JP2023068768A - 光ファイバセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】センサ感度や周波数特性などの応答性能を用途に応じて変更可能な光ファイバセンサを提供する。【解決手段】光ファイバセンサ１００は、伝送する光の一部を漏洩するヘテロコア部ＨＰを有し、入射端から入射されてヘテロコア部ＨＰを通過した光を出射端から出射する光ファイバ１０と、ヘテロコア部ＨＰから一端側に離れた部分Ａにて光ファイバ１０が固定された基体２０と、基体２０に対して所定の方向に揺動可能に支持され、ヘテロコア部ＨＰから他端側に離れた部分Ｂにて光ファイバ１０が固定された揺動体３０とを備える、揺動体３０の基体２０に対する揺動に応じてヘテロコア部ＨＰを含む部分の光ファイバ１０の曲げが変化することにより、光ファイバ１０を伝送する光に損失に変化が生じるように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバを用いた光ファイバセンサに関する。

異なる径のコア及び該コアの外周に設けられたクラッドで構成され、伝送する光の一部を漏洩するヘテロコア部を有する光ファイバを用いて、歪みなど検出するヘテロコア式光ファイバセンサが知られている。ヘテロコア式光ファイバセンサは、ヘテロコア部の曲率半径の相違に応じて漏洩する光量が変化することに基いて、歪みなどを検出する。

例えば、特許文献１には、光ファイバの先端面に金属膜を設け、この光ファイバの先端部の外周を覆い部材で覆い、覆い部材の後端側近傍にヘテロコア部を配置させ、光ファイバの後端側を変位体に固定し、覆い部材を重錘として変位体に対して揺動自在に設けられた光ファイバ変位センサが記載されている。

特開２０１９－７０６２３号公報

上記特許文献１に開示された光ファイバ変位センサは、変位体に作用する加速度を計測する加速度センサとして使用することも可能である。しかし、光ファイバ自体が揺動部材として機能しているので、揺動部の振動特性は使用する光ファイバと覆い部材の機械的物理定数（重量、ヤング率など）に支配される。そのため、センサ感度や周波数特性などの応答性能は限定的であり、用途にあわせて、自由に振動特性を調節することは困難であった。

本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、センサ感度や周波数特性などの応答性能を用途に応じて変更可能な光ファイバセンサを提供することを目的とする。

本発明の光ファイバセンサは、伝送する光の一部を漏洩する光透過部を有し、入射端から入射されて前記光透過部を通過した光を出射端から出射する光ファイバと、前記光透過部から一端側に離れた部分にて前記光ファイバが固定された基体と、前記基体に対して所定の方向に揺動可能に支持され、前記光透過部から他端側に離れた部分にて前記光ファイバが固定された揺動体とを備え、前記揺動体の前記基体に対する揺動に応じて前記光透過部を含む部分の前記光ファイバの曲げが変化することにより、前記光ファイバを伝送する光に損失に変化が生じるように構成されていることを特徴とする。

本発明の光ファイバセンサによれば、揺動体の基体に対する揺動に応じて光透過部を含む部分の光ファイバの曲げが変化することにより、光ファイバを伝送する光に損失に変化が生じるように構成されている。これにより、揺動体に揺動を及ぼす外力、ひいては、基体に作用する加速度を、光ファイバを伝送する光の損失の変化を計測することにより測定することが可能となる。

また、揺動体の重量、形状などを変えてその機械振動特性を変更することによって、光ファイバセンサの感度や周波数特性などの応答性能を調整することが可能である。

本発明の光ファイバセンサにおいて、前記揺動体は、前記光ファイバの前記部分が固定されている揺動本体と、所定の方向における剛性が他の方向における剛性より低く、一端が前記基体に固定され、他端が前記揺動本体に固定された連結体とからなることが好ましい。

この場合、基体に対して所定の方向に作用する加速度を測定することが容易に可能となる。

また、光ファイバの曲げが変化することにより光ファイバを伝送する光に生じる損失の変化を良好に測定するために、本発明の光ファイバセンサにおいて、前記光ファイバが前記基体に固定された部分と、前記光ファイバが前記揺動体に固定された部分との間隔が１０ｍｍ以下であることが好ましい。

また、本発明の光ファイバセンサにおいて、前記光ファイバが前記基体に固定された部分と、前記光ファイバが前記揺動体に固定された部分との間隔が調整可能であるが好ましい。

