JPH01471A - 配管用光干渉角速度計 - 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」 この発明は例えば地中に埋設された配管の方位角、上下
角を計測するために用いられる光干渉角速度計に関する
。

「従来の技術」 従来都市の地中に埋設したガス、水道、電気配管などの
方位角、上下角を計測する用途のために機械式ジャイロ
の角速度情報が使われていた。第６図は、その様子を示
す図で、計測部１１は、第７図に示すようにジャイロセ
ンサ１２と制御回路１３とからなり、制御回路１３はジ
ャイロセンサ１２を駆動する各電源１４．１５並びにジ
ャイロセンサ１２からの信号を同期検波する信号処理部
１６から成っている。モニタパネル１７は、計測部１１
への電源１８及び計測部ｌｌからの角速度情報を受けと
って演算回路１９で演算し表示器２１に表示したり記録
計２２へ信号を出力したりする。

第６図に示すように駆動車２３は、配管２４の中を計測
部１１をけん引する。計測部１１は、けん引されながら
方位及び上下方向の角速度を検知し、モニタパネル１７
にその信号をケーブル２５を介して伝送する。モニタパ
ネル１７は、計測部１１からの角速度情報を積分処理し
方位角及び上下角を求め表示したり記録計２２に送った
りする。

この従来方式では、計測部１１の制御回路１３をモニタ
パネル１７に収納できない、その理由として次の二つが
ある。

ａ０機械式ジャイロは、スピンモータを回転させるため
に例えば数ワットの２相又は３相の４００１１！２６Ｖ
電源が必要であるし又シグナルジェネレータ励磁のため
に１２．８ｋＨｚの電源が必要である。

そのためジャイロセンサ１２と制御回路１３とを長尺に
渡ってケーブル化（数百ｍ）することは、ケーブル内で
の電圧降下やケーブルのゆれによる浮遊容量の変動等に
よるスピンモータ及びシグナルジェネレータを励磁する
電源電圧の変動により、ジャイロの機能、性能に悪影響
を与え、好ましくない、ここでこのケーブル内の線抵抗
を小さく抑えようとするとケーブルが太くなりケーブル
の重量が増え駆動車のけん引力をさらに大きくしなけれ
ばならなくなり、駆動車２３が大きくなると同時にコス
ト高となる。

ｂ、微小入力角速度（例えば数°／時）における微小信
号を数１００ｍのケーブル中を性能劣化なしに伝送する
ことは、外来する雑音により困難である。

以上より、計測部１１の小型化ができず、ある程度大き
な配管（１００ｍφ程度以上）でしか計測できず細管で
の方位角、上下角の計測ができなかった。

又計測部１１を移動するために駆動車２３が必要であり
、かつ大きなけん引力を必要としていた。

一方、近年機械式ジャイロと同じように角速度を検出す
ることのできる光干渉角速度計が提案されている。

第８図は、この光干渉角速度計の機能図である。

光源２６から出射した光２７は、光分配結合器２８及び
偏光子２９を通って光分配結合器３１によって少なくと
も一周する角速度検出用光ファイバコイル３２をそれぞ
れ逆方向に伝搬する光３３．３４に分岐される。これら
両光は、角速度検出用光ファイバコイル３２の片端に配
置された位相変調器３５によって位相変調される。これ
ら両光３３゜３４は、その後再び光分配結合器３１によ
って結合され干渉する。この干渉光は、偏光子２９及び
光分配結合器２８を通って光電変換回路３６に到達する
。光電変換回路３６に到達した干渉光１．は、１、＝Ｃ
（１＋ｃｏｓΔφ（Ｊ＊（ｘ）　＋２Ｊｚ（ｘ）ｃｏｓ
２ω（’＋・・・”２ｈ＋ｍ　（ｘ）ｃｏｓ２ｍωｔ　
’　＋　−）　＋ｓｉｎΔφ（２Ｊ＋（ｘ）ｓｉｎωｔ
′＋２Ｊｓ（ｘ）ｓｉｎ３ωｔ　’　＋　、・。

