JP2002535667A - 距離の変化を検出するためのセンサおよび方法 - Google Patents
距離の変化を検出するためのセンサおよび方法Info
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- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
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Abstract
(57)【要約】
本発明は、少なくとも１つのほぼ螺旋状に巻かれた光ファイバを有する、第１および第２の位置間の距離の変化を検出するためのセンサであって、少なくとも１つの該位置に機械的に接続することができ、光送信機と、光信号の検出装置とを有し、該検出装置は、光ファイバを介して伝送された光信号の偏光状態に依存する出力信号を生成することができるセンサに関する。本発明はまた、第１および第２の位置間の距離の変化を検出し、かつ次の特徴、すなわち、少なくとも１つの該位置を、ほぼ螺旋状に巻かれた光ファイバに機械的に連結すること、既知の偏光状態を有する光信号を光ファイバに発信すること、接続線を介して伝送した後、その偏光状態に関連する情報を取得するように光信号を検出すること、この情報から距離の変化を決定することの特徴を含む方法に関する。
Description
【０００１】
本発明は、光学にもとづいた、第１および第２の位置間の距離の変化を検出す
るためのセンサおよび方法に関する。
るためのセンサおよび方法に関する。
【０００２】
移動可能な物体間の距離の変化を測定するための多数の方法が知られている。
たとえば、ひずみゲージのような、電気的方法にもとづいたセンサが知られてい
る。電気容量における、ならびに磁束における変化を、長さにおける小さな変化
で作用する際に利用する。線形変化を判定する光学的方法の利点は、測定される
べき距離の変化を有する点間に導電接続が必要ないことである。小さく、約１μ
ｍから１ｍの平均的距離、および光パルスの遷移時間測定についての干渉計は、
通常、モアレシステムである。干渉計システムは非常に精密でありうるが、機械
的に極度に感度がよいという欠点を有する。また、このシステムの動作は、調節
するのに大幅な費用を伴う。この理由のために、このシステムは、実質的に振動
のないシステムとしてセットアップされなければならず、そのため、使用するの
に単純でなく、特に、物体が移動する距離の変化を検出するのに使用しにくい。
だが、モアレシステムは、数センチメートル以上の測定範囲において同様に精密
であり、かなりの費用で実施されうる。光パルスの遷移時間測定、および／また
はドップラー効果により生成される周波数シフトの測定は、広範な距離の場合に
のみ正確であり、エレクトロニクスによる測定には高いコストが要求される。
たとえば、ひずみゲージのような、電気的方法にもとづいたセンサが知られてい
る。電気容量における、ならびに磁束における変化を、長さにおける小さな変化
で作用する際に利用する。線形変化を判定する光学的方法の利点は、測定される
べき距離の変化を有する点間に導電接続が必要ないことである。小さく、約１μ
ｍから１ｍの平均的距離、および光パルスの遷移時間測定についての干渉計は、
通常、モアレシステムである。干渉計システムは非常に精密でありうるが、機械
的に極度に感度がよいという欠点を有する。また、このシステムの動作は、調節
するのに大幅な費用を伴う。この理由のために、このシステムは、実質的に振動
のないシステムとしてセットアップされなければならず、そのため、使用するの
に単純でなく、特に、物体が移動する距離の変化を検出するのに使用しにくい。
だが、モアレシステムは、数センチメートル以上の測定範囲において同様に精密
であり、かなりの費用で実施されうる。光パルスの遷移時間測定、および／また
はドップラー効果により生成される周波数シフトの測定は、広範な距離の場合に
のみ正確であり、エレクトロニクスによる測定には高いコストが要求される。
【０００３】
したがって本発明の目的は、実施するのに技術的に簡易で安価であり、いかな
る特定の機械的安定性も要求せず、小さな位置的変化を精密に決定するために使
用することのできる、距離の変化を検出するためのセンサを提供することである
。本発明のさらなる目的は、実施するのが簡易な、距離の変化を検出するための
方法を提供することである。
る特定の機械的安定性も要求せず、小さな位置的変化を精密に決定するために使
用することのできる、距離の変化を検出するためのセンサを提供することである
。本発明のさらなる目的は、実施するのが簡易な、距離の変化を検出するための
方法を提供することである。
【０００４】
本目的は、少なくとも１つのほぼ螺旋状に巻かれた光ファイバを有する、第１
および第２の位置間の距離の変化を検出するためのセンサにより達成され、該セ
ンサは、少なくとも１つの位置に機械的に接続することができ、光送信機と、光
信号の検出装置とを有する。これに関して、検出装置は、光ファイバを介して伝
送された光信号の偏光状態に依存する出力信号を生成することができる。
および第２の位置間の距離の変化を検出するためのセンサにより達成され、該セ
ンサは、少なくとも１つの位置に機械的に接続することができ、光送信機と、光
信号の検出装置とを有する。これに関して、検出装置は、光ファイバを介して伝
送された光信号の偏光状態に依存する出力信号を生成することができる。
【０００５】 本目的は、手順上、第１および第２の位置間の距離変化を検出するための方法
により達成され、以下の特徴、 ａ）少なくとも１つの該位置を、ほぼ螺旋状に巻かれた光ファイバに機械的に連
結すること、 ｂ）既知の偏光状態を有する光信号を光ファイバに発信すること、 ｃ）該光信号の偏光状態に関連する情報を取得するために、接続線を介して伝送
された前記光信号を記録すること、 ｄ）伝送された信号の偏光状態に関する情報から、距離の変化を決定すること、
を備える。
