JPS6211112A - サニヤツク干渉計感知装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明はサニヤック干渉計に基く光フアイバセンサに関
する。

従来の技術 サニヤック干渉計の原理に基く、例えば旋回率や音波を
感知する様々なセンナが公知である。

サニヤック干渉計の原理を用いた光フアイバセンサは極
めて高感度で本質的に安価な、また様々な用途に適合で
きる装置であることが示されている。光ファイバ１ナニ
ャツク干渉３１旋回率センサは本質的に安価で体積が小
さく、また可動部分が存在していないため産業目的及び
軍事目的の使用が増大している。マツハーゼンダー干渉
計の原理に閃く光フアイバ音響センサは高感度であり、
また電磁妨害に強く、幾何学的形状が多様で、また寸法
が小さい利点がある。しかし、サニヤック干渉ｇ１は別
の、特に高周波信号の検出に適した干渉計音響センサを
提供する。

基本的な受動サニヤック光フアイバ干渉計はビームスプ
リッタに入射して２つの同等な部分に分割されるコヒー
レント光を出力づ−るレーザ光源を含む。これらのビー
ムは次いで複数回巻かれた適当な長さと半径の光フアイ
バコイルの両端に結合される。光ビームはコイルを巡っ
て互いに逆方向に伝播し、ビームスプリッタで再結合し
て出力部に干渉を生じる。測定したい現象が出力ビーム
間に位相の変化を生起するならば出力部の強度が位相差
の変化に従って変化する。

サニヤック干渉計は非相補的効果、すなわち光の伝播方
向に依存する効果を測定する。両ビームに同等に作用す
る相補的効果は干渉によって打消され、現われない。こ
れに対し、非相補的な位相変位は互いに加痺される。

干渉計の出力は対向して伝播するビームの位相差の余弦
に従って変化する。この位相差は非相補的効果に起因す
る。位相差が１口である場合、余弦曲線のピークで動作
することになるので感度もゼロである。従って小さな位
相差に対する感度は低い。測定する現象による位相差が
余弦曲線ピークからさらにずれると感度は増大し、イひ
相差が余弦曲線の急斜面に対応する９０’点に達すると
最大になる。

発明が解決しようとする問題点 そこで、従来技術では９０’非相補的位相変位をいかに
実行するかが問題であった。これは従来ファラデーセル
あるいは周波数変位器を用いて直接的に行なわれていた
。

広く用いられる方法は時間的に変化する相補的位相変位
をコイルの非対称位置（例えばその一端）などに導入す
ることである。時間領域においてかかる装置は非相補的
効果を有する。位相変調器は単にファイバを圧電シリン
ダの回りに巻きつけて、その半径が電気的に変化される
ことでファイバ環が変化するように構成されている。

これら、光フアイバ干渉計における感度の問題を解決す
るための技術はいずれも様々な望ましくない副次効果を
伴なう。例えばファラデーセルを供用するとファイバ以
外の別の部品をループ中に挿入せねばならず、このため
構成が複雑になり、それに伴なって余計な非相補的効果
が生じる。同様に、圧電チューブ技術はファイバを圧縮
したり歪ませたりするので経時的にファイバ内に生じる
弾力性の消失によりファイバの極限的性質に影響を生じ
る。

本発明はあらゆる光ファイバ干渉計センサに生じる感度
の問題を基本となるセンサにそれ以外の部品を付は加え
ることなく解決することを目的とする。

問題点を解決するための手段 本発明による受動サニヤック干渉計では対向して伝播す
る光ビームが辿る経路長の差を変調すべく機械的に振動
され、これにより時間と共に変化する非相補的位相変位
が発生され、その結果干渉計出力信号の強度が機械的振
動の周波数と関係した周波数で変調される。この機械的
振動により生じた周波数成分をＰ波技術を用いて除去す
ることにより、サニヤック干渉計に特有な小信号に対す
る感度の問題が基本になる干渉計に部品を追加すること
なく解決される。

本発明によるサニヤック干渉側は基部内のプラットホー
ムに取付けられる。プラットホームには基部に対する所
定の軸の回りでこれを機械的に振動させる手段が設けら
れる。振動手段は変調される対向して伝播するビームが
辿る経路に差を生じる。その結果、時間と共に変化する
非相補的な位相変位がビーム間に生じる。これは一方干
渉計出力信号強度をこの機械的振動に関係した周波数で
変調する。測定したい現象についての情報は変調周波数
の高周波出力内に含まれる。同期復調あるいはデジダル
信号処理など適当な検出技術によりこの情報を復元する
ことができる。

