JP2005156529A

JP2005156529A - 光ファイバ振動センサ

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Publication number: JP2005156529A
Application number: JP2004135887A
Authority: JP
Inventors: Woo-Hu Tsai; 五湖蔡
Original assignee: Tatung Co Ltd
Current assignee: Tatung Co Ltd
Priority date: 2003-11-21
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2024-04-30
Also published as: US20050109922A1; JP4104575B2; US7110626B2; TW200517641A; TWI225923B

Abstract

【課題】光ファイバ振動センサの提供。
【解決手段】光ファイバ振動センサは光ファイバ、レーザー光源、ホトダイオード、光波分析手段を具えている。光ファイバは管状構造とされてクラッド層とコアを具え、該光ファイバは第１端、第２端及び検出エリアを具えている。該レーザー光源はレーザー光を該光ファイバの第１端に発射し、ホトダイオードは該光ファイバの第２端に接続され、光波分析手段は該ホトダイオードに接続されている。そのうち、該検出エリアは少なくとも一つの研磨エリアとラスタを具え、該研磨エリアは該光ファイバの側辺を研磨して形成され、且つ該ラスタは該研磨エリアに位置する。
【選択図】図４

Description

本発明は一種の光ファイバ振動センサに係り、特に、単一ラスタを具えた光ファイバ振動センサに関する。

伝統的な機械式振動センサは体積が大きく、重量も大きく、このため周波数応答範囲が小さく、敏感度は低く且つ応用範囲が有限であるという欠点がある。
光ファイバセンサは電磁干渉防止、防水、腐蝕防止、低伝送損耗、且つ高い正確度の長所を有し、このため光ファイバ振動センサは上述の機械式振動センサの欠点を解決する方法の一つである。

しかし、一般に各種物理量を測定する光ファイバセンサは、光ファイバセンサの構造或いは設計の制限のために、小体積、軽量、低コストの要求を達成できず、振動センサに使用すると、高い敏感度と広い周波数応答範囲の特性を獲得できない。

既知の高い安定度を有する光ファイバセンサは、一対のブラッグ光ファイバラスタを検出エリアを挟み、この検出エリアは光ファイバより一部のクラッド層を除去して周囲物質と反応可能な媒体を蒸着或いはドープして形成し、これにより光ファイバラスタの反射光が検出エリアの改変により改変し、それが機械或いは化学反応性環境を測定に用いられるが、振動センサではない。

本発明の主要な目的は、一種の光ファイバ振動センサを提供することにあり、それは、体積が小さく軽量で、敏感度が高く、且つ周波数応答範囲が広く、各種の振動源の周波数うと振幅を検出できる光ファイバ振動センサであるものとする。

請求項１の発明は、光ファイバ振動センサにおいて、
管状構造を有してクラッド層とコアを具えると共に、第１端、第２端及び検出エリアを具えた光ファイバと、
レーザー光を該光ファイバの第１端に発射するレーザー光源と、
該光ファイバの第２端に接続されたホトダイオードと、
該ホトダイオードに接続された光波分析手段と、
を具え、該検出エリアは少なくとも一つの研磨エリアと一つのラスタを具え、該研磨エリアは該光ファイバの側辺を研磨して形成され、且つ該ラスタは該研磨エリアに位置することを特徴とする、光ファイバ振動センサとしている。
請求項２の発明は、請求項１記載の光ファイバ振動センサにおいて、研磨エリアはコアが露出するよう研磨により形成されたことを特徴とする、光ファイバ振動センサとしている。
請求項３の発明は、請求項１記載の光ファイバ振動センサにおいて、ラスタは、ホトレジスト層を研磨エリアにコーティングにより形成する工程と、該ホトレジスト層に露光と現像によりラスタパターンを形成する工程と、エッチングによりラスタを形成する工程と、により形成され、該ラスタは該ホトレジスト上に形成された複数の平行な長方形凹溝とされ、且つこれら長方形凹溝の長軸方向が光ファイバのコアの軸方向に垂直であることを特徴とする、光ファイバ振動センサとしている。
請求項４の発明は、請求項１記載の光ファイバ振動センサにおいて、ラスタのサイクル長さが８〜１５μｍであることを特徴とする、光ファイバ振動センサとしている。
請求項５の発明は、請求項１記載の光ファイバ振動センサにおいて、光波分析手段が保存式示波器とされたことを特徴とする、光ファイバ振動センサとしている。