により達成され、以下の特徴、 ａ）少なくとも１つの該位置を、ほぼ螺旋状に巻かれた光ファイバに機械的に連
結すること、 ｂ）既知の偏光状態を有する光信号を光ファイバに発信すること、 ｃ）該光信号の偏光状態に関連する情報を取得するために、接続線を介して伝送
された前記光信号を記録すること、 ｄ）伝送された信号の偏光状態に関する情報から、距離の変化を決定すること、
を備える。
【０００６】 本発明のセンサおよび方法の有利な実施形態は、それぞれ、従属請求項２ない
し９、および請求項１１ないし１６に特徴づけられる。
し９、および請求項１１ないし１６に特徴づけられる。
【０００７】 本発明は、螺旋パラメータの変化に応答して、螺旋状に巻かれた光ファイバに
おいて変化する光の主要な偏光にもとづく。単一の、螺旋状に巻かれた光ファイ
バ線の出力における光の偏光は、動きに対し敏感であり、特に、蛇腹式のような
（accordion-like）動きに対し敏感である。光ファイバの三次元曲線の形状での
偏光のこの依存性は、たとえばファイバ巻線の蛇腹長の形状を、直接測定するた
めに用いることができる。したがって、２つの位置間の距離を、移動可能であり
、螺旋状に巻かれた弾性光ファイバ線を用いて、それらを連結することによって
決定することができる。
おいて変化する光の主要な偏光にもとづく。単一の、螺旋状に巻かれた光ファイ
バ線の出力における光の偏光は、動きに対し敏感であり、特に、蛇腹式のような
（accordion-like）動きに対し敏感である。光ファイバの三次元曲線の形状での
偏光のこの依存性は、たとえばファイバ巻線の蛇腹長の形状を、直接測定するた
めに用いることができる。したがって、２つの位置間の距離を、移動可能であり
、螺旋状に巻かれた弾性光ファイバ線を用いて、それらを連結することによって
決定することができる。
【０００８】 光ファイバの出力端での偏光状態の形状依存の主要な理由は、その螺旋状巻線
の的確な形状に対するファイバの光学活性のかなりの依存にある。まず得られる
推定結果では、この影響は、色消しであり、いかなる偏光モード分散ももたらさ
ない。これは、いわゆる光学ベリー位相（optical Berry phases）と呼ばれるス
ピン向け直し位相（spin redirection phase）の１つにより引き起こされる。こ
のベリー位相または幾何学的位相は、光の法線動的位相（normal dynamic phase
）の場合のように、ファイバの空間曲線の構造により生成されるのであって、光
路長の差によって生成されるのではない位相効果である。しかしながら、幾何学
的位相は、法線動的位相の場合と同じ光の干渉効果をもたらす。
の的確な形状に対するファイバの光学活性のかなりの依存にある。まず得られる
推定結果では、この影響は、色消しであり、いかなる偏光モード分散ももたらさ
ない。これは、いわゆる光学ベリー位相（optical Berry phases）と呼ばれるス
ピン向け直し位相（spin redirection phase）の１つにより引き起こされる。こ
のベリー位相または幾何学的位相は、光の法線動的位相（normal dynamic phase
）の場合のように、ファイバの空間曲線の構造により生成されるのであって、光
路長の差によって生成されるのではない位相効果である。しかしながら、幾何学
的位相は、法線動的位相の場合と同じ光の干渉効果をもたらす。
【０００９】 螺旋状に巻かれたファイバにおけるスピン向け直し位相の大きさは、ファイバ
からの光が螺旋状巻線を通して向けられるときに、時計回りに光伝播方位の球体
の周りを、ｋベクトル（ｋは、技術文献における伝播定数βに対応する。）が包
む立体角Ωに相当する。
からの光が螺旋状巻線を通して向けられるときに、時計回りに光伝播方位の球体
の周りを、ｋベクトル（ｋは、技術文献における伝播定数βに対応する。）が包
む立体角Ωに相当する。
【００１０】 この理由のため、画定された偏光状態とともに光が巻かれた光ファイバに連結
され、伝送された光信号が、光ファイバを介して伝搬された後、その偏光状態ま
たは個々の偏光成分に関して結論（inference）が引き出されるようにして検出
されることが重要である。伝送前および伝送後の光信号のパラメータの変化から
、あるいは、較正測定または同時の基準測定からの基準値との比較から、巻かれ
た光ファイバの形状に関して、またはその形状の変化に関して結論を引き出すこ
とができ、したがって、光ファイバに連結された位置間の距離の変化に関しても
結論を引き出すことができる。
され、伝送された光信号が、光ファイバを介して伝搬された後、その偏光状態ま
たは個々の偏光成分に関して結論（inference）が引き出されるようにして検出
されることが重要である。伝送前および伝送後の光信号のパラメータの変化から
、あるいは、較正測定または同時の基準測定からの基準値との比較から、巻かれ
た光ファイバの形状に関して、またはその形状の変化に関して結論を引き出すこ
とができ、したがって、光ファイバに連結された位置間の距離の変化に関しても
結論を引き出すことができる。
【００１１】 たとえば、偏光を光ファイバに連結することができ、直列接続された分析器を
有する偏光計または検出器を用いて、偏光が光ファイバを介して伝搬されると、
その偏光状態または特定の偏光成分の強度を測定することができる。伝送前、お
よび伝送後に続いての偏光および偏光成分の知識から、形状により引き起こされ
る偏光の変化に関して、ひいてはコイルの変形に関して結論が引き出される。
有する偏光計または検出器を用いて、偏光が光ファイバを介して伝搬されると、
その偏光状態または特定の偏光成分の強度を測定することができる。伝送前、お
よび伝送後に続いての偏光および偏光成分の知識から、形状により引き起こされ
る偏光の変化に関して、ひいてはコイルの変形に関して結論が引き出される。
【００１２】 送信信号が基準値と比較される場合、伝送前の偏光状態の詳細な知識を必ずし
も必要としない。画定された初期の基本状態がいつでも使える場合にそれで十分
