(57)【要約】【課題】一方の発光・受光系の光源などが故障しても、もう一方の発光・受光系に切り換えてセンシングが行えるサニャック干渉型センサを提供する。【解決手段】センシングファイバループ１０に対し、検出用の光を発光すると共に、センシングファイバループ１０からの戻り光を受光する二系統の第１，２の発光・受光系（ 光源１，５、受光器２，６、光カプラ３，７、偏光子４，８を有する）を設ける。偏光子４及び偏光子８と、センシングファイバループ１０の両端部との間を偏波保持光カプラで分岐・結合する。偏光子４、偏光子８からの直線偏光の偏光方位を、偏波保持光カプラ９の直交するＸ，Ｙ偏光軸に、それぞれ一致させて接続する。信号処理部１３のスイッチ１６により、光源１及び受光器２と、光源５及び受光器６との接続を選択的に切り換えることで、一方の発光・受光系の光源などに不良・故障が生じても、もう一方の発光・受光系に切り換えてセンシングを続行できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光源及び第１の受光器と、第１の偏光子との間で光を分岐・結合する第１の光カプラと、
第２の光源及び第２の受光器と、第２の偏光子との間で光を分岐・結合する第２の光カプラと、
前記第１の偏光子及び前記第２の偏光子と、位相変調器を含むセンシングファイバループの両端部との間で光を分岐・結合する偏波保持光カプラと、
前記第１の光源、前記第２の光源を駆動する駆動電流を出力すると共に、前記第１の受光器、前記第２の受光器で受光され光電変換された電気信号が入力される信号処理部とを備え、
前記信号処理部は、前記第１の光源及び前記第１の受光器と、前記第２の光源及び前記第２の受光器との接続を選択的に切り換える切換手段を有し、
前記偏波保持光カプラには、前記第１の偏光子からの直線偏光と前記第２の偏光子からの直線偏光とが、前記偏波保持光カプラの前記第１，第２の偏光子側の２つのポートのうち、一方の前記ポートのＸ偏光軸に偏光方位が一致するように接続されると共に、他方の前記ポートのＸ偏光軸と直交するＹ偏光軸に偏光方位が一致するように接続されていることを特徴とするサニャック干渉型センサ。
【請求項２】
前記信号処理部は、前記第１又は第２の光源の不良を、前記第１又は第２の光源の出力モニタ用フォトダイオードの出力、前記第１又は第２の受光器からの電気信号、或いは前記第１又は第２の光源を駆動する駆動電流から判定して、前記切換手段の切換制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のサニャック干渉型センサ。
【請求項３】
前記第１及び第２の光カプラ、前記第１及び第２の偏光子、前記位相変調器、前記偏波保持光カプラ、前記センシングファイバループ及びこれらの光学素子を接続する接続用光ファイバを、偏波保持光ファイバを用いた光ファイバ型素子又は偏波保持光ファイバで構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載のサニャック干渉型センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サニャック干渉系を用いて角速度・振動・電流などを検出するサニャック干渉型センサに関し、特に、一方の発光・受光系の光源などが故障しても、もう一方の発光・受光系に切り換えてセンシングが行えるサニャック干渉型センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバをループ状にしたセンシングファイバを用い、センシングファイバに２つの光を逆方向に周回させた後、それら２つの光の干渉光の強度から、角速度・振動・変位・電流・圧力などを検出するサニャック干渉型センサが知られている。
【０００３】
サニャック干渉型センサとして、サニャック効果を利用して角速度を検出する光ジャイロ（例えば、非特許文献１参照）、振動によって生じる光ファイバの長さ・屈折率の変化を干渉光の強度変化として振動を検出する振動センサ（例えば、非特許文献２参照）、電流によって生じる磁場からファラデー効果を利用して電流値を検出する電流センサ（例えば、非特許文献３参照）などが提案され実用化されている。
【０００４】
