JPH0131169B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光フアイバを使つた信号伝送装置のひ
とつの方式であるフアイバテレメトリ信号伝送装
置の光伝送路に信号を結合するフアイバ光への位
変調の方法に関するものである。

遠隔地多数点に配置されたセンサや信号入力端
末と、中央に配置された監視装置や処理装置との
間を信号線で結び、測定量やデータ等の情報を集
中監視する遠隔計測システムの信号伝送系に、光
フアイバを導入して構成する方式は、電磁誘導雑
音に強く、絶縁がとりやすく、伝送帯域が広いな
どの特長を有し、広く開発がすすめられている。
このような光フアイバを使つたテレメトリ信号伝
送装置を構成した例でよく知られているのに、次
のようなものがある。二本のシングルモードフア
イバを使い、一つの光源から発した光を音響光学
素子によつて、波長を音響光学素子中の音波の周
波数分だけ増加させた光と、該素子によつて変化
を受けず波長がそのままの光とに２分し、それぞ
れ異なるシングルモードフアイバに注入する。波
長を増加させた光が透過するフアイバの外側よ
り、フアイバ中の光に位相変調を与え、このフア
イバを透過した光と、前述の波長を変化させず
に、別なるフアイバを伝わつてきた光とをフアイ
バ出射端で合波させて、２乗検出特性を有する受
光器で受光し、いわゆるヘテロダイン検出する
と、電気出力は、前記音響光学素子中の音波の周
波数をキヤリアとし、この位相が前記フアイバ外
側より与えた信号によつて変化する位相変調信号
となつて得られる。フアイバ外側より与える位相
変調の周波数を、各入力点で異なる周波数を用い
ることによつて、多数の信号を多重して挿入で
き、また受信端でこれらを弁別することができる
ものである。

フアイバ中を伝わる光波に位相変化を与える方
法で、従来から知られている例には次のようなも
のがある。中空円筒の内側円筒面、外側円筒面全
体に電極を有する中空円筒形圧電セラミツク振動
子の、外側円筒面に光フアイバを巻き付け、前記
２つの電極間に電圧を印加して生ずる円筒の拡が
り振動によつて、巻き付けた光フアイバに伸び変
化を与え、フアイバ中と伝わる導波光に位相変調
を与えるものである。円筒上に光フアイバを多数
回巻き付けてあるのでフイバの伸び変化を受ける
作用長は長く、また圧電体の共振を用いている。
このため僅かな印加電圧で、大きな位相変化を与
える特長をもつている。しかしながら従来のこの
方法には難点がある。使用している振動モード
は、弾性体の輪廓振動である。すなわち、円筒の
外側、内側とが同位相で拡がりまたは収縮する振
動である。この振動の共振周波数は円筒の外径で
決定される。例えばジルコン酸チタン酸鉛圧電磁
器で作つた直径40mm程度の円筒では共振周波数は
20〜25KHz程度である。

前述の如く、光フアイバを使つたテレメトリ信
号伝送装置において、多数点に配置されたセンサ
等からの信号を一本の光フアイバに多重化して乗
せるためには、共振周波数の異なるセンサの数と
同数個のこの位相変調器を必要とする。多重数を
上げるためには、上記よりも更に中心周波数の高
い位相変調器すなわち直径の小さい振動子を用い
る必要がある。然るに、周知の如く光フアイバは
小さな曲率半径で曲げたときには、光は導波され
にくくなり、そのエネルギをコア部から放射して
しまう。とくにコア部へのエネルギのとじこめ能
力の小さいシングルモードフアイバでは小さな曲
率半径で曲げると導波損失が極端に増大してしま
う。通常損失の増大を招くことなく曲きつけうる
円筒の直径は40mm程度といわれる。したがつてこ
のような振動モードを用いる限りでは最高周波数
は20〜25KHz程度となつて、多重しうる信号の数
は数個以下となつてしまう。

本発明の目的は、上記難点を除去し、能率が高
くまた駆動周波数を高くしうるフアイバ光への位
相変調の方法を提供するものである。

本発明によれば、肉厚方向に分極処理を施こさ
れた薄肉圧電セラミツク円筒の内側円筒面及び外
側円筒面上に、円周方向には一様に、軸方向には
定められた幅を有して円外面に対向した電極を一
対または複数対設け、光フアイバーを該圧電セラ
ミツクの外周上の、前記電極の上または軸方向に
隣り合う電極の間に巻きつけ、前記内側及び外側
円筒面上に設けた電極の間に、前記圧電セラミツ
クの厚み振動共振周波付近の交番電圧を印加する
ことによつて、能率が高く、周波数特性の良好な
フアイバ光位相変調の方法が得られる。