である。基準値は、たとえば、光ファイバを用いた較正測定中に必要とされ、第
１および第２の位置間の特定の距離での出力信号を特定する一連の測定値からな
っている。代替的に、好ましくは巻かれた光ファイバをシミュレートし、同様に
画定された光信号を受信する基準経路での測定中に、基準信号を生成することが
でき、２つの送信信号が互いに比較される。このため、２つの送信信号のいずれ
かが個別に分析され、双方の強度が互いに比較される。実際の送信信号を干渉状
態にもたらすこともできるが、基準送信信号を用いて、後に共用検出器において
検出することができる。
も必要としない。画定された初期の基本状態がいつでも使える場合にそれで十分
である。基準値は、たとえば、光ファイバを用いた較正測定中に必要とされ、第
１および第２の位置間の特定の距離での出力信号を特定する一連の測定値からな
っている。代替的に、好ましくは巻かれた光ファイバをシミュレートし、同様に
画定された光信号を受信する基準経路での測定中に、基準信号を生成することが
でき、２つの送信信号が互いに比較される。このため、２つの送信信号のいずれ
かが個別に分析され、双方の強度が互いに比較される。実際の送信信号を干渉状
態にもたらすこともできるが、基準送信信号を用いて、後に共用検出器において
検出することができる。
【００１３】 鏡面、またはシステムの特別な機械的安定性の必要性をなくした本発明により
提供される利益は、実際上全般に適用可能である。光ファイバへ光信号を発信す
ることは、実際のところ、機械的に安定しているが、測定されるべきシステムか
ら個別にセットアップされる。さらに、大幅な技術的出費を伴うことなく、セン
サは、個々の、コストのかからない構成要素を組み立てることができる。
提供される利益は、実際上全般に適用可能である。光ファイバへ光信号を発信す
ることは、実際のところ、機械的に安定しているが、測定されるべきシステムか
ら個別にセットアップされる。さらに、大幅な技術的出費を伴うことなく、セン
サは、個々の、コストのかからない構成要素を組み立てることができる。
【００１４】
図１Ａの下部は、螺旋状光ファイバ１を有する、本発明によるセンサを示して
いる。本実施形態では、光ファイバは、固定された巻き方向を有している。一般
に、任意の曲げファイバでは、一方の巻き方向が優勢である（predominate）場
合にそれで十分である。
いる。本実施形態では、光ファイバは、固定された巻き方向を有している。一般
に、任意の曲げファイバでは、一方の巻き方向が優勢である（predominate）場
合にそれで十分である。
【００１５】 さらに光ファイバは、螺旋状に曲がった形状で該ファイバを保持し、特にコイ
ルの長手方向軸に沿って、動きに弾性的に従うことができるクラッドを有する。
このため、コイルはそのようなものとして、たとえば弾性円筒などの弾性基板材
料に埋め込まれる。
ルの長手方向軸に沿って、動きに弾性的に従うことができるクラッドを有する。
このため、コイルはそのようなものとして、たとえば弾性円筒などの弾性基板材
料に埋め込まれる。
【００１６】 センサはまた光源３を含み、この光源３は好ましくはレーザである。光源３か
ら生ずる直線偏光はファイバコイル１へ発信される。この場合、光源は十分に偏
光を放出せず、偏光子Ｐはファイバ入力端に位置づけられて、画定された偏光状
態を生成する。ファイバコイルの出力端では、伝送された光信号の偏光状態は、
偏光計２を用いて測定される。代替的に、直列接続された分析器を有する単一の
検出器を用いて、画定された偏光成分の強度を測定する。
ら生ずる直線偏光はファイバコイル１へ発信される。この場合、光源は十分に偏
光を放出せず、偏光子Ｐはファイバ入力端に位置づけられて、画定された偏光状
態を生成する。ファイバコイルの出力端では、伝送された光信号の偏光状態は、
偏光計２を用いて測定される。代替的に、直列接続された分析器を有する単一の
検出器を用いて、画定された偏光成分の強度を測定する。
【００１７】 図１Ｂは、光が伝送経路を通って伝搬されると、その光の偏光状態を示す偏り
の楕円を概略的に示す。ＸおよびＹは電界ベクトルの振動方向を示す。最も一般
的な場合には、電界ベクトルは主軸ａおよびｂを有する楕円を描き、軸ｘおよび
ｙに対して角度φで回転する。
の楕円を概略的に示す。ＸおよびＹは電界ベクトルの振動方向を示す。最も一般
的な場合には、電界ベクトルは主軸ａおよびｂを有する楕円を描き、軸ｘおよび
ｙに対して角度φで回転する。
【００１８】 本発明は、ファイバ経路の出力端における偏りの楕円の配向角度φが、導入さ
れた直線偏光の右手および左手円形構成要素間のコイルに導入される、いわゆる
幾何学的位相に比例することを利用している。幾何学的位相はコイルの形状とと
もに変化するので、配向角度φはコイル形状の指標（measure）である。このよ
うにして、２つの点Ａ１およびＡ２間の距離ｄをコイル上で測定することができ
、ひいては点Ａ１およびＡ２によってしっかり接続された２つの位置間の距離お
よび／または距離の変化を測定することができる。
れた直線偏光の右手および左手円形構成要素間のコイルに導入される、いわゆる
幾何学的位相に比例することを利用している。幾何学的位相はコイルの形状とと
もに変化するので、配向角度φはコイル形状の指標（measure）である。このよ
うにして、２つの点Ａ１およびＡ２間の距離ｄをコイル上で測定することができ
、ひいては点Ａ１およびＡ２によってしっかり接続された２つの位置間の距離お
よび／または距離の変化を測定することができる。
【００１９】 図２にもとづいて、以下に明瞭に記載される特定の場合において、幾何学的ス
ピン向け直し位相、ひいてはコイル形状が全く単純に決定される。ピッチＳｔを
有する、リード角Θが巻線の始端Ａおよび終端Ｅにおいて同じである、半径ｒの
円筒Ｚの光ファイバの一周の巻き（complete winding）それぞれにより、導入
された直線偏光の回転φをもたらす。回転φの角度は以下の式によって与えられ
る。
ピン向け直し位相、ひいてはコイル形状が全く単純に決定される。ピッチＳｔを
