JPH0778430B2 - サニヤツク干渉計による回転速度の測定方法及び装置 - Google Patents
サニヤツク干渉計による回転速度の測定方法及び装置Info
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- JPH0778430B2 JPH0778430B2 JP61277795A JP27779586A JPH0778430B2 JP H0778430 B2 JPH0778430 B2 JP H0778430B2 JP 61277795 A JP61277795 A JP 61277795A JP 27779586 A JP27779586 A JP 27779586A JP H0778430 B2 JPH0778430 B2 JP H0778430B2
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- G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
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- G01C19/722—Details of the mechanical construction
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- G—PHYSICS
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- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
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Description
【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、光ファイバ・サニャック干渉計内に回転によ
り誘発される位相変調に係る。
り誘発される位相変調に係る。
背景技術 基本的な光ファイバ・サニャック干渉計は、ビームを実
質的に等しい二つの部分に分割するビーム分割器に入射
するコヒーレント光を与えるレーザー光源を含んでい
る。ビームは次いで特定の半径の１ターンまたはそれ以
上のターン数のコイル内の或る長さの光ファイバの各端
のなかへ結合させられる。光ビームはコイルの回りを相
反方向に伝播し、またビーム分割器において再結合す
る。二つのコヒーレント光ビームがビーム分割器内で干
渉することにより、二つのビームの間の相対的位相差と
共に正弦的に変化する強度を有する光出力信号が生ず
る。位相差が非可逆効果、すなわち二つの相反方向に伝
播するビームを異なってオフセットさせる現象、に起因
して生ずることは理解されよう。（両ビームに等しく影
響する可逆効果は干渉の際に打ち消し合う）。一つのこ
のような非可逆効果はサニャック効果と呼ばれる本質的
に相対論的な現象であり、それによりコイルに対し垂直
な軸線の回りの光ファイバコイルの回転が二つの相反方
向に伝播するビームの間の位相シフトを誘発する。（例
えばイー・ジェイ・ポスト（E.J.Post）、レビュー・モ
ダーン・フィジックス（Rev.Modern Phys.）39、475（1
967）参照）。光ジャイロスコープは、例えば上記の光
ファイバ・サニャック干渉計の精巧な形式であってよい
干渉計内で誘発されるサニャック位相シフトを検出且つ
測定することにより作動する。しかし、このような基本
的な実現の仕方では、低い回転速度に対する干渉計の感
度が低い。これは、もし回転速度が零であれば（二つの
相反方向に伝播するビームの間に位相差が存在しなけれ
ば）、ビームが構造的に相互作用して最大光強度への上
昇をもたらすからである。位相差が零である時、余弦特
性曲線のピークで作動するために感度も零である。低い
回転速度（小さい位相差）に対しては感度が相応に低
い。回転速度が増大するにつれて、感度は、位相差π/2
の点に於ける余弦特性曲線の急峻な傾斜に相応して最大
感度に到達するまで増大する。従って、低い回転速度ま
で高い感度で回転を検出するためには、π/2の非可逆位
相シフトバイアスを実現する必要がある。サニャック干
渉計の本質的な対称性のゆえに（相反方向に伝播するビ
ームは反対方向に同一の経路を進行するので）信頼性に
富む制御可能な位相シフトを行うための手段は少ない。
光ファイバ回転センサで広く採用されている一つの方法
は、コイルの一端の付近に小さい周期的伸長を行わせる
ための装置を配置する必要がある。コイルの両端に進入
する二つのビームがこの伸長器を少し異なる時点で通過
するので、二つのビームは少い異なる経路長さを走り、
また位相差の非可逆的変調が生ずる。変調の結果とし
て、回転速度情報が変調周波数の高調波に於ける出力内
に得られ、また例えば変調周波数に於ける信号が前記の
ようにπ/2の位相によりバイアスされる。このような変
調器を実現するための手段は1985年８月28日付けの“光
ファイバセンサ用の位相変調器”という名称の米国特許
出願第768,308号明細書に開示されている。
質的に等しい二つの部分に分割するビーム分割器に入射
するコヒーレント光を与えるレーザー光源を含んでい
る。ビームは次いで特定の半径の１ターンまたはそれ以