この場合、前記間隔を調整することによって、光ファイバセンサの感度や周波数特性などの応答性能を調整することが可能となる。

本発明の実施形態に係る光ファイバセンサの模式縦断面図。 蓋体を取り外した状態における光ファイバセンサの模式上面図。 ヘテロコア部を有する光ファイバを説明する図。 ヘテロコア部を有する光ファイバの模式断面斜視図。 第１の検証モデルにおける距離ｄの相違による加速度振幅とセンサ出力振幅との関係を示すグラフ。 第１の検証モデルにおける周波数が１０Ｈｚ時のセンサ出力を示すグラフ。 第１の検証モデルにおける周波数が１００Ｈｚ時のセンサ出力を示すグラフ。 第２の検証モデルの模式斜視図。 第２の検証モデルにおける距離Ｌの相違による周波数とセンサ感度との関係を示すグラフ。

本発明の実施形態に係る光ファイバセンサ１００について図面を参照して説明する。なお、図面は、光ファイバセンサ１００及びその構成要素などを明確化するためにデフォルメされており、実際の比率を表すものではない。また、上下などの方向は加速度センサ１００単体における方向であり、加速度センサ１００の取付方向などに応じて変化し得る。

光ファイバセンサ１００は、図１及び図２を参照して、ヘテロコア部ＨＰを有する光ファイバ１０と、光ファイバ１０のヘテロコア部ＨＰから離間した一方の部分を所定の形態にて固定することが可能に構成された基体２０と、光ファイバ１０のヘテロコア部ＨＰから離間した他方の部分を所定の形態にて固定することが可能に構成された揺動体３０とを備えている。

光ファイバセンサ１００は、基体２０又は基体２０と一体的に固定された計測対象物（不図示）に作用する加速度やこの加速度により生じる振動数を計測することが可能なセンサである。計測対象物は、例えば、機械、機器、部品等の構造体、コンクリート造の建築物などであるが、限定されない。

光ファイバ１０は、図３Ａ及び図３Ｂを参照して、出射端側の光ファイバ素線１１と、入射端側の光ファイバ素線１２と、光ファイバ素線１１，１２間に挿入されたヘテロコア部ＨＰとから構成されている。

ヘテロコア部ＨＰは、光ファイバ素線１１と光ファイバ素線１２との間に設けられ、伝送される光の一部を漏洩（リーク）する。ヘテロコア部ＨＰは、本発明の光透過部に相当する。

ヘテロコア部ＨＰは、ここでは、コア１３と、その外周部に設けられたクラッド１４とを有する短いシングルモード光ファイバである。例えば、コア１３の径は５μｍであり、クラッド１４の径は１２５μｍであり、長さは１．６ｍｍである。一方、光ファイバ素線１１，１２はともに、コア１５と、その外周部に設けられたクラッド１６とを有する長いシングルモード光ファイバである。例えば、コア１５の径は９μｍであり、クラッド１６の径は１２５μｍである。このように、ヘテロコア部ＨＰのコア径は、光ファイバ素線１１，１２のコア径よりも小さくなるように構成されている。

なお、ヘテロコア部ＨＰ、光ファイバ素線１１，１２の双方、あるいは一方が、マルチモード光ファイバであってもよい。ただし、ヘテロコア部ＨＰ及び光ファイバ素線１１，１２がシングルモード光ファイバであれば、外部からの影響がより受け難いので好ましい。また、ヘテロコア部ＨＰのコア径が、光ファイバ素線１１，１２のコア径よりも大きくなるように構成されていてもよい。また、ヘテロコア部ＨＰが、光ファイバ素線１１，１２のコア１５の屈折率あるいはクラッド１６の屈折率と同等の屈折率を有する素材からなるものであってもよい。この場合も、コア１５の径が、０あるいはクラッド１６の径と同じである一種のヘテロコア構造であると考えることが可能である。

ヘテロコア部ＨＰと光ファイバ素線１１，１２とは、長手方向に直交する界面１７でコア１３，１５が接合するように、略同軸に、放電による融着などによって接合されている。なお、溶融延伸することによって、ヘテロコア部ＨＰを形成してもよい。また、コア１３，１５の径が漸次変化するものであってもよい。

このように、光ファイバ素線１１，１２の中途部にヘテロコア部ＨＰが存在しているので、界面１７におけるコア径の相違によって、光の一部がヘテロコア部ＨＰのクラッド１４に漏洩し、伝送される光が損失される。ヘテロコア部ＨＰ及びその近傍の光ファイバ素線１１，１２の曲率半径Ｒが小さいほど、光の損失量（リーク量）が大きくなる。

図１及び図２も参照して、基体２０は、加速度が作用しても変形しない程度の剛性を有しており、例えば、樹脂、金属、セラミックスなどから形成されている。また、図示しないが、基体２０は、計測対象物に固定することが可能な固定手段を備えていてもよい。