本発明では感知コイル内で不要なファイバ部品を使用し
ない。すなわち、コイル内の要素を制御したりバイアス
する必要がないので構成が簡単になる。同様に、本発明
では経路長を圧電形ｖｔ置で変調する場合のようなファ
イバに応力を加えたり歪ませたりする過程がない。そこ
でコイル内側の空間は必要最少限の構成部品、すなわち
光源、ビームスプリッタ／結合器、偏光子、検出器及び
増幅器のために自由に使え、これにより従来生じていた
偶発的な有害な非相補的効果が最少限に押えられる。

干渉計外に位相変調器を設けることにより、現在の位相
変調ないし周波数偏移技術で可能なより高いレベルの相
補性が得られる。本干渉計はループ内に余計な部品が設
けられないため最小の形状をとることができる（回転検
知器の場合は干渉計は内部信号ではなく測定されている
現象をバイアスし、その際精度を低下させる中間的パラ
メータの測定は回避される）。本発明による干渉訓は構
成が簡単で、高い精度が達成可能で、内部接続が最小で
、また保守が容易になる利点を有する。

さらに、従来問題であった位相の変調を独立に測定する
問題も既存の運動検出技術を用いて解決される。また、
変調周波数はファイバコイルを巡る伝播遅延に対して独
立になる。このため回転振幅／変調周波数のトレードオ
フが可能になる。

実施例 本発明によるこれらのまた他の目的、技術及び利点は以
下の好ましい実施例の説明及び図面より明らかとなろう
。

干渉計は波（例えば光）の干渉性を利用した装置である
。ある種の現象についての情報を干渉測定から導出する
ことができる。

第２Ａ図を参照するに、サニヤック干渉ｆｉｔ　１０は
同一周波数の２つの対向する光ビームが伝播する一の閉
路１２を有する。光は光ファイバ入力ライン１４に入り
、結合器１６（ビームスプリッタと同等）で分割され、
その結果半分の強度の光が閉路１２中を各々の方向に向
って巡る。閉路１２は複数回巻かれた光ファイバを含む
ルーフ１８を含む。戻ってきたビームは結合器１６で再
び結合され、問題とする干渉を含む出力が光ファイバ２
０に出力される。

サニヤック干渉計で測定したい興味ある現象には回転や
音波による振動などが含まれ、これらは−のご−ムに対
する他のビームの経路に変化を誘起する。その結果、測
定する現象の変化に関係した強度の出力が干渉計に生じ
る。

例えば回転センサでは第２Ａ図の干渉計光フアイバコイ
ル１８の面に垂直な成分を有する軸の回りで回転する。

第２Ａ図では垂直成分軸２６は図の紙面に垂直に示され
ており、干渉区１は角速度（Ω）２８で示すこの軸の回
りの回転成分を有する。回転により、対向して回転・伝
播するビームの有効経路長は変化する。第２Ａ図で時計
回り方向へのビームの経路長は光フォトンがコイル長に
ビーム伝播時間内にコイルが回転した距離を加算した距
離を伝播せねばならないことがら増大する。

回転方向に対して逆向きの方向では光はコイル長からコ
イルがビーム伝播時間内に回転した距離を減算した距離
だけ伝播する。時計回り及び反時計回り方向での経路長
差は回転距離の二倍、あるいは で表わされる。ただし、 Ｌ　＝全ファイバ長、 Ｄ　＝コイル径、 Δ　Ｌ＝時計回り及び反時計回り方向での光路長の錘、 ω　−人力角速度、 Ｃ＝光速、 Ｌ／Ｃ＝回転していないコイルの長さを伝播するに要す
る時間、 Ｄ／２＝コイル半径、また ｎ　＝ファイバコアの屈折率である。

これに対応してコイルから出射する反時区１回り方向及
び時３１回り方向の光ビーム間の位相差はで与えられる
。ここでλは光源の波長である。

そこで、出射する光ビーム間の位相角は入力角速度ωに
比例することがわかる。この点で本発明による干渉計は
位相角が入力旋回率の積分に比例するリングレーザジＶ
イロ共振器と異なる。そこで光フアイバ回転セン１ノは
「旋回率ジャイロ」と称され、一方レーザジャイロは［
旋回率積分ジトイＯ」と称される。これら２つの旋回率
センサの他の゛重要な差は、レー脣アジャイロのビーム
周波数はレーザの自己共振のため入力旋回率に比例して
互いに変化されることである。一方光ファイバ旋回率セ
ンサ中の対向して回転するビームの周波数は旋回率が加
わっても一定に維持される。