上のターン数のコイル内の或る長さの光ファイバの各端
のなかへ結合させられる。光ビームはコイルの回りを相
反方向に伝播し、またビーム分割器において再結合す
る。二つのコヒーレント光ビームがビーム分割器内で干
渉することにより、二つのビームの間の相対的位相差と
共に正弦的に変化する強度を有する光出力信号が生ず
る。位相差が非可逆効果、すなわち二つの相反方向に伝
播するビームを異なってオフセットさせる現象、に起因
して生ずることは理解されよう。（両ビームに等しく影
響する可逆効果は干渉の際に打ち消し合う）。一つのこ
のような非可逆効果はサニャック効果と呼ばれる本質的
に相対論的な現象であり、それによりコイルに対し垂直
な軸線の回りの光ファイバコイルの回転が二つの相反方
向に伝播するビームの間の位相シフトを誘発する。（例
えばイー・ジェイ・ポスト（E.J.Post）、レビュー・モ
ダーン・フィジックス（Rev.Modern Phys.）39、475（1
967）参照）。光ジャイロスコープは、例えば上記の光
ファイバ・サニャック干渉計の精巧な形式であってよい
干渉計内で誘発されるサニャック位相シフトを検出且つ
測定することにより作動する。しかし、このような基本
的な実現の仕方では、低い回転速度に対する干渉計の感
度が低い。これは、もし回転速度が零であれば（二つの
相反方向に伝播するビームの間に位相差が存在しなけれ
ば）、ビームが構造的に相互作用して最大光強度への上
昇をもたらすからである。位相差が零である時、余弦特
性曲線のピークで作動するために感度も零である。低い
回転速度（小さい位相差）に対しては感度が相応に低
い。回転速度が増大するにつれて、感度は、位相差π/2
の点に於ける余弦特性曲線の急峻な傾斜に相応して最大
感度に到達するまで増大する。従って、低い回転速度ま
で高い感度で回転を検出するためには、π/2の非可逆位
相シフトバイアスを実現する必要がある。サニャック干
渉計の本質的な対称性のゆえに（相反方向に伝播するビ
ームは反対方向に同一の経路を進行するので）信頼性に
富む制御可能な位相シフトを行うための手段は少ない。
光ファイバ回転センサで広く採用されている一つの方法
は、コイルの一端の付近に小さい周期的伸長を行わせる
ための装置を配置する必要がある。コイルの両端に進入
する二つのビームがこの伸長器を少し異なる時点で通過
するので、二つのビームは少い異なる経路長さを走り、
また位相差の非可逆的変調が生ずる。変調の結果とし
て、回転速度情報が変調周波数の高調波に於ける出力内
に得られ、また例えば変調周波数に於ける信号が前記の
ようにπ/2の位相によりバイアスされる。このような変
調器を実現するための手段は1985年８月28日付けの“光
ファイバセンサ用の位相変調器”という名称の米国特許
出願第768,308号明細書に開示されている。
1985年５月17日付けの“受動的サニャック干渉計内の回
転により誘発される位相変調”という名称の米国特許出
願第735,235号明細書によれば、サニャック干渉計はベ
ース内のプラットフォーム上に取り付けられており、所
与の軸線の回りに振動させられる。振動は周期的に変化
するサニャック位相差を誘発し、それにより干渉計から
の出力信号の強度が機械的振動に関係付けられる周波数
で変調される。測定されるべき回転速度に関する所望の
情報は変調周波数の高調波に於ける出力中に存在してい
る。同期復調又はディジタル信号処理のような適当な検
出技術がこの情報を再現させるために使用され得る。こ
の方法を実現するには、ファイバコイルを振動させるた
めの手段が用意されなければならない。高感度はジャイ
ロスコープ計器では、このコイルは、例えば飛行中に温
度変化および衝撃を受ける時にコイルを保持するのに適
した金属又はセラミックスから成っていてよい型の上に
支えられなければならない1kmを越える長さの光ファイ
バを含んでいてよい。加えて、コンパクトな構造を得る
目的で、追加的なジャイロスコープ構成要素がコイル型
の内部に組み入れられ得る。こうして、本質的にジャイ
ロスコープ全体を支持し且つ振動させるための手段が設
けられていなければならない。
転により誘発される位相変調”という名称の米国特許出
願第735,235号明細書によれば、サニャック干渉計はベ
ース内のプラットフォーム上に取り付けられており、所
与の軸線の回りに振動させられる。振動は周期的に変化
するサニャック位相差を誘発し、それにより干渉計から
の出力信号の強度が機械的振動に関係付けられる周波数
で変調される。測定されるべき回転速度に関する所望の
情報は変調周波数の高調波に於ける出力中に存在してい
る。同期復調又はディジタル信号処理のような適当な検
出技術がこの情報を再現させるために使用され得る。こ
の方法を実現するには、ファイバコイルを振動させるた
めの手段が用意されなければならない。高感度はジャイ
ロスコープ計器では、このコイルは、例えば飛行中に温
度変化および衝撃を受ける時にコイルを保持するのに適
した金属又はセラミックスから成っていてよい型の上に
支えられなければならない1kmを越える長さの光ファイ
バを含んでいてよい。加えて、コンパクトな構造を得る
目的で、追加的なジャイロスコープ構成要素がコイル型
の内部に組み入れられ得る。こうして、本質的にジャイ
ロスコープ全体を支持し且つ振動させるための手段が設
けられていなければならない。
