ｖ0 を得るための同期検波器とを
    含むことを特徴とする光ファイバジャイロ。
  7. 【請求項７】 請求項５又は６記載の光ファイバジャイ
    ロにおいて、 上記デルタセロダイン部は基準電圧信号Ｖ* を時間Ｔ／
    ２毎に交互に正負の符号を変化させて積分することによ
    って上記デルタセロダイン波形信号を生成することを特
    徴とする光ファイバジャイロ。
  8. 【請求項８】 光源と、光ファイバループと、該光ファ
    イバループ内を互いに反対方向に伝搬する２つの伝播光
    の干渉光の強さ信号にセロダイン位相差Δαを生成する
    ためのセロダイン変調器と、上記干渉光の強さの信号Ｉ
    に時間Ｔ／２毎に互いに符号が反対で絶対値が等しい２
    つの一定値ΔβA 及びΔβB に交互に変化する矩形波信
    号の基準位相差Δβを生成するための位相変調器と、上
    記干渉光を検出する受光器と、を有し、上記光ファイバ
    ループがループの中心軸線周りに角速度Ωにて回転する
    とき上記干渉光の強さ信号Ｉに発生するサグナック位相
    差Δθより上記角速度Ωを求めるように構成された光フ
    ァイバジャイロにおいて、 上記セロダイン位相差Δαはｓｉｎ（Δθ＋Δα）＝０
    となるようにフィードバック制御され、上記基準位相差
    Δβを生成するために上記位相変調器に供給される制御
    電圧信号は、時間Ｔ／２毎に傾斜が正負に反転して折れ
    曲がる三角形状波のデルタセロダイン波形信号であるこ
    とを特徴とする光ファイバジャイロ。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1999056080A1 (fr) * 1998-04-27 1999-11-04 Tokimec Inc. Gyroscope a fibres optiques
JPWO2018070442A1 (ja) * 2016-10-12 2019-07-25 国立研究開発法人産業技術総合研究所 光角度変調測定装置及び測定方法

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