第２Δ図の光検出器３０は対向して回転するビーム闇の
位相変位を感知するのに使われる。検出器位置での位相
変位因子を含む結合ビーム強度はΔφ＝０で最大値、ま
たΔφ＝πで最小値（０）をとる強度を有する。そこで
、光検出器出力はＣＯ３２（Δθ／２）に略比例して変
化する。これを第３（ａ）図に示す。小さなサニヤック
位相変位（ΔφＳ）では曲線の勾配、従って小信号測定
についての感度はゼロである。この結果、あらゆる光フ
アイバ干渉計で生じる感度ないし「直角位相」の問題が
現れる。しかし、９０’の非相補的位相変位を導入する
ことで９０’位相変位した出力曲線が得られ、第３（ｂ
）図に示すように小入力信号に対する感度は最大になる
。このため従来技術の課題は９０°の非相補的位相変位
を実行することにあった。これはファラデーセルの使用
により、あるいは時間と共に変化する相補的位相変位を
ファイバループ中に非対称的に誘起することで、あるい
は入力結合器の幾何学的形状を変化させることでなされ
、これらは全て公知の方法である。しかし、これら技術
は余分な非相補的効果を生じやすいループ内を複雑にす
る余計な部品を導入する点を初めとして様々な問題点を
有している。

第２Ｂ図に本発明による相補形オールファイバサニヤッ
ク干渉計の１ｍ素化された最小限の構成を示す。これは
光源４０と、モードＰ波器４２と、光フアイバコイル４
４と、検出器４６とを含む。

また一対の、ビームを分割しまた結合するスプリッタ／
結合Ｚ４８．５０がさらに示しである。また測定する現
象１例えば入力変化率（Ω）をさらに軸５２の回りを回
転する入力信号として示しである。

本発明の教示は、この感度が低いことによる問題は干渉
計本体に外部から光フアイバループ面に垂直な方向の軸
の回りで機械的に回転運動をする振動を加え、サニヤッ
ク位相変位を変調１”ること“　　で解決できる点にあ
る。

この変調された位相変位は光検出器に機械的振動周波数
に関係した周波数の出力強度を生じる。

この変調周波数は一波することができる。小入力信号に
ついて、一波の後でもその強度がゼロに等しい場合は干
渉計が実際に変調加速度以外の入力信号を全く受けてい
ないことが確信をもって結論できる。このようにして小
入力信号に対する感度の問題を回避することができる。

第４図を参照するに、光検出器３０で検出される第２Ａ
図のライン２０上の結合ビームの出力強度は強度（１０
）を縦軸６２、位相差（Δφ）を横軸６４とした座標系
上の正弦関数６０で表わされる。示した正弦関数は位相
差ゼロの点で感度ゼロ、ずなわち勾配がゼロになってい
る。第３（ｂ）図に関連して説明したように、従来の技
術ではこの領域で感度が低下する問題を９０’位相差を
導入し、ゼロ入力で感度が最大になるように構成するこ
とにより解決せんとしていた。しかし、本発明の教示す
る方法では、ファイバコイルの面に垂直な軸の回りに機
械的振動運動が加えられ、これにより位相差が変調され
る。そこで、第４図において干渉訓は波形６６で示され
た外部から加えられる機械的撮動以外は入力信号がゼロ
であると仮定されている。この波形６６は、干渉計に加
えられ、また平均するとゼロになる位相差に対する効果
を右する変調角（θ）を振幅とした時間プロットである
。そこで位相差プロット上に示した出力強度（Ｉｏ）は
加えられた角度変調振幅に従って２煮干ａと−ａとの間
を周期的に振動する。時間領域ではこれは波形６８で示
したように時間に対する出力強度（Ｉｏ）のブロン１〜
で表わされ、その波形６８は入力振動正弦関数と干渉ｔ
１の強度特性正弦関数との相互作用のため入力振幅変調
の倍の周波数を有する。干渉８１に位相差変調を導入す
る方法の利点は、感度が通常ゼロである入力ゼロの状態
で加えられる小さな入力信号を位相差変調により重畳さ
れる周波数成分を使用することで容易に検出できること
である。すなわち、干渉計へ入力信号が全く加えられて
いなければ出力強度は重畳正弦関数出力の強度変化をＰ
波した後ではゼロになる。これがゼロ入力信号に対する
真の指釦となる。ゼロ入力信号からのわずかな変化は強
度の真の小さな変化として現われる。このように、小信
号時の感度の問題は位相の変調、すなわち２つのビーム
間の経路長差による位相に変調を導入することで解決さ
れる。機械的に振動される干渉Ｂ１の利点は既に機械的
ディザ−を受けるリングレーザ干渉計で確立されている
信号処理技術と同一の信号処理技術を使えることである
。