有する、リード角Θが巻線の始端Ａおよび終端Ｅにおいて同じである、半径ｒの
円筒Ｚの光ファイバの一周の巻き（complete winding）それぞれにより、導入
された直線偏光の回転φをもたらす。回転φの角度は以下の式によって与えられ
る。
【数１】 これに関して、Φは円筒Ｚの方位角である。たとえば図２を参照されたい。均
一に巻かれた螺旋の場合にはΘは定数であり、以下の式が得られる。
一に巻かれた螺旋の場合にはΘは定数であり、以下の式が得られる。
【数２】
【００２０】 したがって、始端Ａを角度αで直線偏光に結合して螺旋にするならば、角度φ
で回転された偏光を有することになり、したがってα±φとなる。回転φの角度
の動作的特徴は、コイルのヘリシティに依存する。Ｌはファイバの螺旋の長さで
ある。この点で、螺旋のピッチＳｔの変化に応答して、螺旋角度Θ、ひいてはフ
ァイバ終端Ｅにおける偏光方向が変化する。終端Ｅで線形分析器を設置し、つい
で、光が検出器に達する（strike）ようにし、これにより以下に表される強度Ｉ
が記録される。
で回転された偏光を有することになり、したがってα±φとなる。回転φの角度
の動作的特徴は、コイルのヘリシティに依存する。Ｌはファイバの螺旋の長さで
ある。この点で、螺旋のピッチＳｔの変化に応答して、螺旋角度Θ、ひいてはフ
ァイバ終端Ｅにおける偏光方向が変化する。終端Ｅで線形分析器を設置し、つい
で、光が検出器に達する（strike）ようにし、これにより以下に表される強度Ｉ
が記録される。
【数３】 ここで、γは分析器の配向角度であり、Ｉ０はファイバから生じる直線偏光の
強度である。ここでは、無損失条件が優勢(prevail)であり、ファイバの光が理
想的には直線偏光されたままであることを前提としている。
強度である。ここでは、無損失条件が優勢(prevail)であり、ファイバの光が理
想的には直線偏光されたままであることを前提としている。
【００２１】 他の全ての場合について、複雑な方法であるが、Ｉは同様に、螺旋角度Θ、ひ
いては点ＡおよびＥ間の距離にもとづく。相関は種々の損失とともに、較正によ
り、または式（１）のパラメータを測定することによって、決定されることが好
ましい。検出器では、測定されるべき距離Ｓｔに依存する信号が得られ、パラメ
ータｒ、γ、およびαによって、適切な測定範囲にもたらすことができる。
いては点ＡおよびＥ間の距離にもとづく。相関は種々の損失とともに、較正によ
り、または式（１）のパラメータを測定することによって、決定されることが好
ましい。検出器では、測定されるべき距離Ｓｔに依存する信号が得られ、パラメ
ータｒ、γ、およびαによって、適切な測定範囲にもたらすことができる。
【００２２】 ファイバの単一の巻線のみが距離表示器として使用される必要はない。図１の
ように、多くの巻線、および非整数の数の巻線（non-whole number）を用いるこ
とが可能である。ＡおよびＥの間の整数の回転数Ｎ、およびＡおよびＥにおける
同じ螺旋角度が与えられ、式（１）によって、回転φの角度を計算することが可
能であり、積分の上限を２ПＮまで拡張する必要がある。整数でなく、かつ均一
でない巻線である多数の回転Ｎが与えられるため、較正は計算よりも有利であり
、単純な式（１）にしたがって実行されることはない。
ように、多くの巻線、および非整数の数の巻線（non-whole number）を用いるこ
とが可能である。ＡおよびＥの間の整数の回転数Ｎ、およびＡおよびＥにおける
同じ螺旋角度が与えられ、式（１）によって、回転φの角度を計算することが可
能であり、積分の上限を２ПＮまで拡張する必要がある。整数でなく、かつ均一
でない巻線である多数の回転Ｎが与えられるため、較正は計算よりも有利であり
、単純な式（１）にしたがって実行されることはない。
【００２３】 一定の螺旋角度を有する均一なコイルを作成するために、ファイバが角度Θに
対して回りに自由に回転することができる巻線の始端および終端の点ＡおよびＥ
にスピンドルが取り付けられる。これらのスピンドルは、巻線の円筒軸に垂直に
配置される。ファイバは、点ＡおよびＥにおいてスピンドルの回りに弾性保持部
材を回転させることができるピボットを有する弾性保持部材に取り付けられる。
この場合には、均一な螺旋は、円筒上の点ＡおよびＥ間の測地曲線として螺旋自
体を自動的に調節するので、式（３）を螺旋の全てのピッチＳｔに適用すること
ができ、それについての構成(formation)はファイバの全長で十分である。
対して回りに自由に回転することができる巻線の始端および終端の点ＡおよびＥ
にスピンドルが取り付けられる。これらのスピンドルは、巻線の円筒軸に垂直に
配置される。ファイバは、点ＡおよびＥにおいてスピンドルの回りに弾性保持部
材を回転させることができるピボットを有する弾性保持部材に取り付けられる。
この場合には、均一な螺旋は、円筒上の点ＡおよびＥ間の測地曲線として螺旋自
体を自動的に調節するので、式（３）を螺旋の全てのピッチＳｔに適用すること
ができ、それについての構成(formation)はファイバの全長で十分である。
【００２４】 一般に、光ファイバは（直線）偏光を保持しない、すなわち偏光がファイバか
ら生じると、偏光はもともとファイバへのその入光の際から生じていたため、も
はや偏光されない。この影響は、一方で、円対称からのファイバコアの偏光によ
り、もう一方で、ファイバの曲げによって引き起こされる複屈折によりもたらさ
れる。低偏光モード分散にも特徴づけられる、いわゆる弱複屈折率ファイバにお
いて、ファイバコアの非対称の配向分布（orientation distribution）が、あら
ゆる空間方向において、たとえばファイバを引き出す際のプリフォームの急速な
回転により達成される。したがって、この種のファイバは、本発明による長さ測
定センサを製造するために特に適している。
ら生じると、偏光はもともとファイバへのその入光の際から生じていたため、も
はや偏光されない。この影響は、一方で、円対称からのファイバコアの偏光によ