発明の開示 本発明の目的は、サニャック干渉計内で振動的な位相変
調を達成するための方法であって、駆動に関する必要条
件を軽減且つ簡単化し得る方法を提案することである。
本発明の他の目的は、このような変調を達成するための
装置を提供することである。
調を達成するための方法であって、駆動に関する必要条
件を軽減且つ簡単化し得る方法を提案することである。
本発明の他の目的は、このような変調を達成するための
装置を提供することである。
本発明によれば、検出コイルの一端から或る長さのファ
イバが、検出コイルに無関係に自由に回転し得る第２の
コイルを形成するべく巻かれている。適当な周波数及び
適当な振幅でのこの第２のコイルの振動は、干渉出力信
号を変調するのに適した時間遅延されたサニャック位相
差を誘発する。検出コイルの一端の付近の少数のターン
を振動させることにり、振動させられなければならない
ファイバの質量が大幅に減ぜられ、またパッケージング
が簡単化される。検出コイルは固定されているので、特
別な取り付けを必要としない。これらの利点を実現する
べく、ここに開示されるように、変調コイルは比較的高
い周波数で振動させられなければならない。
イバが、検出コイルに無関係に自由に回転し得る第２の
コイルを形成するべく巻かれている。適当な周波数及び
適当な振幅でのこの第２のコイルの振動は、干渉出力信
号を変調するのに適した時間遅延されたサニャック位相
差を誘発する。検出コイルの一端の付近の少数のターン
を振動させることにり、振動させられなければならない
ファイバの質量が大幅に減ぜられ、またパッケージング
が簡単化される。検出コイルは固定されているので、特
別な取り付けを必要としない。これらの利点を実現する
べく、ここに開示されるように、変調コイルは比較的高
い周波数で振動させられなければならない。
さらに本発明によれば、上記の時間遅延された振動的位
相変調を行うのに使用され得る光ファイバ振動子が開示
されている。この振動子は、半径方向に延びており圧電
効果により誘発される運動力に応答して機械的に同期し
て曲げられるスポークを有する剛固な支持ハブから成っ
ている。サニャック干渉計の光路の一部分である光ファ
イバはスポークの外側の回りにリム状に巻き付けられて
おり、また光路内へ導き入れられた相反方向に伝播する
光ビームの間の位相差の変調を行うため振動的に回転さ
れるようにスポークに取り付けられている。それによ
り、再結合された光ビームの強度が変調される。変調さ
れ且つ再結合された光ビームは、予め選定された周波数
を抽出し、またそれにより例えば位相敏感検出により被
測定現象の所望の指示を得るべく、コンディショニング
を受ける。
相変調を行うのに使用され得る光ファイバ振動子が開示
されている。この振動子は、半径方向に延びており圧電
効果により誘発される運動力に応答して機械的に同期し
て曲げられるスポークを有する剛固な支持ハブから成っ
ている。サニャック干渉計の光路の一部分である光ファ
イバはスポークの外側の回りにリム状に巻き付けられて
おり、また光路内へ導き入れられた相反方向に伝播する
光ビームの間の位相差の変調を行うため振動的に回転さ
れるようにスポークに取り付けられている。それによ
り、再結合された光ビームの強度が変調される。変調さ
れ且つ再結合された光ビームは、予め選定された周波数
を抽出し、またそれにより例えば位相敏感検出により被
測定現象の所望の指示を得るべく、コンディショニング
を受ける。
さらに本発明によれば、上記の振動子のスポークは、剛
固な支持ハブに取り付けられており各々が外部励起源へ
の接続用の電極を有する圧電性ベンダー板から製造され
ていてよい。外部励起源は、同期して駆動されるように
各板に同一に接続されていてよく、また光ファイバコイ
ルはハブ軸線の回りに振動させられる。
固な支持ハブに取り付けられており各々が外部励起源へ
の接続用の電極を有する圧電性ベンダー板から製造され
ていてよい。外部励起源は、同期して駆動されるように
各板に同一に接続されていてよく、また光ファイバコイ
ルはハブ軸線の回りに振動させられる。
さらに本発明によれば、スポークは非圧電性の可撓性材
料から製造され、その一つ又はそれ以上がスポークに取
り付けられていない端に間隔をおいて固定されており外
部励起源への接続用の電極を有する組み合わされた圧電
性長手方向エキスパンダー・バーにより駆動されてよ
い。それにより各バーの同期化された長手方向膨張はス
ポークの同期化された曲がりを生じさせ、また取り付け
られた光ファイバループによりハブ軸線の回りの振動を
生ずる。例として、100kHzで作動し得る長手方向圧電性
エキスパンダー・バーにより駆動される可撓性スポーク
を有する振動子が開示されている。100kHzは1kmのファ
イバ光路を有する回転センサに対する最適変調周波数で
ある。100kHzの周波数で振動させられる直径5cmの変調
コイルに対して、最適振動振幅は例えば約29Vで駆動さ
れる10ターンの変調器コイルにより得られる。現在市販
品として入手可能な圧電性ベンダーを使用する振動子は
より低い周波数での作動に適している。
料から製造され、その一つ又はそれ以上がスポークに取
り付けられていない端に間隔をおいて固定されており外
部励起源への接続用の電極を有する組み合わされた圧電
性長手方向エキスパンダー・バーにより駆動されてよ
い。それにより各バーの同期化された長手方向膨張はス