＋２Ｊｔｓ−＋（ｘ）ｓｉｎ（２ａ＋−１）ωｔ　’　
＋−）　）　　　　・＋１１となる。

ここでＣ；定数 Ｊ、ｌ；１次のベッセル関数（ｎ　＝０．１，２．３・
・・）ｘ；２＾ｓｉｎπｆ６τ Ａ；変調指数 τ；角速度検出用光ファイバコイル３２を通る光の伝搬
時間 ｆ、；位相変調器３５の駆動周波数 ｔ’；ｔ−τ／２ Δφ；角速度検出用光ファバコイル３２を互に逆方向に
伝搬した両光３３’、３４’間の位相差 ４πＲＬ Δφ＝□・Ω Ｃλ Ｒ；角速度検出用光ファイバコイル３２の半径 Ｌ；ループ状に構成された角速度検出用光ファイバコイ
ル３２の長さ Ｃ；光速 λ；光の波長 （１１式から明らかなように干渉光Ｉ０には、ｃｏｓΔ
φに比例する項とｓｉｎΔφに比例する項が含まれてい
る。干渉光Ｉ０は、光電変換回路３６で光電変換される
。電気信号に変換された信号は、Ｊ＋（ｘ）ｓｉｎΔφ
に比例した信号Ｖ、を端子３７に取り出すべく同期検波
回路３８で発振器３９の出力により同期検波される。発
振器３９は位相変調器３５に対し変調信号を供給する。

ここで光干渉角速度計の光学路は、通常光ファイバが使
用される。この光ファイバは、光の位相情報を確実に伝
送するため、光の偏波面を保持する性質を持った定偏波
光ファイバが通常使用される。又別の技術として、光源
２６から出射した光を無偏光にし光干渉角速度計の光学
路に華−モード光ファイバを使用する方法がある。この
場合偏光子２９は、不要となる。

この発明の目的は計測部の小型、軽量化を計り細管にお
ける方位角、上下角の計測を可能とし、かつ駆動車の小
型化又は駆動車をなくすようにし、しかも外来雑音の影
響を受けない光干渉角速度計を堤供することにある。

「問題点を解決するための手段」 この発明によれば、少なくとも一周する角速度検出用光
ファイバコイルと、その角速度検出用光ファイバコイル
に対し右回り光と左回り光を通す手段と、その角速度検
出用光ファイバコイルを伝搬して来た右回り光と、左回
り光とを干渉させる干渉手段とを有する角速度検出部と
、 光源及び前記干渉光の光強度を電気信号として検出する
光電変換回路とを少くとももつ制御回路とが長尺の光学
路で接続され、その光学路は被覆材で保護されてケーブ
ル化されている。

このようにこの発明によれば角速度検出部と制御回路と
が長尺の光ケーブルで接続されているため、角速度検出
部を小型、軽量化することができ、これを例えば細管内
に配して細管の方位角又は上下角を得るための角速度を
検出することができる。

また角速度検出部と制御回路との接続は光ケーブルであ
るため、外来雑音の影響を受は難（、かつ軽量で細いも
のとすることができる。

「実施例」 第１図はこの発明の実施例を示し、第８図と対応する部
分に同一符号を付けである。この実施例では光源２６、
光分配結合器２８、光電変換回路３６、及び同期検波回
路３８の主要回路で制御回路４１が構成され、また偏光
子２９、光分配結合器３１、角速度検出用光ファイバコ
イル３２及び位相変調器３５の主要回路で角速度検出部
４２が構成され、これら制御１回路４１と角速度検出部
４２とが長尺の光ケーブル４３により接続される。つま
す光ケーブル４３中の光ファイバ４４により光分配結合
器２８と偏光子２９とが接続される。

更にこの実施例では位相変調器３５を駆動するための変
調信号を制御回路４１中の発振器４５で発生させ、これ
を電気光変換回路４６で光の強度変化に変えた後、光ケ
ーブル４３中の光ファイバ４７で角速度検出部４２に伝
送し再び光電変換回路４８によって電気信号に変換し位
相変調器４８に印加する。なおここで使用する光ファイ
バ４７は、光の強度変化を伝送するためのものであるか
ら特に定偏波光ファイバ又は単一モード光ファイバであ
る必要はなくマルチモード光ファイバでよい。

ここで電池４９は、光電変換回路４８を駆動するための
もので負荷としての位相変調器３５に印加する電圧は、
０．７・Ｖｒｍｓ程度でほとんど電力を必要としないた
めボタン電池程度で十分である。