基体２０には、ヘテロコア部ＨＰから一端側に離間した光ファイバ素線１１の部分Ａが所定の形態にて固定されている。ここでは、基体２０の上面に溝（不図示）が形成されており、この溝に光ファイバ素線１１が収容され、この収容状態にて光ファイバ素線１１の部分Ａが図示しない接着剤などによって固定されている。

揺動体３０は、基体２０に作用する加速度の所定の一方向の成分に対応して、所定の一方向に揺動するように構成されており、例えば、樹脂、金属、セラミックスなどから形成されている。

揺動体３０は、ここでは、実質的に変形しない剛性体である揺動本体３１と、揺動本体３１と基体２０とを連結する連結体３２とから構成されており、全体として片持ち梁（カンチレバー）状となっている。ここでは、連結体３２は、Ｚ軸方向に薄い長方形板である。基体２０に作用する加速度のＺ方向成分に対応して、連結体３２は基体２０に連結された部分を始点としてＺ軸方向に揺動し、これにより、揺動本体３１もＺ軸方向に揺動する。

揺動本体３１には、ヘテロコア部ＨＰから他端側に離間した光ファイバ素線１２の部分Ｂが所定の形態にて固定されている。ここでは、揺動本体３１の上面に溝（不図示）が形成されており、この溝に光ファイバ素線１２が収容され、この収容状態にて光ファイバ素線１２の部分Ｂが図示しない接着剤などによって固定されている。

ここでは、光ファイバ素線１１の固定部分Ａと光ファイバ素線１２の固定部分ＢとのＺ方向の位置（高さ）は同じ又は略同じとなっている。そして、光ファイバ１０は、ヘテロコア部をＨＰを中心として光ファイバ素線１１，１２を２か所の固定部分Ａ，Ｂにて固定されている。そして、固定部分Ａ，Ｂ間のヘテロコア部ＨＰを含む光ファイバ１０は、予め曲げが生じているように固定されている。ここでは、光ファイバ素線１１，１２は、Ｘ軸方向に延びる中心線ＣＬに対して共に角度θをなすように固定されている。

光ファイバ１０の曲げが変化することにより光ファイバ１０を伝送する光に生じる損失の変化を良好に測定するために、固定部分Ａ，Ｂの間隔は、好ましくは１０ｍｍ以下である。

また、光ファイバ１０がヘテロコア部ＨＰを含む曲線部分の最小曲率半径は３ｍｍ以上８ｍｍ以下であることが好ましい。そして、この曲線部分は、曲率半径が連続して変化する略円弧状の部分であり、この円弧状の円弧のなす角度は１８０度以下、好ましくは１５０度以下、さらに好ましくは１２０度以下である。ヘテロコア部ＨＰは、曲線部分の中間又は少なくもその近傍に位置している。

さらに、光ファイバセンサ１００は、光ファイバ１０を保護する蓋体４０を備えている、ここでは、蓋体４０は、光ファイバ１０及び揺動体３０の上方を覆うように、基体２０に取り外し可能に取り付けられている。そして、蓋体４０は、揺動体３０の周りを取り囲むように構成され基体２０の上面に取り付けられている。

光ファイバ１０の入射端である光ファイバ素線１２の入射端には、半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザなどの発光素子を有する光源５１が接続されている。光ファイバ１０の出射端である光ファイバ素線１１の端部には、フォトダイドード（ＰＤ）や電荷結合素子（ＣＣＤ）などの受光素子を有する光パワーメータなどの受光部５２が接続されている。さらに、受光部５２には、ＣＰＵやメモリ等を備えた検出部５３が接続されている。なお、受光部５２から検出部５３に無線で受光信号を送信してもよい。

ただし、例えば、光ファイバ素線１２の中途部に光カプラを設け、光カプラで別の光ファイバを分岐させるとともに、光ファイバ素線１２の端部に銀蒸着などによって鏡を形成した反射部を設けてもよい（図６参照）。この場合、前記分岐された光ファイバの端部が出射端となり、この出射端に受光部５２を接続すればよい。このような反射部を設けることにより、揺動体３０から光ファイバ素線１２が延び出ることが回避され、光ファイバ１０の取り回しが簡易となる。

また、光ファイバ素線１１の端部にＯＴＤＲ（Optical time-domain reflectometer）装置を接続して、ＯＴＤＲ装置から入射されたセンサ光の後方へのレイリー散乱光をＯＴＤＲ装置自身が計測するものであってもよい。