ポークの同期化された曲がりを生じさせ、また取り付け
られた光ファイバループによりハブ軸線の回りの振動を
生ずる。例として、100kHzで作動し得る長手方向圧電性
エキスパンダー・バーにより駆動される可撓性スポーク
を有する振動子が開示されている。100kHzは1kmのファ
イバ光路を有する回転センサに対する最適変調周波数で
ある。100kHzの周波数で振動させられる直径5cmの変調
コイルに対して、最適振動振幅は例えば約29Vで駆動さ
れる10ターンの変調器コイルにより得られる。現在市販
品として入手可能な圧電性ベンダーを使用する振動子は
より低い周波数での作動に適している。
本発明の上記及び他の目的、特徴及び利点は以下にその
最良の実施例を図面により詳細に説明するなかで一層明
らかになろう。
最良の実施例を図面により詳細に説明するなかで一層明
らかになろう。
発明を実施するための最良の形態 第１図には本発明によるサニャック回転センサ10が示さ
れている。このセンサはファイバの多数のループを検出
コイル内の非対称位置、例えばファイバループの一端に
有する振動する位相変調器12を含んでいる。この位相変
調器は、コイルがその回りに回転される中心軸線16を有
する剛固なハブ14の回りに振動的に回転される。
れている。このセンサはファイバの多数のループを検出
コイル内の非対称位置、例えばファイバループの一端に
有する振動する位相変調器12を含んでいる。この位相変
調器は、コイルがその回りに回転される中心軸線16を有
する剛固なハブ14の回りに振動的に回転される。
第１図に示されているセンサは、光ファイバ20、結合器
22、偏光器24及び他の結合器26を順次に経て一対の光フ
ァイバ28、30内へ伝播させられるコヒーレント光のダイ
オード光源18を含んでおり、一対の光ファイバ28、30は
分割されたビームを互いに反対方向に、場合によっては
キロメートルのオーダー又はそれ以上の長さのファイバ
を有するファイバ検出コイル内へ伝播させる。
22、偏光器24及び他の結合器26を順次に経て一対の光フ
ァイバ28、30内へ伝播させられるコヒーレント光のダイ
オード光源18を含んでおり、一対の光ファイバ28、30は
分割されたビームを互いに反対方向に、場合によっては
キロメートルのオーダー又はそれ以上の長さのファイバ
を有するファイバ検出コイル内へ伝播させる。
1985年５月17日付けの“回転により誘発される受動的サ
ニャック干渉計内の位相変調”という名称の米国特許出
願第735,235号明細書に開示されているように、センサ1
0全体又は光ファイバループ32全体はプラットフォーム
上に置かれ、また相反方向に伝播するビームの間の位相
差の変調を誘発させるためループの面に対して典型的に
垂直な軸線の回りに振動させられ得る。本発明は、上記
の方法を改良するため、コイルの一端の付近の小さい第
２の変調コイル12の振動により所望の位相変調を生じさ
せるものである。振動させられるべき全質量が顕著に減
ぜられる点で、この方法は時に有利である。また変調器
コイルが好都合に、例えば検出コイルの内側に取り付け
られ得るので、複雑さが減ぜられ且つ一層コンパクトに
設計された装置が得られる。相反方向に伝播するビーム
は結合器２に於いて再結合され、また戻りビームが結合
器22に於いて分割されて光ファイバ36を経て固体検出器
38へ与えられることを例外としてダイオード光源18から
の伝播経路と同一の経路に沿って再伝播する。
ニャック干渉計内の位相変調”という名称の米国特許出
願第735,235号明細書に開示されているように、センサ1
0全体又は光ファイバループ32全体はプラットフォーム
上に置かれ、また相反方向に伝播するビームの間の位相
差の変調を誘発させるためループの面に対して典型的に
垂直な軸線の回りに振動させられ得る。本発明は、上記
の方法を改良するため、コイルの一端の付近の小さい第
２の変調コイル12の振動により所望の位相変調を生じさ
せるものである。振動させられるべき全質量が顕著に減
ぜられる点で、この方法は時に有利である。また変調器
コイルが好都合に、例えば検出コイルの内側に取り付け
られ得るので、複雑さが減ぜられ且つ一層コンパクトに
設計された装置が得られる。相反方向に伝播するビーム
は結合器２に於いて再結合され、また戻りビームが結合
器22に於いて分割されて光ファイバ36を経て固体検出器
38へ与えられることを例外としてダイオード光源18から
の伝播経路と同一の経路に沿って再伝播する。
変調器ドライバ40は駆動信号を導線42を経て変調器12
に、また参照信号を導線44を経て、導線48上の被検出信
号にも応答するロックイン増幅器46に与える。このロッ
クイン増幅器は、検出された回転に比例する出力信号を
導線50上に与える。
に、また参照信号を導線44を経て、導線48上の被検出信
号にも応答するロックイン増幅器46に与える。このロッ
クイン増幅器は、検出された回転に比例する出力信号を
導線50上に与える。
位相差の時間遅延された振動的変調が第１図中に示され
ているような検出コイルの一端の付近の少数のターンの
振動により得られる。第１図中では、検出コイルは剛固
に固定されている。変調コイルのみが“振動矢印"52に
より示されているように変調コイル軸線16の回りに周期
的に駆動される。時間遅延された振動による方法の利点
は、振動させられなければならないファイバの質量が大