図２（Ａ）には、従来の光ジャイロを示す。この光ジャイロは、光源２１より出射し、第１の光カプラ２２、偏光子２３、第２の光カプラ２４を順次伝搬して、第２の光カプラ２４で分岐された２つの光を、位相変調器２５を含む光ファイバコイル２６に左・右回り（時計回りｃｗ、反時計回りｃｃｗ）に入射し、それらの戻り光を第２の光カプラ２４で結合し、結合された干渉光を偏光子２３、第１の光カプラ２２を介して受光器２７で受光する。受光器２７で受光され光電変換された電気信号は、信号処理ユニット２８に入力され、入力された電気信号の強度から光ファイバコイル２６設置部の角速度が検出される。
【０００５】
図２（Ｂ）には、従来の振動センサを示す。この振動センサは、光源２１より出射し、光カプラ２９で分岐された２つの光を、振動を検出したい箇所・部位に配設された光ファイバループ３０の両端部から左・右回り（時計回りｃｗ、反時計回りｃｃｗ）に入射し、それらの戻り光を光カプラ２４で結合し、結合された干渉光を受光器２７で光電変換するものである。
【０００６】
図２（Ｃ）には、従来の電流センサを示す。この電流センサは、光源２１より出射し、第１の光カプラ２２、偏光子２３、第２の光カプラ２４を順次伝搬して、第２の光カプラ２４で分岐された２つの光（直線偏光）を、位相変調器２５，１／４波長素子３２，３２，ダミーファイバ３３を有し且つ電流が流れる導体３４の周囲に巻回された光ファイバループ３１に左・右回り（時計回りｃｗ、反時計回りｃｃｗ）に入射し、１／４波長素子３２，３２によって同回りの円偏光にして伝搬させた後、両円偏光を再び直線偏光に変換した戻り光を第２の光カプラ２４で結合し、結合された干渉光を偏光子２３、第１の光カプラ２２を介して受光器２７で光電変換するものである。
【０００７】
【非特許文献１】梶岡 博, 熊谷 達也, 於保 茂、“干渉型光ファイバジャイロ”、OPTRONICS、No.5、pp.127-135、1990
【非特許文献２】戸倉 武ほか、“光ファイバリング干渉型振動センサによる振動位置の同定”、フジクラ技報、第103号、pp.18-21、2002
【非特許文献３】林屋 均、“直流用光ファイバ電流センサの開発”、鉄道と電気技術、VOL.16、No.1、pp.45-48、2005
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、従来の各種のサニャック干渉型センサは、いずれも光源が１つで構成されており、光源が破損・故障すると、センサ動作が停止してしまう。  
【０００９】
光ファイバ型のサニャック干渉型センサの構成部品において、光源の寿命が最も短い。光源の寿命は、供給電流と使用環境で変わり、環境温度が１０℃増加すると、寿命は約１／２に低下する。光源が破損すると、センサ動作が停止するため、センサを組み込んだシステムに障害を与えてしまう。しかし、センサ動作状態において光源の寿命を推定することは困難である。このため、システム障害を防ぐには、定期的に、安全を見込んで早めにセンサを交換する必要があった。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決し、一つのセンシングファイバループに対して二系統の発光・受光系を有し、一方の発光・受光系の光源などが故障しても、もう一方の発光・受光系に切り換えてセンシングが行えるサニャック干渉型センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の発明は、 第１の光源及び第１の受光器と第１の偏光子との間で光を分岐・結合する第１の光カプラと、第２の光源及び第２の受光器と第２の偏光子との間で光を分岐・結合する第２の光カプラと、前記第１の偏光子及び前記第２の偏光子と位相変調器を含むセンシングファイバループの両端部との間で光を分岐・結合する偏波保持光カプラと、前記第１の光源、前記第２の光源を駆動する駆動電流を出力すると共に、前記第１の受光器、前記第２の受光器で受光され光電変換された電気信号が入力される信号処理部とを備え、前記信号処理部は、前記第１の光源及び前記第１の受光器と前記第２の光源及び前記第２の受光器との接続を選択的に切り換える切換手段を有し、前記偏波保持光カプラには、前記第１の偏光子からの直線偏光と前記第２の偏光子からの直線偏光とが、前記偏波保持光カプラの前記第１，第２の偏光子側の２つのポートのうち、一方の前記ポートのＸ偏光軸に偏光方位が一致するように接続されると共に、他方の前記ポートのＸ偏光軸と直交するＹ偏光軸に偏光方位が一致するように接続されていることを特徴とするサニャック干渉型センサである。