本発明の詳細を、実施例に基づき図面を用いて
更に説明する。

第１図は、圧電セラミツク円筒に光フアイバを
巻き付けて、フアイバ透過光に位相変調を与える
従来の方法であつて、１は光フアイバ素線、２は
該フアイバ素線を保護する被覆、３は円筒の径方
向に分極を施こした円筒形圧電セラミツクであ
る。円筒の内外円筒面に電極を設け、この間に印
加する電界によつて円筒圧電セラミツクに生ずる
径方向の変位（第１図中矢印）が巻き付けた光フ
アイバに伸び変化を与え、フアイバ中を導波され
る光波に位相変化を与えるものである。この従来
の位相変調器の構造すなわち円筒圧電セラミツク
の内外円筒面に一様に電極を設けた構造で、圧電
セラミツクに能率よく励起される振動モードは、
内外面が同相に振動するいわゆる呼吸振動で、こ
の共振周波数は、前述の如く低い。

光フアイバを巻き付ける円筒面は外側円筒面で
ある。したがつてこのような目的に利用するモー
ドの持つべき条件は、外側円筒面が同方向に一様
に拡がり変位すればよく、内側円筒面の変位とは
同相である必要はなくてよい。

円筒の外径が円周方向に一様に径方向振動する
モードでは、前述の外径内径が同相で振動する径
方向次数０次の振動以外に更に高次のものが存在
する。このうち利用しやすいモードは径方向次数
１次のモードである。第２図はこのような振動モ
ードの振動の様子を円筒の端面から見た図で、外
径と内径とは変位の位相が逆相となる振動であ
る。このような振動の共振周波数は円筒の径が大
きいとき、その直径にはよらず、その肉厚によつ
て定まる。例えば前述の圧電セラミツク材料で肉
厚１mmのものを作つた場合には、このモードの共
振周波数は2.3MHz程度である。前述の径方向次
数０次のモードの場合に較べて２桁周波数が上
る。肉厚の異なる振動子を製作することによつ
て、多重数の高いフアイバテレメトリ信号伝送装
置を構成できる。しかしながら、肉厚方向に分極
処理を施こされた薄肉円筒圧電セラミツクに、外
径円筒面、内径円筒面一様に電極を設けた場合に
は、径方向１次の振動周波数付近で励振すると、
共振特性は単純ではなくスプリアスが多く利用し
にくい。これは軸方向に高次数をもつたモードが
数多く混在するからである。以下に述べるように
すれば特性の優れた位相変調器を構成することが
できる。