り、もう一方で、ファイバの曲げによって引き起こされる複屈折によりもたらさ
れる。低偏光モード分散にも特徴づけられる、いわゆる弱複屈折率ファイバにお
いて、ファイバコアの非対称の配向分布（orientation distribution）が、あら
ゆる空間方向において、たとえばファイバを引き出す際のプリフォームの急速な
回転により達成される。したがって、この種のファイバは、本発明による長さ測
定センサを製造するために特に適している。
【００２５】 曲げファイバにおける応力誘導複屈折を回避するために、ファイバの曲げ半径
は小さくなりすぎるべきではない。曲げファイバにおける複屈折の評価は、L.Je
unhommeのSingle-Mode Fiber Optics,N.Y.1983,p.60により与えられている。こ
れは、巻かれたファイバ螺旋がλ／１０よりも小さい位相のずれを有する場合に
理想的である。ここで、λは動作波長である。もう一方で、高いひずみ複屈折値
でさえ、測定原理に実質的に干渉しない。これは、ファイバの出力端での楕円状
に偏光した光の場合においてさえ、螺旋の変形により、長さの変化の測定として
とられうる配向角度φに変化がもたらされるためである。ファイバの大きな曲げ
半径は、螺旋半径を増大することと、螺旋のピッチを拡大することとの双方によ
り得ることができる。
は小さくなりすぎるべきではない。曲げファイバにおける複屈折の評価は、L.Je
unhommeのSingle-Mode Fiber Optics,N.Y.1983,p.60により与えられている。こ
れは、巻かれたファイバ螺旋がλ／１０よりも小さい位相のずれを有する場合に
理想的である。ここで、λは動作波長である。もう一方で、高いひずみ複屈折値
でさえ、測定原理に実質的に干渉しない。これは、ファイバの出力端での楕円状
に偏光した光の場合においてさえ、螺旋の変形により、長さの変化の測定として
とられうる配向角度φに変化がもたらされるためである。ファイバの大きな曲げ
半径は、螺旋半径を増大することと、螺旋のピッチを拡大することとの双方によ
り得ることができる。
【００２６】 センサの較正はまた、距離Ａ−Ｅの変化に応答して、ファイバの曲げによりも
たらされる、ファイバ端における検出器の強度の変化も含む。即時の測定された
値と、較正測定において決定される値との比較により得られる長さ測定は、巻か
れた光ファイバの長さの変化により引き起こされない光の偏光状態へのいかなる
影響もなくすことができるため、センサの実用的な応用に有利である。
たらされる、ファイバ端における検出器の強度の変化も含む。即時の測定された
値と、較正測定において決定される値との比較により得られる長さ測定は、巻か
れた光ファイバの長さの変化により引き起こされない光の偏光状態へのいかなる
影響もなくすことができるため、センサの実用的な応用に有利である。
【００２７】 図３は、本発明の１つの実用的な特定の実施形態を示す。弾性ファイバ担体Ｄ
（たとえば鋼、青銅、またはプラスチックワイヤ）には、２つの搭載支持体ＨＡ
、ＨＥが設けられており、搭載支持体ＨＡ、ＨＥは、該支持体ＨＡ、ＨＥを自由
に回転することを可能にするスピンドルに適合することができる。記載された実
施形態において、点Ａ、Ｅにおけるスピンドルは、長さの変化が測定される必要
のある望遠アームの２つの管に接続される。記載された実施形態において、ファ
イバ担体Ｄに埋め込まれた、単一の巻線を有する螺旋状の光ファイバが必要とさ
れる。
（たとえば鋼、青銅、またはプラスチックワイヤ）には、２つの搭載支持体ＨＡ
、ＨＥが設けられており、搭載支持体ＨＡ、ＨＥは、該支持体ＨＡ、ＨＥを自由
に回転することを可能にするスピンドルに適合することができる。記載された実
施形態において、点Ａ、Ｅにおけるスピンドルは、長さの変化が測定される必要
のある望遠アームの２つの管に接続される。記載された実施形態において、ファ
イバ担体Ｄに埋め込まれた、単一の巻線を有する螺旋状の光ファイバが必要とさ
れる。
【００２８】 光源ＬＱはホルダーＨＡから下流に配置され、ホルダーＨＡに機械的に接続され
て、安定した結合状態を確実にすることができる。好ましくは直線偏光を生成す
る光源ＬＱは、たとえば、発光ダイオードまたは半導体レーザである。光はレン
ズＬ１を介して結合され、その入力端はホルダーＨＡに配置される。ファイバは
、弾性ファイバ担体Ｄ上または弾性ファイバ担体Ｄ内に固定される。光源が非偏
光を放出する場合には、直線偏光子ＰＡは、光源と、ファイバの始端との間に置
かれなければならない。
て、安定した結合状態を確実にすることができる。好ましくは直線偏光を生成す
る光源ＬＱは、たとえば、発光ダイオードまたは半導体レーザである。光はレン
ズＬ１を介して結合され、その入力端はホルダーＨＡに配置される。ファイバは
、弾性ファイバ担体Ｄ上または弾性ファイバ担体Ｄ内に固定される。光源が非偏
光を放出する場合には、直線偏光子ＰＡは、光源と、ファイバの始端との間に置
かれなければならない。
【００２９】 ホルダーＨＥは巻線の終端Ｅにあり、ホルダーＨＥに、レンズ１２、および固
定された、または回転可能な線形分析器ＰＥが固定されている。レンズは、ファ
イバから検出器ＤＥへ光の像を映す。光源ＬＱおよび検出器ＤＥは、容易に動く
ことのできる導体を介して、対応するネットワーク、ならびに記録装置Ｎおよび
Ｒにそれぞれ接続する。干渉効果を回避するために、外界から耐光であるように
して、光源、検出器、およびガラスファイバを得る。
定された、または回転可能な線形分析器ＰＥが固定されている。レンズは、ファ
イバから検出器ＤＥへ光の像を映す。光源ＬＱおよび検出器ＤＥは、容易に動く
ことのできる導体を介して、対応するネットワーク、ならびに記録装置Ｎおよび
Ｒにそれぞれ接続する。干渉効果を回避するために、外界から耐光であるように
して、光源、検出器、およびガラスファイバを得る。
【００３０】
本発明は、ロボットアームなどの、多数のシステムにおける長さおよび距離の
変化を精密に検出するための工業の適用に有利に使用することができる。