光ファイバセンサ１００は、以上のように構成されているので、揺動本体３１がＺ方向（上下方向）に揺動するとき、揺動本体３１に固定部分Ｂが固定されている光ファイバ素線１２がＺ方向に揺動して撓み、固定部分Ａ，Ｂ間の距離が変動する。これにより、光ファイバ１０のヘテロコア部ＨＰを含む部分の曲率が変化する。

光ファイバセンサ１００に作用する上下方向の加速度に対するヘテロコア部ＨＰを含む部分の曲率変化量は、片持ち梁状である揺動体２０の機械振動特性に依存する。そして、この機械振動特性は、光ファイバ１０の固定部分Ａ，Ｂから連結体３２までの距離ｈ、光ファイバ１０の固定部分Ａ，Ｂ間の距離ｄ、揺動体３１の質量、連結体３２の幅及び厚みなどによって定まる。なお、光ファイバ素線１１，１２の曲げに対する座屈応力は、連結体３２の曲げに対する座屈応力と比較して非常に小さく無視することが可能である。

連結体３２の揺動による撓みによる固定部分Ａ，Ｂ間の距離ｄの変化量は、連結体３２の中心軸から固定部分Ａ，Ｂまでの距離ｈが大きいほど、また、揺動本体３１の質量が大きいほど増大する。また、距離dの変化量に対するヘテロコア部ＨＰを含む部分の光ファイバ１０の曲率変化量は、連結体３２が撓んでいないときの距離ｄの初期値にも依存する。そのため、揺動体３０の機械振動特性によって光ファイバセンサ１００の周波数応答性を調整可能であり、さらに、距離ｈ、ｄ又は連結体３２の幅や厚さを変更することによりセンサ感度αを調整可能することもできる。

また、光ファイバセンサ１００は、光ファイバ素線１１，１２として通信用シングルモード光ファイバを用いることができる。そのため、伝送路上での曲げや温度などの外乱に強く、伝送路における温度補償を必要しない。さらに、ブラッグ格子などを有し、光ファイバに発生した歪みを検出することによって計測するものではないので、光ファイバ１０に初期張力を与える必要がないため、センサ設置時に煩雑なプリテンション作業を行う必要がない。

〔第１の検証モデル〕
光ファイバセンサ１００のセンサ感度αを検証するため、第１の検証モデルを作成し、実験を行った。以下、この第１の検証モデルについて説明する。

第１の検証モデルにおいては、距離ｈを ４．５ｍｍ，６．５ｍｍ，９．５ｍｍと相違させ、他の寸法は全て同じである光ファイバセンサ１００を３つ用意した。そして、光源５１から振動数が１００Ｈｚの正弦振動を印加したときにおける加速度振幅とセンサ出力振幅の関係を求めた。図４は、この関係を示すグラフである。

いずれの場合も、印加された加速度振幅に対してセンサ出力振幅は線形的に増加することが分かった。そして、センサ感度α（＝センサ出力振幅／加速度振幅）は距離ｈが大きくなるにつれて大きくなり、距離ｈが９．５ｍｍでは０．０７１ｄＢ／Ｇとなった。

また、ＰＣＢ社製の加速度計３５６Ａ１６を参照用加速度計として用意した。そして、この参照用加速度計と距離ｈが９．５ｍｍである光ファイバセンサ１００とに振動数１０Ｈｚ,１００Ｈｚの正弦振動を印加した。図５Ａは周波数１０Ｈｚ、図５Ｂは周波数１００Ｈｚにおける、光ファイバセンサ１００の検出部５３にて検出したセンサ出力と参照用加速度計が測定した加速度とを示すグラフである。これらから分かるように、光ファイバセンサ１００は、参照用加速度計と同様の測定結果が得られ、加速度センサとして有用であることが分かった。

〔第２の検証モデル〕
光ファイバセンサ１００のセンサ感度αを検証するため、第２の検証モデル２００を作成し、実験を行った。以下、この第２の検証モデルについて説明する。

第２の検証モデル２００は、図６に示すように、光ファイバ１０、本体６０、外枠７０及び上蓋８０などから構成されている。本体６０、外枠７０及び上蓋８０は、全てＵＶ樹脂から形成されている。

検証モデル２００の光ファイバ１０は、光ファイバセンサ１００の光ファイバ１０と同様に構成されている。ただし、光ファイバ１２の端部には銀蒸着などによって鏡を形成した反射部５４が設けられている。