本発明の長所は周知の技術で必要であった第１ラスタと第２ラスタの一方より基準信号を得る方法を改善し、直接透過光或いはリターン光を基準信号となすことで、製作時間、コストを節約し、その敏感度もまた周知の技術よりも優れたものとされたことにある。本発明は側辺研磨の光ファイバにエッチングによりラスタを形成した後、干渉型のセンサを更に簡単で敏感な光強度型センサとなす。また、本発明の光ファイバ振動センサは敏感度が極めて高いほか、その検出する振動周波数は４６ＫＨｚの超音波周波数範囲に達し、即ち脈拍等の微弱な振動信号も明らかに検出できる。

本発明の光ファイバ振動センサは、光ファイバ、レーザー光源、ホトダイオード、光波分析手段を具えている。光ファイバは管状構造とされてクラッド層とコアを具え、該光ファイバは第１端、第２端及び検出エリアを具えている。該レーザー光源はレーザー光を該光ファイバの第１端に発射し、ホトダイオードは該光ファイバの第２端に接続され、光波分析手段は該ホトダイオードに接続されている。そのうち、該検出エリアは少なくとも一つの研磨エリアとラスタを具え、該研磨エリアは該光ファイバの側辺を研磨して形成され、且つ該ラスタは該研磨エリアに位置する。

一般に、光ファイバはクラッド層１２とコア１１を具え、光線はコア中を行進し、並びにコアとクラッド層の屈折率の違いにより、全反射作用により光線がコア中に保持される。理論上、このような伝送方式はその損耗率が０であるが、実際に運転する時は、一部の光線が散逸し、特に、光ファイバに側辺研磨を行なった後には光線散逸が明らかに増加し、図１に示されるようである。この時、光ファイバ内部のエバネッセントフィールド（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔｆｉｅｌｄ）は、図２及び３に示されるようであり、コア１１中の光波のエネルギー量が最強であり、並びにクラッド層１２に接近するにつれて次第に弱まる。

図４を参照されたい。本発明は側辺研磨の光ファイバの研磨部分にラスタ１３を加えている。この時、光ファイバ内部の断面は図５に示されるとおりであり、且つその内部光線は三つの部分、即ち、透過光１５１、リターン光１５２、及び散逸光１５３に分けられる。これにより透過光１５１或いはリターン光１５２の強度は散逸光１５３の散逸の多寡により改変する。

本発明の周知の技術と異なるところは、単一光ファイバラスタを利用し、光ファイバ内部の光波のエバネッセントフィールドのラスタ不連続界面部分の光散逸が高い特性により、光ファイバが振動を受ける時、その側辺研磨部分のラスタ幾何構造がこれにより振動し、これにより散逸光１５３の量が改変し、これにより透過光１５１及びリターン光１５２の強度も改変し、このとき、光ファイバ後端の光波分析手段で透過光１５１に対して分析を行なうことで、「光波振幅強度改変」結果を得て、信号分析変換の後に振動の強度と周波数を得る。本発明は透過光の部分に対して説明を行なっているが、この原理により、リターン光１５２に対して分析を行ない振動の強度を得ることもでき、これもまた本発明の請求範囲内にあるものとする。

側辺研磨の光ファイバにラスタを形成する方法は、ホトレジストエッチングの方式により達成され、以下のステップを具えている。即ち、ホトレジストを研磨エリアに塗布するステップ、露光現像しラスタパターンをホトレジスト層に形成するステップ、エッチングしてラスタを得るステップ。そのうち、該ラスタはホトレジスト上に形成された複数の平行な長方形凹溝とされ、且つこれら長方形凹溝の長軸方向は光ファイバのコアの軸方向に対して垂直である。