【００１２】
第２の発明は、第１の発明において、前記信号処理部は、前記第１又は第２の光源の不良を、前記第１又は第２の光源の出力モニタ用フォトダイオードの出力、前記第１又は第２の受光器からの電気信号、或いは前記第１又は第２の光源を駆動する駆動電流から判定して、前記切換手段の切換制御を行うことを特徴とするサニャック干渉型センサである。
【００１３】
第３の発明は、第１または第２の発明において、前記第１及び第２の光カプラ、前記第１及び第２の偏光子、前記位相変調器、前記偏波保持光カプラ、前記センシングファイバループ及びこれらの光学素子を接続する接続用光ファイバを、偏波保持光ファイバを用いた光ファイバ型素子又は偏波保持光ファイバで構成したことを特徴とするサニャック干渉型センサである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、次のような効果が得られる。
１つのセンシングファイバループに対して、検出用の光を発光し、戻り信号光（検出光）を受光する発光・受光系（ 光源、受光器、偏光子、光カプラを有する）を二系統、切換可能に設けているので、一方の発光・受光系の光源などに不良・故障が生じても、もう一方の発光・受光系に切り換えてセンシングを続行できる。しかも、偏波保持光カプラの直交するＸ，Ｙ偏光軸に、それぞれの発光・受光系の偏光方位を合わせて接続しているため、一方の発光・受光系の光源から出射した光は、他方の発光・受光系の受光器や光源に入射することはないので、受光器や光源を劣化させたり、また、２つの光源の出射光が仮に誤って同時に出射されても相互に干渉することはなく、信頼性が高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明に係るサニャック干渉型センサを、光ジャイロに適用した一実施形態を説明する。
【００１６】
図１に示すように、この光ジャイロは、光ファイバコイル１１を有するセンシングファイバループ１０と、このセンシングファイバループ１０に接続される二系統の第１及び第２の発光・受光系と、信号処理部１３とを備えている。第１の発光・受光系は、第１の光源１、第１の受光器２、第１の光カプラ３及び第１の偏光子４を有し、第２の発光・受光系は、第２の光源５、第２の受光器６、第２の光カプラ７及び第２の偏光子８を有する。
【００１７】
第１，第２の光カプラ（方向性結合器）３，７は、１×２入出射ポートを有する光ファイバカプラである（２×２入出射ポートを有する光ファイバカプラを用いても、もちろんよい）。第１の光カプラ３は、第１の光源１及び第１の受光器２と、第１の偏光子４との間を接続して伝搬光を分岐・結合し、また、第２の光カプラ７は、第２の光源５及び第２の受光器６と、第２の偏光子８との間を接続して伝搬光を分岐・結合する。この実施形態の第１，第２の偏光子４，８は、光ファイバの曲げ損失を利用した光ファイバ型の偏光子である。
【００１８】
第１の偏光子４及び第２の偏光子８と、センシングファイバループ１０の両端部との間は、２×２入出射ポートを有する光ファイバ型の偏波保持光カプラ９を介して接続され、伝搬光が分岐・結合される。偏波保持光カプラ９には、その第１，第２の偏光子４，８側の２つのポートのうち、一方のポートのＸ偏光軸に、例えば、第１の偏光子４からの直線偏光の偏光方位が一致するように接続されると共に、他方の前記ポートのＸ偏光軸と直交するＹ偏光軸に、もう一方の第２の偏光子８からの直線偏光の偏光方位が一致するように接続（９０度接続）されている。
【００１９】
また、偏波保持光カプラ９に接続されたセンシングファイバループ１０の一端部側には、位相変調器１２が設けられている。この位相変調器１２は、圧電性セラミックス（ＰＺＴ）にセンシングファイバループ１０の一部を構成する光ファイバを巻き付けたもので、ＰＺＴを振動させることによって光ファイバを伸縮させ、光ファイバの伝搬光に位相変調を加えるものである。位相変調器１２のＰＺＴには、信号処理部１３から所定の変調周波数で電圧が印加されるようになっている。