第５図を参照するに、ゼロより大なる入力信号を加えら
れている干渉計で測定される出力強度を波形７０で示す
。機械的振動により加えられる角度変調の振幅は同じま
まだが位相差＠６４上の変調位置は位相差変調が−Ｃ点
と＋６点との間で生じるように変位している。このよう
にゼロでない入力信号成分が時間に対してプロットした
出力強度曲線上に現われる。この強度変化をＰ波すると
ゼロでない大きざの（−ｄ）、入力信号の大きざを表わ
す信号が残る。

外部から加えられる機械的振動による変位角は時間の関
数（０ｍ（ｊ））として表わせる。すなわち、 ０ｍ　（ｊ）−θｍｏｓｉｎ（ωｍｉ）外部から加えら
れる機械的振動を除き静止している旋回率感知干渉計を
考えると、時間の関数として表わした旋回率（０ｍ（ｊ
＞）は角度変調の変化率の微分に等しい。そこで ＝ωｍθｍｏｃｋｓ（ωＴｎｔ） となる。この表現を光に導いたサニヤック位相変位の表
現に代入するとサニヤック位相変位の表現が時間の関数
として次のように得られる：Δφｍｓ　　（ｊ） 一士旦−ＬＲ（Ｚ）ｍθ、　、　ｃｏｓ、（ｏＪｍ　ｔ
　）Ｃ２０ 第１図はプラットホーム１０２に取付けられて基部１０
４に対して振動されるサニＶツク干渉計１００を示す。

干渉計１００の基部１０４に関する回転はプラットホー
ム１０２を通る軸１０６の回りで実行される。プラット
ホームは比較的硬いが入力軸の回りで所望の周波数の振
動を生じる望ましい機械的振動を生じる柔軟さも有して
いる。

圧電変換器１０８が基部取付部１１０に取付けられる。

変換器駆動回路１１２が圧電変換器１０８を基部取付部
１１０に対して駆動させ、干渉計をプラットホーム軸１
０６の回りで振動させる。プラットホーム１０２の弾性
のため、所望の周波数及び振幅がプラットホームに過度
のひずみを生じることな（得られる。選択自由なセンサ
１１４は必要な場合にループを閉じるため、加えられた
振動運動の大きさを検出する目的で設けられる。これは
ライン１１６上の帰還信号をループが開いている場合あ
るいは閉じている場合に変換器駆動回路を制御する電子
／信号ブロセッ勺モジール１１８へ供給することでなさ
れる。勿論変換器が圧電変換器である必要はないことに
注意すべきである。

同様に経路長差に変調を加える手段と方法、ずなわち機
械的振動を加える手段及び方法は所望の効果、すなわち
経路長差の変調が実行されるーｂのである限り本質的要
素ではない。以上、機械的振動技術を抽象的に説明した
が、干渉計に機械的振動を加えるには多くの異なった方
法が可能であり、これらは第１図に示した方法から大き
く異なるものであってもよい。本発明の要旨及び教示は
測定面、すなわち経路差を変調する機械的振動に関する
。そこで本発明のこの目的を実行するあらゆる機械的技
術が本発明の思想範囲に含まれる。勿論第１図の干渉ｆ
ｆ＋　１００はナニャツク光路１２０゜光フアイバ接続
部１２４により光路に接続された光源１２２．及び同様
に光フアイバ接続部１２８により光路に接続された検出
器１２６とを含んでいる。光源１２２は電子／信号プロ
セッサ１１８により制御される。検出３１２６の出力は
ライン１２９に供給され、信号プロセッサ１１８で処理
され、干渉１１００に入力される旋回率を表わ１゛デ一
タ出力信号１３０が出力される。前記のＰ波過程が電子
／信号プロセッサ１１８内、あるいはＰ波器１３１内で
行なわれる。−波の後残った信号が真の入力旋回率を表
わす。