本発明の要点は、ラスタ構造を光ファイバのコア部分に進入させ、またラスタ構造をドライエッチング方式で形成し、エッチング後のラスタ辺壁と光ファイバ中心軸を垂直に保持し、これにより良好な検出効果を達成できるようにすることにある。

以下に本発明の技術内容を理解しやすくするため、一つの比較例と四つの具体的実施例を挙げて説明する。

比較例１：側辺研磨振動センサによる綿糸波共振測定
本比較例は一般の側辺研磨光ファイバ振動センサ（Ｓｉｄｅ−ｐｏｌｉｃｈｅｄｓｅｎｓｏｒ）システムで図６に示されるように綿糸波共振を測定する。図中にはレーザー光源３１、レーザー光源３１に接続された光ファイバ３２が示され、並びに光ファイバ３２に側辺研磨光ファイバセンサ３３が形成され、この側辺研磨光ファイバセンサ３３が綿糸３４に接触し、綿糸３４が別に振動器３５に接触してこの振動器３５により綿糸３４上に振動波が発生する。光ファイバ３２はホトダイオード３６に接続された後、さらに示波器３７に接続され、示波器３７と振動器３５は振動調整器３８に接続されて異なる周波数の振動波を発生する。
綿糸波共振は異なる波長と周波数の綿糸波を以て振動センサの敏感度試験を達成する。
側辺研磨センサは単純に光ファイバの一側を研磨し、光ファイバ内部のエバネッセントフィールドの原理を利用して振動を測定する。側辺研磨センサで測定した結果は図７と８に示されるとおりであり、図から分かるように、その測定結果中の位相変化及び周波数の間はファーストオーダー（ｆｉｒｓｔｏｒｄｅｒ）の関係を呈する。

実施例１：ラスタ光ファイバ振動センサによる綿糸波共振測定
本実施例では側辺研磨光ファイバにあって側辺研磨部分にラスタを形成した光ファイバ振動センサシステムにより綿糸波共振を検出する。本実施例と比較例１中のシステム設置は同じであり、異なるところは、比較例１中では側辺研磨光ファイバセンサ３３により測定を行なったが、実施例１では光ファイバラスタ振動センサにより測定を行なった。その測定結果は図９、１０に示されるとおりである。
図９、１０から分かるように、位相変化と周波数の間はゼロオーダー（ｚｅｒｏｏｒｄｅｒ）の関係を呈し、比較例１中のファーストオーダー関係に較べ、本発明の光ファイバラスタ振動センサの敏感度は明らかに高い。

実施例２：振動周波数応答
本実施例の測定システムは図１１に示されるとおりであり、それはレーザー光源４１、光ファイバ４２、ホトダイオード４３及び保存式示波器４４を具えている。そのうち光ファイバ４２は中間部分にラスタセンサ４２１が形成され、並びにこのラスタセンサ４２１により振動周波数を検出する。
本実施例では振動器を利用して綿糸に対して周波数が１０Ｈｚ、７ＫＨｚ、及び１７ＫＨｚの振動波を発生し、並びにラスタセンサ４２１をこの綿糸に接触させて、本発明の光ファイバ振動センサの測定周波数範囲を測定する。その測定した振幅対時間、及び振幅対周波数の変化は図１２、１３、１４に示されるとおりである。図から分かるように、本発明の光ファイバ振動センサの応答図形は十分に鮮明（ｓｈａｒｐ）であり、測定した振動周波数内にあって良好な測定効果を達成できる。

実施例３：水中超音波振動応答
本実施例は病院用超音波振動洗浄器を利用して超音波振動源を発生し、並びに本発明の光ファイバ振動センサを水中に置いて応答を測定し、振動前に得られる波形と急速フーリエ変換の結果を図１５に示した。測定した超音波振動波形及びそのフーリエ変換後の結果は図１６に示すとおりである。図より分かるように、本発明の光ファイバ振動センサはその感応効果が敏感であり、またその測定できる振動周波数範囲は広く、超音波４６ＫＨｚの周波数範囲である。