【００２０】
信号処理部１３は、第１の光源１、第２の光源５を駆動する駆動電流を出力する光源駆動回路１４と、第１の受光器２、第２の受光器６で受光されて光電変換された電気信号を増幅する信号増幅回路１５とを有する。また、信号処理部１３の光源駆動回路１４の出力端と信号増幅回路１５の入力端には、第１の光源１及び第１の受光器２と、第２の光源５及び第２の受光器６との電気的な接続を選択的に切り換える切換手段としてのスイッチ１６が設けられている。この実施形態では、第１の光源１及び第２の光源５は、レーザーダイオード（ＬＤ）であり、第１の受光器２及び第２の受光器６は、フォトダイオード（ＰＤ）である。なお、第１の光源１及び第２の光源として、スーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）を用いるようにしてもよい。
【００２１】
本実施形態のサニャック干渉型の光学系は、全て光ファイバを用いて構成されている。また、第１，第２の光カプラ３，７、第１，第２の偏光子４，８、偏波保持光カプラ９、光ファイバコイル１１と位相変調器１２を有するセンシングファイバループ１０、及びこれらの光学素子（第１及び第２の光源１，５、第１及び第２の受光器２，６を含む）間を接続する接続用光ファイバ（図中、符号は省略）は、いずれも偏波保持光ファイバを用いた光ファイバ型素子又は偏波保持光ファイバで構成するのが好ましい。
【００２２】
一方の発光・受光系、例えば第１の発光・受光系を用いてセンシングする時には、図１に示すように、スイッチ１６により、第１の光源１と光源駆動回路１４とを接続し、且つ第１の受光器２と信号増幅回路１５とを接続して、光源駆動回路１４から第１の光源１に駆動電流を出力すると共に、第１の受光器２で受光され光電変換された電気信号を信号増幅回路１５に入力する。
【００２３】
第１の光源１より出射した光は、第１の光カプラ３を介して第１の偏光子４に入射し、第１の偏光子４で直線偏光にされる。この直線偏光は、その偏光方位が偏波保持光カプラ９のＸ偏光軸の方向に合わせて入射され、Ｘ偏光軸方向の偏光方位の直線偏光が偏波保持光カプラ９で２つに分岐され、センシングファイバループ１０の両端側にそれぞれ入射する。センシングファイバループ１０の両端側から入射した２つの光は、光ファイバコイル１１を右回り（時計回り）ＣＷの方向、左回り（反時計回り）ＣＣＷの方向にそれぞれ周回し、且つ位相変調器１２でそれぞれ位相変調されて、偏波保持光カプラ９に戻される。
【００２４】
この２つの戻り光（直線偏光）は偏波保持光カプラ９で分岐・結合され、偏波保持光カプラ９で左・右回りの光が結合された干渉光が、第１，第２の偏光子４，８へとそれぞれ送られる。偏波保持光カプラ９に戻された上記左・右回りの直線偏光の偏光方位は、センシングファイバループ１０への入射時と同じ偏波保持光カプラ９のＸ偏光軸の方向にある。従って、偏波保持光カプラ９から第１の偏光子４に送られた直線偏光は、第１の偏光子４を透過し、第１の光カプラ３で分岐されて、第１の受光器２で受光される。第１の受光器２で受光され光電変換された電気信号は、信号処理部１３の信号増幅回路１５に入力されて増幅され、増幅された電気信号の強度から光ファイバコイル１１のコイル軸回りの角速度が検出される。
【００２５】
一方、偏波保持光カプラ９から第２の偏光子８に送られた直線偏光の偏光方位は、第２の偏光子８の透過偏光方向（偏波保持光カプラ９のＹ偏光軸の方向）とは直交する方向にあるので、第２の偏光子８で遮断され、第２の受光器６や第２の光源５には入射しない。このように、一方の発光・受光系から出射され、センシングファイバループ１０を周回した後の戻り光が、他方の発光・受光系の受光器や光源に入射することはないので、戻り光によって不使用中の受光器などが劣化されることがない。また、二系統の発光・受光系の光源１，５から誤って同時に出射光が出射されても、相互に干渉したりすることはない。
【００２６】