変化を精密に検出するための工業の適用に有利に使用することができる。
【図１】 本発明による、螺旋状光ファイバを有するセンサを示す。
【図２】 螺旋状光ファイバの詳細部分を示す。
【図３】 本発明による、入れ子式アーム（telescope arm）の長さの測定変化のための
センサを示す。
センサを示す。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１３年２月９日（２００１．２．９）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
【発明の背景】 移動可能な物体間の距離の変化を測定するための多数の方法が知られている。
たとえば、ひずみゲージのような、電気的方法にもとづいたセンサが知られてい
る。電気容量における、ならびに磁束における変化を、長さにおける小さな変化
で作用する際に利用する。線形変化を判定する光学的方法の利点は、測定される
べき距離の変化を有する点間に導電接続が必要ないことである。小さく、約１μ
ｍから１ｍの平均的距離、および光パルスの遷移時間測定についての干渉計は、
通常、モアレシステムである。干渉計システムは非常に精密でありうるが、機械
的に極度に感度がよいという欠点を有する。また、このシステムの動作は、調節
するのに大幅な費用を伴う。この理由のために、このシステムは、実質的に振動
のないシステムとしてセットアップされなければならず、そのため、使用するの
に単純でなく、特に、物体が移動する距離の変化を検出するのに使用しにくい。
だが、モアレシステムは、数センチメートル以上の測定範囲において同様に精密
であり、かなりの費用で実施されうる。光パルスの遷移時間測定、および／また
はドップラー効果により生成される周波数シフトの測定は、広範な距離の場合に
のみ正確であり、エレクトロニクスによる測定には高いコストが要求される。 Ｆ．ＷａｓｓｍａｎｎとＡ．Ａｎｋｉｅｗｉｃｚによって１９９８年６月に出
版された、「Berry's phase analysis of polarization rotation in helicoida
l fibers」(Applied Optics,vol.37,no.18)という刊行物により、螺旋状に巻か
れた光ファイバを通して伝搬する偏光の回転を算出する方法が知られている。偏
光の回転は、変位の大きさ（程度）を判定するために用いることができる光ファ
イバセンサを実装するのに利用される。 Ｙ．ＬｉｂｏとＡ．Ｆａｒｈａｄによって１９９７年７月に出版された、「Tw
o-dimensional HiBi fiber-optic coil strain sensor」(Acta Photonica Sinic
a,vol.26,no.7,pp.618-622,xp 000884999)という刊行物により、螺旋状に巻かれ
た光ファイバの助けによって、機械的ひずみ、すなわち、光ファイバを通して伝
搬する、利用される光の偏光状態に関する機械的ひずみの影響を測定することが
知られている。 米国特許第５，２０１，０１５号により、光ファイバの助けによって機械的な
ひずみを測定するためのセンサが知られている。その光ファイバは同芯巻線を有
している。機械的引張り応力がそのセンサに及ぼされた場合、巻線が弾性的に伸
張して、巻線の周辺経路（peripheral path）、ひいては光路長も光ファイバに
おいて増加（延長）させる。光路長の増加は、外部から作用する機械的ひずみの
測度として利用される。 米国特許第４，３８９，０９０号により、光ファイバでの特定の偏光状態を形
成するための装置が知られている。光ファイバの少なくとも１つの領域で巻線ま
たはコイルとして形成される。巻線またはコイルの空間的配向を変更することに
よって、また光ファイバを撚ることによって、偏光状態を調節し、変化させるこ
とができる。
たとえば、ひずみゲージのような、電気的方法にもとづいたセンサが知られてい
る。電気容量における、ならびに磁束における変化を、長さにおける小さな変化
で作用する際に利用する。線形変化を判定する光学的方法の利点は、測定される
べき距離の変化を有する点間に導電接続が必要ないことである。小さく、約１μ
ｍから１ｍの平均的距離、および光パルスの遷移時間測定についての干渉計は、
通常、モアレシステムである。干渉計システムは非常に精密でありうるが、機械
的に極度に感度がよいという欠点を有する。また、このシステムの動作は、調節
するのに大幅な費用を伴う。この理由のために、このシステムは、実質的に振動
のないシステムとしてセットアップされなければならず、そのため、使用するの
に単純でなく、特に、物体が移動する距離の変化を検出するのに使用しにくい。
だが、モアレシステムは、数センチメートル以上の測定範囲において同様に精密
であり、かなりの費用で実施されうる。光パルスの遷移時間測定、および／また
はドップラー効果により生成される周波数シフトの測定は、広範な距離の場合に
のみ正確であり、エレクトロニクスによる測定には高いコストが要求される。 Ｆ．ＷａｓｓｍａｎｎとＡ．Ａｎｋｉｅｗｉｃｚによって１９９８年６月に出
版された、「Berry's phase analysis of polarization rotation in helicoida
l fibers」(Applied Optics,vol.37,no.18)という刊行物により、螺旋状に巻か
れた光ファイバを通して伝搬する偏光の回転を算出する方法が知られている。偏
光の回転は、変位の大きさ（程度）を判定するために用いることができる光ファ
イバセンサを実装するのに利用される。 Ｙ．ＬｉｂｏとＡ．Ｆａｒｈａｄによって１９９７年７月に出版された、「Tw
o-dimensional HiBi fiber-optic coil strain sensor」(Acta Photonica Sinic
a,vol.26,no.7,pp.618-622,xp 000884999)という刊行物により、螺旋状に巻かれ
た光ファイバの助けによって、機械的ひずみ、すなわち、光ファイバを通して伝