実施例４：脈拍測定
本実施例は本発明の光ファイバ振動センサを利用し、光ファイバ振動センサと被測定者の手腕脈拍の間にプラスチック軟球を配置するか或いは配置せず、その測定敏感度を試験する。プラスチック軟球を加えない時の測定結果は図１７に示されるとおりであり、加えた時の測定結果は図１８に示されるとおりである。図から分かるように、プラスチック軟球を加えない時の敏感度も十分に信頼に足るが、プラスチック軟球を加えた時の測定効果は更に向上する。

周知の光ファイバ表示図である。周知の光ファイバ内部のエバネッセントフィールドの表示図である。周知の光ファイバ内部のエバネッセントフィールドの表示図である。本発明のラスタを形成した光ファイバ表示図である。本発明のラスタを形成した光ファイバの内部光線の表示図である。本発明の比較例１の測定システム表示図である。本発明の比較例１の測定結果表示図である。本発明の比較例１の測定結果表示図である。本発明の実施例１のラスタを形成した光ファイバ振動センサの綿糸波測定結果表示図である。本発明の実施例１のラスタを形成した光ファイバ振動センサの綿糸波測定結果表示図である。本発明の実施例２の測定システム表示図である。本発明の実施例２の振幅対時間及び振幅対周波数変化図である。本発明の実施例２の振幅対時間及び振幅対周波数変化図である。本発明の実施例２の振幅対時間及び振幅対周波数変化図である。本発明の実施例３の超音波振動未印加時の波形と急速フーリエ変換結果表示図である。本発明の実施例３の超音波振動印加時の波形と急速フーリエ変換結果表示図である。本発明の実施例４のプラスチック軟球を未配置時の脈拍測定結果表示図である。本発明の実施例４のプラスチック軟球を配置時の脈拍測定結果表示図である。

符号の説明

１１コア１２クラッド層１３ラスタ構造
１５１透過光１５２リターン光１５３散逸光
３１レーザー光源３２光ファイバ３３光ファイバセンサ
３４綿糸３５振動器３６ホトダイオード
３７示波器３８振動調整器
４１レーザー光源４２光ファイバ４２１ラスタセンサ
４３ホトダイオード４４示波器

Claims

光ファイバ振動センサにおいて、
管状構造を有してクラッド層とコアを具えると共に、第１端、第２端及び検出エリアを具えた光ファイバと、
レーザー光を該光ファイバの第１端に発射するレーザー光源と、
該光ファイバの第２端に接続されたホトダイオードと、
該ホトダイオードに接続された光波分析手段と、
を具え、該検出エリアは少なくとも一つの研磨エリアと一つのラスタを具え、該研磨エリアは該光ファイバの側辺を研磨して形成され、且つ該ラスタは該研磨エリアに位置することを特徴とする、光ファイバ振動センサ。
請求項１記載の光ファイバ振動センサにおいて、研磨エリアはコアが露出するよう研磨により形成されたことを特徴とする、光ファイバ振動センサ。
請求項１記載の光ファイバ振動センサにおいて、ラスタは、ホトレジスト層を研磨エリアにコーティングにより形成する工程と、該ホトレジスト層に露光と現像によりラスタパターンを形成する工程と、エッチングによりラスタを形成する工程と、により形成され、該ラスタは該ホトレジスト上に形成された複数の平行な長方形凹溝とされ、且つこれら長方形凹溝の長軸方向が光ファイバのコアの軸方向に垂直であることを特徴とする、光ファイバ振動センサ。
請求項１記載の光ファイバ振動センサにおいて、ラスタのサイクル長さが８〜１５μｍであることを特徴とする、光ファイバ振動センサ。
請求項１記載の光ファイバ振動センサにおいて、光波分析手段が保存式示波器とされたことを特徴とする、光ファイバ振動センサ。