第１図では、制御回路部４１で位相変調のための変調信
号を発生させていたが、その変調信号発生手段を角速度
検出部４２に配置してもよい。

又位相変調器３５を駆動する回路は、電力を必要としな
いため電池の代わりに光ケーブル４３に電線を準備し、
その電線を利用して給電してもよい。角速度検出部４２
は、用途によっては、検出する入力角速度の方向が１方
向のみならず直交する３方向だったりする。この場合、
角速度検出部４２と制御回路部４１とが３対必要となり
光ケーブル４３の光ファイバ４４．４７も３対必要とな
る。

第２図は、光ケーブル１１の断面例を示す図である。抗
張力体５１の外周に緩衝層５２を介して複数の光ファイ
バ５３が配され、これら光ファイバ５３の外周に介在物
５４を介して緩衝層５５が配され、その外周に外被５６
が設けられる。このように光ファイバ５３を束ね被覆材
等で保護することにより光ファイバ５３を長尺に渡って
引き回すことができるようになり、長尺に渡って配管の
方位角及び上下角等の計測が可能となる。

一方、長尺に渡って光ファイバを引き回した場合の光の
伝送損失は、光ファイバのクラツド径が１２５μ鋼の定
偏波光ファイバで一２ｄｂ／ｋｍ程度であり、数百ｍの
引き回わしでは、はとんど問題とならない。光ケーブル
４３内の定偏波光ファイバは、小径に曲げる必要がない
から後述する細径化高化屈折率を持った定偏波光ファバ
を使用する必要はない。なお径の異なった光フアイバ同
志の接続は、融着で行なえる。

次に角速度検出部４２の大きさについて述べる。

角速度検出用光ファイバコイル３２は、巻枠に光ファイ
バを多数回巻いたもので、その直径及び光ファイバ長は
、角速度検出部４２の大きさ及び角速度検知感度を決定
する。角速度検出用光ファイバコイル３２に使用される
光ファイバは、光の位相情報を確実に伝送するため光の
偏波面を保持する定偏波光ファイバが使われる。例えば
第３図で示すように定偏波光ファイバは、コア５７の両
側に設けられた応力付与部５８によってコア５７に複屈
折性を与え伝搬する光の偏波保持性を高めている。応力
付与部５８はクラッド５９内にあり、クラッド５８の外
周にシリコン樹脂層６１が形成され、その外周に紫外線
硬化樹脂ＦＪ６２が形成されている。

角速度検出部４２の寸法をできるだけ小さくかつ角速度
検知感度をそこなわずに光ファイバをコイル化するため
には、小径に巻いたことによって光ファイバの性能（伝
送損失及び定偏波光ファイバの偏波保持性能を示すクロ
ストーク）が光干渉角速度計の機能性能に著しく影響を
与える程劣化しないことが必要である。表１は、小径に
巻いても性能劣化が小さくなるように通常の定偏波光フ
ァイバ（クラフト径１２５μｓ、コア／クラッドの比屈
折率差０．３〜０．４％）より細径化（クラツド径８０
μｓ＋）Ｌ、高比屈折率差（０，８％）をはかった定偏
波光ファイバの特性データを示す。

表１の特性データによると巻径を２０錦φにしても伝送
損失は、ｌ　ｋｍ巻いて０．３ｄｂの増加でありほとん
ど問題とならない。一方クロストークは、５０ｔｍφで
は、はとんど劣化はないが巻径をさらに小さくしていく
と大きくなる。しかし２０龍φに巻いた上述の定偏波光
ファイバは、２００鰭φに巻いた従来の定偏波光ファイ
バ（クラツド径１２５μ閘、コア／クラッドの比屈折率
差０．３〜０．４）のクロストークと同程度である。

又、過去において上記２００φに巻いた時のクロストー
クと同程度のクロストークを有する従来の定偏波光ファ
イバを使って光干渉角速度計を試作し角速度検出１．０
１°／時の高感度を有する光干渉角速度計が試作されて
いることから、表１のクロストークの増大は、光干渉角
速度計としては問題ない。