幅に減ぜられること、また検出コイルが固定されている
ので特殊な取り付けを必要としないためにパッケージン
グが簡単化されることを含んでいる。これらの利点を実
現するため、変調コイルは比較的高い振動数で振動させ
られなければならない。
ているような検出コイルの一端の付近の少数のターンの
振動により得られる。第１図中では、検出コイルは剛固
に固定されている。変調コイルのみが“振動矢印"52に
より示されているように変調コイル軸線16の回りに周期
的に駆動される。時間遅延された振動による方法の利点
は、振動させられなければならないファイバの質量が大
幅に減ぜられること、また検出コイルが固定されている
ので特殊な取り付けを必要としないためにパッケージン
グが簡単化されることを含んでいる。これらの利点を実
現するため、変調コイルは比較的高い振動数で振動させ
られなければならない。
二つの異なる振動子機構が第２図及び第４図に示されて
いる。第３図は第２図の機構の斜視図である。第２図に
示されている振動氏では、ファイバコイル60は、ハブ70
に剛固に取り付けられそれから半径方向に外方に延びて
いるスポークとして配置された積層圧電性ベンダー板6
2、64、66及び68に取り付けられている。励起リードの
折り返された対72、74が、各ベンダー板の各面に取り付
けられている電極パッド76に取り付けられている。これ
らの電極パッドは第３図中に一層分かり易く示されてい
る。ベンダー板は第２図中に破線で示されているように
同一の角度だけ同一の時点で同一の方向に曲げられるよ
うに同期して励起される。このことは、コイル全体が光
ファイバを伸長又は圧縮させることなしに回転されるこ
とを保証する。第３図中に破線で示されている型80が、
コイル60がこの型の上に巻かれ得るようにベンダー板に
取り付けられていてよい。市販品として入手可能なベン
ダーを使用するこのような振動子は主として、数100Hz
のオーダーの比較的低い振動数での作動に適している。
いる。第３図は第２図の機構の斜視図である。第２図に
示されている振動氏では、ファイバコイル60は、ハブ70
に剛固に取り付けられそれから半径方向に外方に延びて
いるスポークとして配置された積層圧電性ベンダー板6
2、64、66及び68に取り付けられている。励起リードの
折り返された対72、74が、各ベンダー板の各面に取り付
けられている電極パッド76に取り付けられている。これ
らの電極パッドは第３図中に一層分かり易く示されてい
る。ベンダー板は第２図中に破線で示されているように
同一の角度だけ同一の時点で同一の方向に曲げられるよ
うに同期して励起される。このことは、コイル全体が光
ファイバを伸長又は圧縮させることなしに回転されるこ
とを保証する。第３図中に破線で示されている型80が、
コイル60がこの型の上に巻かれ得るようにベンダー板に
取り付けられていてよい。市販品として入手可能なベン
ダーを使用するこのような振動子は主として、数100Hz
のオーダーの比較的低い振動数での作動に適している。
0.5〜1kmの長さの検出コイルを有する光ファイバセンサ
の最適作動のためには、100〜200kHzのオーダーの振動
数が必要とされる。この範囲内で作動し得る機構が第４
図に示されている。再び、ファイバコイル90は、ハブ10
0に剛固に取り付けられそれから半径方向に外方に延び
ているスポーク92、94、96、98に取り付けられている。
この場合、スポークは薄い可撓性の支持板である。直線
状の圧電性エキスパンダー102、104が、図示されている
ように、それぞれスポーク98、94に取り付けられてい
る。同期して駆動されるとき、コイルの振動は矢印106
により示されているように生ずる。
の最適作動のためには、100〜200kHzのオーダーの振動
数が必要とされる。この範囲内で作動し得る機構が第４
図に示されている。再び、ファイバコイル90は、ハブ10
0に剛固に取り付けられそれから半径方向に外方に延び
ているスポーク92、94、96、98に取り付けられている。
この場合、スポークは薄い可撓性の支持板である。直線
状の圧電性エキスパンダー102、104が、図示されている
ように、それぞれスポーク98、94に取り付けられてい
る。同期して駆動されるとき、コイルの振動は矢印106
により示されているように生ずる。
特別な振動子の設計パラメータは下記ようにして決定さ
れる。第１図の干渉計に対して、式 φｍ＝φ0cosωmt ここで、φ０は位相変調の振幅、またωｍは変調信号の
角速度 により定義される位相差φｍの時間遅延された周期的変
調により、変調周波数で変化する検出されたパワーの成
分な下式により与えられる（例えばケイ．ボーム（K.Bo
hm）、ピー．ルサー（P.Pusser）、イー．ワイデル（E.
Weidel）及びアール．ウルリッヒ（R.Ulrich）“低ノイ
ズの光ファイバ回転検出”、オプティックスレターズ
（Optics Letters）、６、64（1981）を参照）。
れる。第１図の干渉計に対して、式 φｍ＝φ0cosωmt ここで、φ０は位相変調の振幅、またωｍは変調信号の
角速度 により定義される位相差φｍの時間遅延された周期的変
調により、変調周波数で変化する検出されたパワーの成
分な下式により与えられる（例えばケイ．ボーム（K.Bo
hm）、ピー．ルサー（P.Pusser）、イー．ワイデル（E.