搬する、利用される光の偏光状態に関する機械的ひずみの影響を測定することが
知られている。 米国特許第５，２０１，０１５号により、光ファイバの助けによって機械的な
ひずみを測定するためのセンサが知られている。その光ファイバは同芯巻線を有
している。機械的引張り応力がそのセンサに及ぼされた場合、巻線が弾性的に伸
張して、巻線の周辺経路（peripheral path）、ひいては光路長も光ファイバに
おいて増加（延長）させる。光路長の増加は、外部から作用する機械的ひずみの
測度として利用される。 米国特許第４，３８９，０９０号により、光ファイバでの特定の偏光状態を形
成するための装置が知られている。光ファイバの少なくとも１つの領域で巻線ま
たはコイルとして形成される。巻線またはコイルの空間的配向を変更することに
よって、また光ファイバを撚ることによって、偏光状態を調節し、変化させるこ
とができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
【課題を解決するための手段】 本目的を、第１および第２の位置間の距離の変化を検出し、少なくとも１つの
該位置に機械的に接続することができる少なくとも１つのほぼ螺旋状に巻かれた
光ファイバを有し、かつ光送信機と、光信号の検出装置とを有するセンサによっ
て達成する。これに関して、該検出装置は、光ファイバを介して伝送された光信
号の偏光状態に依存する出力信号を生成することができる。さらに、基準光ファ
イバ経路が設けられて、その経路により光ファイバがシミュレートされ、かつそ
の経路上に別の（second）光信号が伝送され、双方の経路(both paths)上を伝送
された光信号が、共通の、または個別の検出装置において検出されて、偏光状態
の差を判定することができるようにする。 本目的は、方法上、第１および第２の位置間の距離の変化を検出するための方
法により達成され、その方法は以下の段階、すなわち、 ａ）少なくとも１つの該位置を、ほぼ螺旋状に巻かれた光ファイバに機械的に連
結することと、 ｂ）既知の偏光状態を有する１つの光信号を光ファイバに送ることと、 ｃ）該光信号の偏光状態に関連する情報を取得するようにして、接続線を介して
伝送された光信号を記録する（record）ことと、 ｄ）伝送された光信号の偏光状態に関する情報から、距離の変化を判定すること
と、 ｅ）伝送後の光信号の偏光状態を、伝送前の光信号の偏光状態および／または基
準偏光状態と比較することと、 を含む。 本センサおよび本方法の好適な実施形態は、従属請求項２ないし８および１０
ないし１４にそれぞれ特徴づけられる。
該位置に機械的に接続することができる少なくとも１つのほぼ螺旋状に巻かれた
光ファイバを有し、かつ光送信機と、光信号の検出装置とを有するセンサによっ
て達成する。これに関して、該検出装置は、光ファイバを介して伝送された光信
号の偏光状態に依存する出力信号を生成することができる。さらに、基準光ファ
イバ経路が設けられて、その経路により光ファイバがシミュレートされ、かつそ
の経路上に別の（second）光信号が伝送され、双方の経路(both paths)上を伝送
された光信号が、共通の、または個別の検出装置において検出されて、偏光状態
の差を判定することができるようにする。 本目的は、方法上、第１および第２の位置間の距離の変化を検出するための方
法により達成され、その方法は以下の段階、すなわち、 ａ）少なくとも１つの該位置を、ほぼ螺旋状に巻かれた光ファイバに機械的に連
結することと、 ｂ）既知の偏光状態を有する１つの光信号を光ファイバに送ることと、 ｃ）該光信号の偏光状態に関連する情報を取得するようにして、接続線を介して
伝送された光信号を記録する（record）ことと、 ｄ）伝送された光信号の偏光状態に関する情報から、距離の変化を判定すること
と、 ｅ）伝送後の光信号の偏光状態を、伝送前の光信号の偏光状態および／または基
準偏光状態と比較することと、 を含む。 本センサおよび本方法の好適な実施形態は、従属請求項２ないし８および１０
ないし１４にそれぞれ特徴づけられる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エリンズ，エルナ ウルグワイ国．11600 モンテビデオ，ア パートメント 403 ガリバルディ 2859 (72)発明者 シュミッツァー，ハイデルン ドイツ国．デー−93051 レーゲンスブル グ，ケーニッヒ−フィリップ−ヴェック 25 Ｆターム(参考） 2F065 AA09 AA21 AA65 CC00 EE00 FF49 FF61 GG04 GG06 GG07 HH09 JJ01 LL33 LL34 PP01
Claims (16)
- 【請求項１】 少なくとも１つのほぼ螺旋状に巻かれた光ファイバを有する
、第１および第２の位置間の距離の変化を検出するためのセンサであって、少な
くとも１つの該位置に機械的に接続することができ、光送信機と、光信号の検出
装置とを有し、該検出装置は、前記光ファイバを介して伝送された前記光信号の
偏光状態に依存する出力信号を生成することができる、センサ。 - 【請求項２】 前記検出装置は、直列接続された分析器を有する偏光計また
は検出器である請求項１に記載のセンサ。 - 【請求項３】 前記光ファイバは、螺旋方向に可撓性があり、前記第１およ
び第２の位置間の距離の変化に従うことができる請求項１または２に記載のセン
サ。 - 【請求項４】 前記光ファイバは弾性保持部材に接合され、該弾性保持部材
は、前記光ファイバの機械的荷重に応答して該光ファイバの形状に変化を与え、
該機械的荷重がないことに応答して初期の曲がった形状に前記光ファイバを保持
する請求項１ないし３に記載のセンサ。 - 【請求項５】 前記光ファイバは、少なくとも１つの細長い保持要素、好ま
しくは円筒、の回りに巻かれ、該保持要素は、可撓性があることが好ましい請求
項１ないし４のいずれか１項に記載のセンサ。 - 【請求項６】 前記光ファイバは、該光ファイバが巻かれた形状で移動可能