第４図及び第５図は２軸の角速度検出部４２の構造例を
示す図である０球状の筐体６３内にこれと同軸心的にＹ
軸角速度検出用光ファイバコイル３２ｙが配され、この
コイル３２ｙのボビンの内部に、軸心がこれと直角なＸ
軸角速度検出用光ファイバコイル３２ｘが配され、その
ボビンの内部にこれと同軸心的に位相変調器３５が配さ
れる。

筐体６３は車輪６４を介して配管２４内に移動自在に配
され、その進行方向に対し後方向から光ケーブル４３が
導出される。

この構造の特徴としては、９０“に曲げられた配管２４
内を通過できるように筐体６３を球形にしであることで
ある。この寸法としては、内側のＸ軸角速度検出用光フ
ァイバコイル３２Ｘの巻径を２０ｔｍφとすると角速度
検出部４２の外形を直径５０ｍ１φ程度にすることがで
きる。

「発明の効果」 ■　従来機械式ジャイロを使っての配管の方位角や上下
角等の計測は、管の径が１００　ａｍφぐらいまでであ
った。し力）しガス管などは、５０１鳳φ程度のものが
大部分でその径での方位角及び上下角の計測が可能な計
測部の出現が望まれている。従来の機械式ジャイロに代
わってこの発明による構成の光干渉角速度計を使用する
ことにより５０１ａφの配管の方位角や上下角等の計測
が出来るようになる。

■　光フアイバケーブルにおける光伝送は、通常の電線
ケーブルでは、問題であった外部からの電磁干渉等によ
る雑音の影響をいっさい受けずケーブル化にともなう機
能性能劣化もほとんどない。

■　制御部４１と角速度検出部４２とを分離したことに
より配管内を移動する計測部、つまり角速度検出部４２
を小型軽量にできること及び電線ケーブルを光フアイバ
ケーブルにしたことにより、けん引するものの重量が軽
減できるためけん引車のけん引力を小さくでき小型化で
きる。

又けん引車を使用せず太めの鋼線等で計測部を管内に押
し込む方法も採用できるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による光干渉角速度計の一例を示すブ
ロック図、第２図は光ケーブルの一例を示す断面図、第
３図は定偏波光ファイバの一例を示す断面図、第４図は
この発明の光干渉角速度針の角速度検出部の構造例を示
す断面図、第５図は第４図のＡＡ線断面図、第６図は従
来の機械式ジャイロを使用した配管の方向及び上下角の
計測システムを示す概略図、第７図は第６図の機能的構
成を示すブロック図、第８図は従来の光干渉角速度計の
例を示すブロック図である。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも一周する角速度検出用光ファイバコイ
   ルと、その角速度検出用光ファイバコイルに対し右回り
   光及び左回り光を通す手段と、その角速度検出用光ファ
   イバコイルを伝搬してきた右回り光と左回り光とを干渉
   させる干渉手段とを有する角速度検出部と、光源及び上
   記干渉光の光強度を電気信号として検出する光電気変換
   回路とを少なくとも有する制御回路と、 これら角速度検出部及び制御回路とを光学的に接続し、
   長尺に渡って被覆材で保護された光ケーブルとを具備す
   る光干渉角速度計。
2. （２）前記角速度検出部と、前記制御回路とを同一装置
   内に複数対有する特許請求の範囲第１項記載の光干渉角
   速度計。
3. （３）前記干渉手段と前記光ファイバコイルの一端との
   間に、これらに縦続的に配されて右回り光と左回り光に
   位相変化を与える位相変調器を前記角速度検出部に配し
   た特許請求の範囲第１項又は第２項記載の光干渉角速度
   計。
4. （４）前記位相変調器を駆動する発振回路を前記角速度
   検出部に配した特許請求の範囲第３項記載の光干渉角速
   度計。
5. （５）前記位相変調器を駆動する発振回路と、その発振
   回路からの変調信号を光の強度変化に変化する電気光変
   換器を有する前記角速度検出部と、前記電気光変換器か
   らの光の強度を電気信号として検出し前記位相変調器の
   駆動信号を発生する駆動回路を有する前記角速度検出部
   とを有し、前記電気光変換器と前記駆動回路間を光学的
   に接続した第３光学路を被覆材で保護しケーブル化した
   特許請求の範囲第３項記載の光干渉角速度計。
6. （６）前記第３光学路を前記光ケーブル内に設けた特許
   請求の範囲第５項記載の光干渉角速度計。