Weidel）及びアール．ウルリッヒ（R.Ulrich）“低ノイ
ズの光ファイバ回転検出”、オプティックスレターズ
（Optics Letters）、６、64（1981）を参照）。
Ｐωｍ ＝P0sinφSJ1（２φ0sinωｍτ/2）sinωmt ここで、φＳ＝検出された回転によるサニャック位相シ
フト τ＝これらの光ファイバを通過する光に対する伝播時間 P0＝ファイバコイルに入射するパワー J1＝第１次ベッセル関数 最大の出力信号を生ずるためにこのパワーを最大化する
ことが望ましことは理解されよう。このことは、もしベ
ッセル関数のアーギュメントが関係式 ２φ0sinωｍτ/2＝1.84rad を満足するならば、達成される。項sinωｍτ/2はωｍ
τ＝πに対して最大値１をとる。例として、長さ1kmの
ファイバコイルに対しては、100kHzの変調周波数がこの
条件を満足するために必要とされる。ωｍτ＝πでは、
ベッセル関数の最大値は変調振幅φ０＝0.92radで得ら
れる。もちろん、相応により低い位相振幅を与えること
により、より低い変調周波数でパワーを最大化すること
も可能である。ここに説明する設計は上記の条件、すな
わちωｍτ＝π及びφ０＝0.92radに基づいている。加
えて、検出コイルの長さは、条件ωｍτ＝πを満足する
周波数が100kHzであるように1kmに選定される。
フト τ＝これらの光ファイバを通過する光に対する伝播時間 P0＝ファイバコイルに入射するパワー J1＝第１次ベッセル関数 最大の出力信号を生ずるためにこのパワーを最大化する
ことが望ましことは理解されよう。このことは、もしベ
ッセル関数のアーギュメントが関係式 ２φ0sinωｍτ/2＝1.84rad を満足するならば、達成される。項sinωｍτ/2はωｍ
τ＝πに対して最大値１をとる。例として、長さ1kmの
ファイバコイルに対しては、100kHzの変調周波数がこの
条件を満足するために必要とされる。ωｍτ＝πでは、
ベッセル関数の最大値は変調振幅φ０＝0.92radで得ら
れる。もちろん、相応により低い位相振幅を与えること
により、より低い変調周波数でパワーを最大化すること
も可能である。ここに説明する設計は上記の条件、すな
わちωｍτ＝π及びφ０＝0.92radに基づいている。加
えて、検出コイルの長さは、条件ωｍτ＝πを満足する
周波数が100kHzであるように1kmに選定される。
本発明の振動する変調器に対しては、変調振幅φ０は下
式により与えられる。
式により与えられる。
φ０＝（２π2Nd2/λｃ）θｍωｍ ここで、Ｎ＝変調器コイルのターン数 ｄ＝変調器コイルの直径 λ＝ベースソースにより放射される光の波長 ｃ＝光の速度 θｍ＝変調器コイルの振動の振幅 ｄ＝5cm、λ＝0.85μｍ及びωｍ＝100kHzに対して、上
記の式はφ０＝126Nθｍを与える。もしφ０＝0.92rad
が必要とされるならば、積Ｎθｍの必要条件は Ｎθｍ＝7.3×10-4rad となる。
記の式はφ０＝126Nθｍを与える。もしφ０＝0.92rad
が必要とされるならば、積Ｎθｍの必要条件は Ｎθｍ＝7.3×10-4rad となる。
第４図の“スポーク・プッシャー”変調器を参照する
と、、エキスパンダー・バーは市販品として入手可能な
セラミックス（例えばオハイオ州ベッドフォードのバー
ニトロン・ピエゾエレクトリック・ディビジョンにより
PZT−5Hと呼ばれる材料）から製造され得る。長さｌ
（単位:m）のPZT−5Hの薄いバーに対して、共振周波数
ｆ（単位:Hz）はｆ＝1420/lにより与えられる。従っ
て、長さ1.42cmのバーは、変調器に対して望ましい周波
数である100kHzの共振周波数を有する。長さｌ及び厚み
ｔのPZTバーに対して、共振周波数に於いて与えられた
電圧Ｖに起因する長さｌの変化は下式から決定される。
と、、エキスパンダー・バーは市販品として入手可能な
セラミックス（例えばオハイオ州ベッドフォードのバー
ニトロン・ピエゾエレクトリック・ディビジョンにより
PZT−5Hと呼ばれる材料）から製造され得る。長さｌ
（単位:m）のPZT−5Hの薄いバーに対して、共振周波数
ｆ（単位:Hz）はｆ＝1420/lにより与えられる。従っ
て、長さ1.42cmのバーは、変調器に対して望ましい周波
数である100kHzの共振周波数を有する。長さｌ及び厚み
ｔのPZTバーに対して、共振周波数に於いて与えられた
電圧Ｖに起因する長さｌの変化は下式から決定される。
Δｌ＝Qd31（l/t）Ｖ ここで、d31は横断電圧に起因する直線状膨張に対する
圧電定数、またＱは共振バーの機械的Ｑである。もしア
クチベータ102、104が第４図中に示されているようにス
ポークの中央に配置されているならば、バーの運動は周
囲の於ける２の係数により乗算される。従って、変調振
幅θｍは下式により見出される。
圧電定数、またＱは共振バーの機械的Ｑである。もしア
クチベータ102、104が第４図中に示されているようにス
ポークの中央に配置されているならば、バーの運動は周
囲の於ける２の係数により乗算される。従って、変調振
幅θｍは下式により見出される。
θｍ＝4Q（d31l/dt）Ｖ ここで、Ｑ＝PZTバーの機械的Ｑ d31＝PZTバーの圧電定数 ｌ＝PZTバーの長さ ｔ＝PZTバーの厚み ｄ＝変調器コイルの直径 Ｖ＝PZTバーに与えられる駆動電圧 先に導かれた必要条件Ｎθｍ＝7.3×10-4radに上記のθ
ｍを代入し、またメーカーにより発表されているPZT−5
H（d31＝274×10-12m/V）のＱの値、Ｑ＝65、を使用す
ると、厚み0.079cmの長さ1.42cmのバーに対しては、も
し変調器上のターン数Ｎと駆動電圧Ｖとの積が関係 NV＝286 を満足するならば、所棒の変調器性能が得られることが
見出される。
ｍを代入し、またメーカーにより発表されているPZT−5
H（d31＝274×10-12m/V）のＱの値、Ｑ＝65、を使用す
ると、厚み0.079cmの長さ1.42cmのバーに対しては、も
し変調器上のターン数Ｎと駆動電圧Ｖとの積が関係 NV＝286 を満足するならば、所棒の変調器性能が得られることが
見出される。
このことは、例えば10ターンのファイバ及び28.6Vの駆
動電圧により容易に達成される。現在市販品として入手