第３図は外側円筒面と内側円筒面上に幅Ｗを有
し対向させて電極を設けた薄肉円筒セラミツクを
軸方向に沿つて切断したときの片側の断面の構造
（第３図ａ）と変位分布（第３図ｂ）を示す。こ
こで１１は圧電セラミツク、１２，１３はそれぞ
れ内外面上の電極である。通常の圧電セラミツク
のように電気機械結合係数が大きく、ポアソン比
が１／３より大の値をもつ圧電弾性体では、厚み
振動は圧電効果によつてエネルギとじこめ効果を
示す。すなわち、肉厚方向に分極され、第３図ａ
のように有限の幅を有する場合、円筒の径方向次
数１次の振動すなわち厚み縦１次の振動のエネル
ギは、圧電体中電極下の音速が圧電効果によつて
低下するためこの部分に局在し、横方向（円筒で
軸に沿つた方向）に電極から離れるにつれ減少す
る。電極の幅Ｗが円筒の肉厚が数倍以下では、第
３図ｂに変化分布を示すように、電極の幅方向に
振動の位相が同一の単一モードが励起され、この
エネルギは円筒の端面までは到達しない。電極の
幅Ｗが大きいと、電極の幅方向に次数の高いモー
ドも励起され、これはスプリアスとなる。また電
極幅Ｗが小さすぎると、最低次モードの励振能率
は低下し、さらには励振されない場合がある。た
とえば厚み縦振動の電気機械結合係数k_tが0.52、
周波数定数が2.21KHz・ｍ程度の圧電セラミツク
を用いた場合には、この電極の幅は厚さの1.3〜
４倍程度の間の値が適当である。この値は用いる
圧電セラミツクの材料定数が異なれば変つてく
る。このエネルギとじこめ厚み縦振動を用いてフ
アイバ光を位相変調するには、第４図に示したよ
うな構成とすればよい。第４図は本発明の第一の
実施例の構成図である。第４図において、１はフ
アイバ素線、２はその被覆、３は径方向に分極処
理を施こした薄肉円筒圧電セラミツクである。円
筒の外側円筒面上に、円周方向一様で、軸方向に
上に述べたような幅を有する電極４を設ける。設
ける位置はエネルギーとじこめモードであるた
め、極端に円筒の端部に近くなければ、軸方向の
任意の位置に設けてよい。内側円筒面に設ける電
極５はやはり円周方向に一様で、軸方向には、外
側円筒面に設けた電極４と対向して軸方向同一位
置に同一の幅を有して設けてもよいし、また、内
側全面に設けてもよい。この場合でも有限の幅を
有する電極４で覆われた部位に弾性エネルギは局
在する。光フアイバを電極４の上から円筒面上に
巻き付ける。前内外円筒面上の電極５，４の間
に、厚み縦共振周波数付近の交番電圧を印加す
る。圧電セラミツクは厚み振動を生じ、巻き付け
た光フアイバを伸縮させ、フアイバ中を導波され
る光波に位相変化を与える。前述の如く振動エネ
ルギは電極下に局在し、しかも単一モードである
ため、光に与える位相変調の周波数特性は効率が
高くかつ選択性に優れた滑らかな周波数特性が得
られる。

位相変調の周波数特性に平担な帯域特性をもた
せるためには、２つの共振モードを周波数軸上で
スタガ的に利用するのが一つの方法である。第５
図は本発明の第２の実施例の電極の構造を示す図
で、第３図と同様、外側円筒面と内側円筒面上に
有限の幅を有２つの電極対を設けた薄肉円筒圧電
セラミツクを軸方向に沿つて切断したときの片側
の断面の構造（第５図ａ）と変位分布（第５図
ｂ）を示す。ここで１１は圧電セラミツク、１
２，１３はそれぞれ内外面上の電極である。第５
図ａの構造は、エネルギとじこめ振動子が２つ近
接して設けられたものであり、弾性エネルギの浸
み出しによつて、両者が結合する。この結果、幅
Ｗを有する単一の共振子の共振周波数よりも僅か
に低い、または高い、２つの共振モードが励起さ
れる。２つの共振子のそれぞれの電極幅Ｗは、単
一のモードしか励起されない幅に限定し、これら
と電極間隔Ｗとをたし合せた全体の幅Ｗでは２つ
のモード、すなわち、幅W″内で全体が同相に振
動するモード（第５図ｂ１４）と、斜対称に振動
するモード（第５図ｂ１５）の２つのみが存在し
うるように幅W′を設定する。いずれか一方の肉
厚をはさんで対をなす電極対に印加電圧を与える
と、２つのモードが励起され、これらは適当な周
波数間隔をなして存在する。フアイバ光に位相変
調を与えるためには、第６図に示すような構造と
する。第６図において１はフアイバ素線、２はそ
の被覆、３は肉厚方向に分極処理を施こされた、
薄肉円筒圧電セラミツク、４は外側円筒面上に設
けた電極、内側円筒面にも電極４と対向して同様
の電極、または全面に電極５を設ける。外側円筒
面に設けた２つの電極の一方とそれに対向する内
側円筒面の電極との間に交番電圧を印加する。外
側円筒面に設けた２つの電極の前記交番電圧を印
加した電極とは異なるもう一つの電極の上から、
光フアイバを巻き付ける。光フアイバには、前記
２つの振動が伸びひずみを与える。これらは周波
数の間隔を設定されているため、帯域幅の広い伸
び歪が与えられる。２つのモードの間の周波数間
隔を適切に定めるためには、第５図ａに示したよ
うに、２つの電極Ｗとその円筒の軸方向への間隔
W′を適切に定めればよい。