以上、第１図のサニｔ・ツタ干渉計を回転センサとして
説明した。しかしこれはあらゆる形のサニヤックセンサ
に同様に応用可能であることを理解すべきである。従っ
て、本発明は本発明の詳細な説明するために特に選んだ
図示の回転センサに限定されることはない。例えば光音
響センサを開示している米国特許第４．３７５．６８０
号を参照されたい。

第１図の基部取付部１１０及び変換器１０８を第６図に
より詳細に示す。図示したように、変換器１０８の厚さ
方向の変化が干渉計１００を軸１０６の回りで矢印１３
６．１３８で示したように回転させる。

以上、本発明を最も好ましい実施例について説明したが
、様々な変更、省略、あるいは削除が本発明の要旨内で
可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるサニヤック干渉用装置のブロック
系統図、第２Ａ図はサニヤック干渉削を単純化して示す
図、第２Ｂ図は相補的オールファイバリニヤツク干渉計
の最少限の構成を単純化して示す図、第３（ａ）図はサ
ニヤック干渉計で周期的に生じる感度低下の問題を示す
図、第３（ｂ）図はループに９０°非相補的位相変位固
定バイアスを導入することにより感度が最大化されたサ
ニヤック干渉計出力を示す図、第４図は本発明技術の例
として、測定している現象の真の大きさを示す聞を得る
ために後でＰ波して除去される正弦波機械振動による変
調位相変位が干渉計出力強度に加えられる様子を示す図
、第５図は例えば旋回率などの入力信号が加えられた状
態を示す第４図と同様の図、また第６図は変調軸の回り
での回転をより詳細に示す、第１図中の変調器及び基部
取付部を示す平面図である。 １０．１００・・・サニヤック干渉計、１２・・・閉路
、１４・・・光ファイバ入力ライン、１６・・・結合器
（ビームスプリッタ）、１８・・・光フアイバループ（
コイル）、２０・・・光ファイバ出力ライン、２６゜５
２、．１０６・・・回転軸、２８・・・角速度（Ω）、
３０・・・光検出器、４０．１２２・・・光源、４２・
・・モードル波器、４４・・・光フアイバコイル、４６
゜１２６・・・検出器、４８．５０・・・ビームスプリ
ッタ／結合器、６０・・・正弦関数、６２・・・縦軸、
６４・・・横＠（位相差軸）、６６．６８・・−波形、
１０２・・・プラットホーム、１０４・・・基部、１０
８・・・圧電変換器、１１０・・・基部取付部、１１２
・・・変換器駆動回路、１１４・・・センサ、１１６・
・・ライン、１１８・・・電子／信号プロセッサ、１２
０・・・サニヤック光路、１２４，１２８・・・光フア
イバ接続部、１２９・・・ライン、１３０・・・データ
出力信号、１３１・・・Ｐ波器、１３６，１３８・・・
回転方向。 図面の浄書（内容に変更なし） ＦＩＧ、２Ａ ＦＩＧ、２８ ｐ ＦＩＧ　３ 手続ネ市正書 昭和６１年　７月１０日 特許庁長官　　宇　賀　道　部　殿 １、事件の表示 昭和６１年　特許願　第１１２４２２号２、発明の名称 サニヤック干渉計感知装置 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住　所　アメリカ合衆国　コネテイカット　０６１０１
ハートフオード　ファイナンシャル　プラザ　１番地名
　称　ユナイテッド　チクノロシーズ　コーポレーショ
ン代表者　ドミニク　ジェイ　シャンデラ４、代理人 住　所　〒１０２　　東京都千代田区麹町５丁目７番地
６、補正の対象 図面。 ７、補正の内容 図面の浄書（内容に変更なし）を別紙のとおり補充する
。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）対向して伝播する光ビームが辿る、測定する現象
   の変化に従ってその有効路長が両ビームで変化する一の
   光路を有し、該有効路長の差に従って強度が変化する信
   号を出力するサニャック干渉計と； 基部と； 該基部に取付けられる、該干渉計が取付けられる弾性プ
   ラットホームとよりなり； 該プラットホームを該基部に対して機械的に振動させて
   該対向して伝播するビームが辿る路長差を変調し、これ
   により該ビーム間に時間と共に変化する非相補的位相変
   位を形成し（サニャック効果により）、もって該出力信
   号を該機械的振動に関係した周波数で変調することを特
   徴とする現象の変化を測定する装置。
2. （２）該振動している干渉計の強度が変調された干渉計
   出力信号に対応して、該出力信号から該路長差の変調に
   より該変調出力信号に導入された周波数成分をろ波する
   ろ波手段をさらに有することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の装置。