可能なベンダー板では、第１図及び第２図に示されてい
る変調器は低い周波数での駆動にのみ適している。例と
して、バーニトロンPZT−5Bに対しては、ベンダー板の
共振周波数は下式により与えられる。
動電圧により容易に達成される。現在市販品として入手
可能なベンダー板では、第１図及び第２図に示されてい
る変調器は低い周波数での駆動にのみ適している。例と
して、バーニトロンPZT−5Bに対しては、ベンダー板の
共振周波数は下式により与えられる。
fr＝43.18t/l2〔kHz〕 ここで、ｌは板の長さ、またｔは板の厚みである（単
位:cm）。（オハイオ州ベッドフォードのバーニトロン
・ピエゾエレクトリック・ディビジョンのエンジニアリ
ングレポートTP237参照）。厚み0.07938cm、長さ2.54cm
の板に対しては、共振周波数は約530Hzである。しか
し、より高い共振周波数を有する板が、このような板の
変位が減ぜられる設定駆動電圧に対して設計され得る。
それにもかかわらず、この変調器は低い周波数又は低い
変調振幅が適当であるコアに使用され得る。
位:cm）。（オハイオ州ベッドフォードのバーニトロン
・ピエゾエレクトリック・ディビジョンのエンジニアリ
ングレポートTP237参照）。厚み0.07938cm、長さ2.54cm
の板に対しては、共振周波数は約530Hzである。しか
し、より高い共振周波数を有する板が、このような板の
変位が減ぜられる設定駆動電圧に対して設計され得る。
それにもかかわらず、この変調器は低い周波数又は低い
変調振幅が適当であるコアに使用され得る。
以上に於ては本発明を特定の好ましい実施例について説
明してきたが、本発明はこれらの実施例に限定されれも
のではなく、本発明の範囲内にて種々の実施例が可能で
あることは当業者にとって明らかであろう。
明してきたが、本発明はこれらの実施例に限定されれも
のではなく、本発明の範囲内にて種々の実施例が可能で
あることは当業者にとって明らかであろう。
第１図は検出ループの一部分を振動させられる本発明に
よる光ファイバ回転センサの簡単化されたブロック図で
ある。 第２図は本発明による変調器の簡単化された平面図であ
る。 第３図は第２図の変調器の斜視図である。 第４図は本発明による他の変調器の簡単化された平面図
である。 10……サニャック回転センサ、12……位相変調器、14…
…ハブ、16……中心軸線、18……光源、20……光ファイ
バ、22……結合器、24……偏光器、26……結合器、28、
30……一対の光ファイバ、32……ファイバ検出コイル、
36……光ファイバ、38……固体検出器、40……変調器ド
ライバ、46……ロックイン増幅器、60……ファイバコイ
ル、62〜68……積層圧電性ベンダー板、76……電極パッ
ド、80……型、92〜98……スポーク、102、104……圧電
性エキスパンダー
よる光ファイバ回転センサの簡単化されたブロック図で
ある。 第２図は本発明による変調器の簡単化された平面図であ
る。 第３図は第２図の変調器の斜視図である。 第４図は本発明による他の変調器の簡単化された平面図
である。 10……サニャック回転センサ、12……位相変調器、14…
…ハブ、16……中心軸線、18……光源、20……光ファイ
バ、22……結合器、24……偏光器、26……結合器、28、
30……一対の光ファイバ、32……ファイバ検出コイル、
36……光ファイバ、38……固体検出器、40……変調器ド
ライバ、46……ロックイン増幅器、60……ファイバコイ
ル、62〜68……積層圧電性ベンダー板、76……電極パッ
ド、80……型、92〜98……スポーク、102、104……圧電
性エキスパンダー
Claims (3)
- 【請求項１】サニャック干渉計を使用して回転速度を測
定するための方法に於いて、 少なくとも一部分が検出コイルとして使用するための光
ファイバの第一のコイルから成る光ファイバ光路に沿っ
て相反方向に伝播するコヒーレント光ビームを生じさせ
る過程と、 サニャック効果により回転速度と共に変化する強度を有
する干渉出力信号を生じさせるべく、相反方向に伝播す
るビームを再結合させるための手段を設ける過程と、 変調器コイルとして使用するため、第一のコイルの一端
の付近の相反方向に伝播するビームの光路内に配置され
ており、第一のコイルに無関係に自由に回転し得る光フ
ァイバの分離した第二のコイルを設ける過程と、 回転速度情報を含む出力信号の強度が振動の周波数で変
調されるように、相反方向に伝播するビームの間に時間
的に変化する位相シフトを生じさせるため、第二のコイ
ルを振動させる過程と、 干渉出力信号を検出し且つそれを示す電気的出力信号を
得る過程と、 回転速度を示す信号を再現させるべく電気的出力信号を
復調す過程と を含んでいることを特徴とするサニャック干渉計による
回転速度の測定方法。 - 【請求項２】サニャック干渉計を使用して光学的に回転
速度を測定するための装置に於いて、 検出コイルとして使用するための光ファイバの第一のコ
イルと、 少なくとも一部分が光ファイバの第一のコイルから成る
光ファイバ光路に沿って相反方向に伝播するコヒーレン
ト光ビームを生じさせるための手段と、 サニャック効果により回転速度と共に変化する強度を有
する干渉出力信号を生じさせるべく、相反方向に伝播す
るビームを再結合させるための手段と、 変調器コイルとして使用するため、第一のコイルの一端
の付近の相反方向に伝播するビームの光路内に配置され
ており、第一のコイルに無関係に自由に回転し得る光フ
ァイバの分離した第二のコイルと、 回転速度情報を含む出力信号の強度が振動の周波数で変
調されるように、相反方向に伝播するビームの間に時間
的に変化する位相シフトを生じさせるため、第二のコイ
ルを振動させるための手段と、 干渉出力信号を示す電気的出力信号を得るため、干渉出
力信号に応答する検出手段と、 回転速度を示す信号を再現させるべく電気的出力信号を
復調するため、電気的出力信号に応答する電子的手段と を含んでいることを特徴とするサニャック干渉計による
回転速度の測定装置。 - 【請求項３】光ファイバ振動子に於いて、 軸線を有する剛固な支持ハブと、 圧電効果により誘発される運動力に応答して機械的に同