２つのモードを利用して、変調帯域特性を平担
にする別なる方法が、第７図、８図に示す本発明
の第３の実施例である。第７図は本実施例の電極
の構造を示す図で、第３図、第５図と同様、外側
円筒面と内側円筒面上に２つの電極対を設けた薄
肉円筒圧電セラミツクを軸方向に沿つて切断した
ときの片側の断面の構造（第７図ａ）と変位分布
（第７図ｂ）を示す。ここで１１は圧電セラミツ
ク、１２，１３はそれぞれ内外面上の電極であ
る。第５図ａと同様幅Ｗの電極を有する２つのエ
ネルギ閉じ込め振動子が弾性的に結合している。
２つの電極の幅Ｗと間隔W′を加えた全体の幅
W″を、第５図ｂ上で１５と示した斜対称モード
の上のモードである２次モードが存在しうる幅に
設定する。即ちこの幅W″では弾性的には最低次
モード（第７図ｂ１４）、斜対称モード、更には
２次モード（第７図ｂ１５）の３つのモードが存
在しうるが、外側円筒面上の２つの電極１２と内
側円筒面上の２つの電極１３のそれぞれにおいて
並列とし、セラミツクの肉厚方向に印加電圧と与
えたときには、圧電的には、斜対称モードはほと
んど励起されず、第７図ｂに示した最低次モード
１４と２次モード１５のみが励起される。電極幅
Ｗ及びそれらの軸方向への間隔W′を調整するひ
とによつてやはり２つのモードの共振周波数の間
隔を調整することができる。そして２つの振動が
加え合さる、外側円筒面上２つの電極の間に光フ
アイバを巻くことによつて帯域特性の優れた位相
変調器が得られる。第８図はその構成を示す図
で、１はフアイバ素線、２はその被覆、３は肉厚
方向に分極処理を施こされた薄肉円筒圧電セラミ
ツクであり、４はその外側円筒面上に設けた電
極、５は内側円筒面上に、外側電極４と対向して
同一に、又は面全体に設けた電極である。外側円
筒面上の２つの電極４は並列にし、これと内側電
極との間に交番電圧を印加し、外側円筒面上の２
つの電極の間に光フアイバを巻き付けてある。

以上３つの実施例によつて本発明の詳細を述べ
た。いずれの実施例でも光フアイバは被覆で覆わ
れた構造で圧電セラミツクに巻き付けるように示
してあるが、勿論これは被覆を取除き、フアイバ
素線をセラミツク上に巻き付けても同様の効果は
得られる。

また本実施例では圧電セラミツクの有するポア
ソン比が１／３より大なる場合、すなわち、圧電
セラミツク上の電極のみによつてエネルギとじこ
め効果が生ずる場合を述べた。圧電セラミツクに
よつてはポアソン比が１／３より小なる材質のも
のもある。この場合には、圧電セラミツク上の電
極の効果ではエネルギとじこめを生ぜず、電極を
設ける部分を他の部分より厚さを減ずるなどの方
法が有効であることが知られている。従つてこの
場合にはこのような方法を採ることによつて同様
にフアイバ光への位相変調の方法を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のフアイバ光位相変調方法を示す
概略構成図で、１はフアイバ素線、２はその被
覆、３は圧電セラミツクである。第２図は本発明
に用いる、円筒の肉厚方向の厚み縦振動の振動変
位の概念図である。第３図は本発明の第１の実施
例における電極構造と、高位分布を示す図で、第
３図ａは円筒を軸方向に切断したときの片方の断
面を示し、１１は圧電セラミツク、１２，１３は
電極、第３図ｂは振動の変位分布を示す。第４図
は本発明第１の実施例の構成図で１はフアイバ素
線、２はその被覆、３は薄肉円筒圧電セラミツ
ク、４，５は円筒外内面の電極である。第５図は
本発明の第２の実施例における電極構造と変位分
布を、第６図はその構成を、第７図は本発明第３
の実施例における電極構造と変化分布を、第８図
はその構成を示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 径方向に分極処理を施こされた薄肉円筒圧電
   セラミツクの内側円筒面および外側円筒面上の相
   方またはいずれかに、円筒の周方向には一様で、
   軸方向には特定の幅を有する電極を配し、該内側
   及び外側円筒面上の電極間に印加される交番電圧
   によつて励起される円筒の肉厚方向における厚み
   縦エネルギとじこめ振動を、該薄肉円筒圧電セラ
   ミツクの外側円筒面に巻き付けた光フアイバに印
   加することを特徴とするフアイバ光位相変調の方
   法。