であるが前記保持要素に安定して固定されたままであるように、該保持要素に固
定されている請求項１ないし５のいずれか１項に記載のセンサ。 - 【請求項７】 一方の巻き方向が優勢である前記光ファイバの場合に、該光
ファイバは、一方の巻き方向のみを有することが好ましい請求項１ないし６のい
ずれか１項に記載のセンサ。 - 【請求項８】 光源は直線偏光を生成し、かつ／または直線偏光子は前記光
ファイバの入力端に位置する請求項１ないし７のいずれか１項に記載のセンサ。 - 【請求項９】 前記光ファイバをシミュレートする基準光ファイバ経路が設
けられ、該基準光ファイバ経路を介して第２の光信号が伝送され、双方の（both
）経路を介して伝送された該光信号は、共通の、または個別の検出装置において
感知されて、前記偏光状態における差を決定することができるようにする請求項
１ないし８のいずれか１項に記載のセンサ。 - 【請求項１０】 第１および第２の位置間の距離の変化を検出するための方
法であって、以下の特徴、 ａ）少なくとも１つの該位置を、ほぼ螺旋状に巻かれた光ファイバに機械的に
連結すること、 ｂ）既知の偏光状態を有する光信号を前記光ファイバに発信すること、 ｃ）該光信号の偏光状態に関連する情報を取得するために、接続線を介して伝
送された前記光信号を感知すること、 ｄ）前記伝送された信号の前記偏光状態に関する情報から、前記距離の変化を
検出すること、 を含む方法。 - 【請求項１１】 前記距離の変化は、前記検出された信号、および場合によ
っては前記検出された信号の個々のパラメータを、特定の距離に対応する較正測
定で決定された値と比較することにより決定される請求項１０に記載の方法。 - 【請求項１２】 前記距離の変化は、前記検出された信号から計算され、場
合によっては、前記検出された信号の個々のパラメータから、および前記光ファ
イバの三次元曲線の形状から計算される請求項１０に記載の方法。 - 【請求項１３】 前記伝送の後の前記光信号の偏光状態は、前記伝送の前の
偏光状態および／または基準偏光状態と比較される請求項１０ないし１２のいず
れか１項に記載の方法。 - 【請求項１４】 前記基準偏光状態は、機械的停止状態での通信リンクを介
する伝搬の後に測定された前記光信号の偏光状態である請求項１３に記載の方法
。 - 【請求項１５】 前記光信号は基準信号とともに検出される請求項１０ない
し１４のいずれか１項に記載の方法。 - 【請求項１６】 前記直線偏光は前記光ファイバに発信され、画定された直
線偏光を有する光が検出される請求項１０ないし１４のいずれか１項に記載の方
法。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19903447.8 | 1999-01-29 | ||
| DE19903447A DE19903447A1 (de) | 1999-01-29 | 1999-01-29 | Sensor und Verfahren zur Erfassung von Abstandsänderungen |
| PCT/EP1999/009845 WO2000045124A1 (de) | 1999-01-29 | 1999-12-09 | Sensor und verfahren zur erfassung von abstandsänderungen |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002535667A true JP2002535667A (ja) | 2002-10-22 |
| JP2002535667A5 JP2002535667A5 (ja) | 2007-03-15 |
Family
ID=7895716
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000596331A Pending JP2002535667A (ja) | 1999-01-29 | 1999-12-09 | 距離の変化を検出するためのセンサおよび方法 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6727491B1 (ja) |
| EP (1) | EP1151242B1 (ja) |
| JP (1) | JP2002535667A (ja) |
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| CA (1) | CA2359251C (ja) |
| DE (2) | DE19903447A1 (ja) |
| WO (1) | WO2000045124A1 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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| GB2421075A (en) * | 2004-12-09 | 2006-06-14 | Insensys Ltd | Optical-fibre interstice displacement sensor |
| CN102818536B (zh) * | 2012-08-16 | 2015-09-23 | 南京东利来光电实业有限责任公司 | 检测光纤形状和中心的方法 |
| DE102016225218A1 (de) * | 2016-12-16 | 2018-06-21 | Zf Friedrichshafen Ag | Stoßdämpfer oder Federdämpfer |
| US11877937B2 (en) * | 2020-10-16 | 2024-01-23 | Accenture Global Solutions Limited | Springs with strain feedback |
Citations (6)
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