期して曲がるべく、ハブ軸線から半径方向に外方に延び
ているスポークと、 サニャック干渉計の光路の一部分であり、位相差変調を
行うためハブ軸線の回りを回転して振動させられるよう
に、スポークの外側の回りにリム状に巻き付けられて、
それに取り付けられている光ファイバと を含んでいることを特徴とする光ファイバ振動子。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US06/799,780 US4786173A (en) | 1985-11-21 | 1985-11-21 | Method and apparatus for phase modulating a fiber-optic rotation sensor |
| US799780 | 1985-11-21 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62135719A JPS62135719A (ja) | 1987-06-18 |
| JPH0778430B2 true JPH0778430B2 (ja) | 1995-08-23 |
Family
ID=25176727
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61277795A Expired - Lifetime JPH0778430B2 (ja) | 1985-11-21 | 1986-11-20 | サニヤツク干渉計による回転速度の測定方法及び装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4786173A (ja) |
| EP (1) | EP0223730B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0778430B2 (ja) |
| DE (1) | DE3685092D1 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04106413A (ja) * | 1990-08-27 | 1992-04-08 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 光フアイバジヤイロの信号処理方式 |
| RU94027291A (ru) * | 1991-11-25 | 1996-06-20 | Ханивелл Инк. (Us) | Волоконнооптическая катушка, способ ее намотки и многослойная катушка |
| DE4209099C1 (en) * | 1992-03-20 | 1993-07-15 | Teldix Gmbh, 6900 Heidelberg, De | Rotation rate detector for fibre ring interferometer output signal - contains parallel signal derivation branches and correction element controlled by deviation signal |
| US5739944A (en) * | 1996-10-28 | 1998-04-14 | Kvh Industries, Inc. | Support system for resonating element of phase modulator |
| US6775435B1 (en) * | 1999-11-01 | 2004-08-10 | Oplink Communications, Inc. | Wavelength interleaver |
| CN106633062B (zh) | 2016-12-30 | 2018-12-28 | 浙江新和成特种材料有限公司 | 一种低氯含量的聚苯硫醚及其制备方法、树脂组合物和成形体 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2471583A1 (fr) * | 1979-12-14 | 1981-06-19 | Thomson Csf | Procede et dispositif de modulation de la phase des ondes circulant dans un interferometre en anneau |
| US4314174A (en) * | 1980-03-25 | 1982-02-02 | Litton Systems, Inc. | Piezoelectric transducer drive having temperature compensation |
-
1985
- 1985-11-21 US US06/799,780 patent/US4786173A/en not_active Expired - Lifetime
-
1986
- 1986-11-13 EP EP86630170A patent/EP0223730B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1986-11-13 DE DE8686630170T patent/DE3685092D1/de not_active Expired - Fee Related
- 1986-11-20 JP JP61277795A patent/JPH0778430B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US4786173A (en) | 1988-11-22 |
| DE3685092D1 (de) | 1992-06-04 |
| EP0223730A3 (en) | 1988-08-03 |
| EP0223730A2 (en) | 1987-05-27 |
| JPS62135719A (ja) | 1987-06-18 |
| EP0223730B1 (en) | 1992-04-29 |
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