信号処理部１３は、第１又は第２の光源１，５の出力低下・破損を、第１又は第２の光源１，５の出力モニタ用フォトダイオード（図示せず）の出力、第１又は第２の受光器２，６からの電気信号、或いは第１又は第２の光源１，５を駆動する駆動電流から判定して、スイッチ１６の切換制御を行う。従って、センサ動作中の光源が出力低下・破損の時には、スイッチ１６により、もう一方の発光・受光系に自動的に切り換えられ、もう一方の発光・受光系の光源（バックアップ光源となる）からセンシングファイバループ１０に光が出射され、センサ動作が行われる。このため、光源破損等による動作停止トラブルがなくなり、センサを組み込んだシステムに障害を与えることがない。
【００２７】
また、光源出力低下・破損情報や発光・受光系の切換情報は、外部のシステムに送信されるようになっている。従って、光源出力低下・破損や光源切換をシステム側で把握できるので、従来のように定期的に安全を見込んで早めにセンサを交換する必要はなく、システムの休止時、メンテナンス時など適当な時に光源などの交換が可能である。
【００２８】
また、２つの光源１，５を交互に（或いは同時に）駆動させて、受光器２，６からの出力データを比較する手段・仕組みを設ければ、二系統の発光・受光系を有するセンサの状態（正常／異常）を確認・監視することができる。
【００２９】
上記実施形態のセンサでは、光カプラ、偏光子、偏波保持光カプラ、位相変調器は、光ファイバ型のものを用いたが、光導波路型の光カプラ、偏光子、偏波保持光カプラ、位相変調器等を用いてセンサを構成してもよい。
【００３０】
上記実施形態のサニャック干渉型センサでは、光ジャイロに適用した例を示したが、振動センサ、電流センサなどにも適用できる。
【００３１】
振動センサに適用する場合には、 上記実施形態の位相変調器１２を有するセンシングファイバループ１０を、図２（Ｂ）の光ファイバループ３０のように、振動を検出したい箇所・部位（侵入検知のために、フェンスなど）に配設すればよい。振動センサでは、センシングファイバループ１０のループ全長の中央部分では、左・右回りの光が同時刻に通過するため、振動による位相差が少なく、振動を検出しにくい。そこで、センシングファイバループ１０の中央部分は、コイル状に巻いたりして振動検出が不要な場所に設置するのがよい。更に、振動センサでは、角速度を検知する必要がないので、センシングファイバループ１０の中央部分のコイルを、一側を右巻き、他側を左巻きにし、左・右巻きの両光ファイバループがそれぞれ囲む面積を等しくするのがよい。
【００３２】
また、電流センサに適用する場合には、従来の図２（Ｃ）に示すように、上記実施形態の偏波保持光カプラ９に接続されたセンシングファイバループ１０の両端部側に、１／４波長素子をそれぞれ設けると共に、センシングファイバループ１０を電流検知したい導体の周囲に巻回する。また、従来の図２（Ｃ）と同様に、遅延用光ファイバ（ダミーファイバ）をセンシングファイバループ１０に設けて検出感度を向上させるようにしてもよい。更に、センシングファイバループ１０を、円偏光を安定に伝搬できるスパンファイバ（ねじりファイバ）で構成するのが好ましい。
【００３３】
上記実施形態のサニャック干渉型センサでは、オープンループ方式の干渉系について記述したが、位相変調条件をフィードバック制御するクローズドループ方式の干渉系にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係るサニャック干渉型センサを、光ジャイロに適用した一実施形態を示す構成図である。
【図２】従来のサニャック干渉型センサであって、（Ａ）は光ジャイロに、（Ｂ）は振動センサに、（Ｃ）は電流センサにそれぞれ適用した例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  第１の光源
２  第１の受光器
３  第１の光カプラ
４  第１の偏光子
５  第２の光源
６  第２の受光器
７  第２の光カプラ
８  第２の偏光子
９  偏波保持光カプラ  
１０  センシングファイバループ
１１  光ファイバコイル
１２  位相変調器
１３  信号処理部
１４  光源駆動回路
１５  信号増幅回路
１６  スイッチ
【図１】
2007205940.tif 000003
【図２】
2007205940.tif 000004