本体６０は、光ファイバセンサ１００の基体２０の一部と揺動体３０とに相当するものである。本体６０は、基体部６１、揺動部６２及び連結部６３を有し、外枠７０に収容され、上蓋８０に覆われている。光ファイバ１０のヘテロコア部ＨＰから一端側に離れた部分は基体部６１に固定されており、光ファイバ１０のヘテロコア部ＨＰから他端側に離れた部分は揺動部６２に固定されている。

基体部６１は、厚みが厚く、外枠７０の一端部に形成された段差部７１の上面に載置されている。これにより、本体６０は外枠７０に収容された状態となる。揺動部６２は、厚みが厚く、揺動本体３１に相当する。連結部６３は、基体部６１と揺動部６２との間に位置し、厚みが薄く、連結体３２に相当する。揺動部６３は、本体６０が外枠７０に収容された状態において、連結部６３を介して揺動しても、外枠７０との間に隙間が開いた状態が維持される。

ここで、基体部６１のＸ軸方向の長さは５ｍｍ、連結部６３のＸ軸方向の長さは２ｍｍであり、本体６０のＸ軸方向の長さＬは１５ｍｍ，２０ｍｍ，２５ｍｍと異なる、すなわち揺動部６２のＸ軸方向の長さのみが相違するものを準備した。

そして、光源５１から振動数が相違する正弦振動を印加し、センサ感度αの周波数応答特性を求めた。図７は、この関係を示すグラフである。

このグラフから、距離Ｌが大きいほど、センサ感度αは大きくなり、共振周波数は小さくなることが分かった。これは、揺動部６２の変位振幅が大きくからであると考えられる。これより、測定対象物の周波数範囲及び所望の感度などに応じて、距離Ｌ、さらに他の距離ｈ，ｄ（図１及び図２参照）を変更すればよいことが分かる。

なお、本発明は実施形態に限定されるものではない。例えば、光ファイバ１０を基体１０、揺動本体３１又は基体部６１、揺動部６２のそれぞれの上面に形成した溝の中に収容している。しかし、光ファイバ１０は、溝の中に収容されるものに限定されず、上記構成部材の上面に載置されて固定されるものなどであってもよい。

また、光ファイバ１０のヘテロコア部ＨＰを含む曲線部分は水平面（ＸＹ平面）上に位置しており、揺動本体３０及び揺動部６２の揺動方向とは直交している。しかし、前記曲線部分の位置する面は、揺動方向と直交するものに限定されず、揺動方向と同じ方向、揺動方向から傾斜した方向に延びる面に位置するものであってもよい。さらに、基体２０に固定部分Ａが固定された光ファイバ素線１１を出射端側、揺動本体３１に固定部分Ｂが固定された光ファイバ素線１２を入射端側であると説明したが、出射端側と入射端側とが逆であってもよい。

１０…光ファイバ、 １１…出射端側の光ファイバ素線、 １２…入射端側の光ファイバ素線、 １３，１５…コア、 １４，１６…クラッド、 １７…界面、 ２０…基体、 ３０…揺動体、 ３１…揺動本体、 ３２…連結体、 ４０…蓋体、 ５１…光源、 ５２…受光部、 ５３…検出部、 ５４…反射部、 ６０…本体、 ６１…基体部、 ６２…揺動部、 ６３…連結部、 ７０…外枠、 ８０…上蓋、 １００…光ファイバセンサ、 ２００…第２の検証モデル、 Ａ，Ｂ…固定部分（部分）、 ＨＰ…ヘテロコア部（光透過部）。

Claims (4)

1. 伝送する光の一部を漏洩する光透過部を有し、入射端から入射されて前記光透過部を通過した光を出射端から出射する光ファイバと、
   前記光透過部から一端側に離れた部分にて前記光ファイバが固定された基体と、
   前記基体に対して所定の方向に揺動可能に支持され、前記光透過部から他端側に離れた部分にて前記光ファイバが固定された揺動体とを備え、
   前記揺動体の前記基体に対する揺動に応じて前記光透過部を含む部分の前記光ファイバの曲げが変化することにより、前記光ファイバを伝送する光に損失に変化が生じるように構成されていることを特徴とする光ファイバセンサ。
2. 前記揺動体は、前記光ファイバの前記部分が固定されている揺動本体と、所定の方向における剛性が他の方向における剛性より低く、一端が前記基体に固定され、他端が前記揺動本体に固定された連結体とからなることを特徴する請求項１に記載の光ファイバセンサ。
3. 前記光ファイバが前記基体に固定された部分と、前記光ファイバが前記揺動体に固定された部分との間隔が１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバセンサ。
4. 前記光ファイバが前記基体に固定された部分と、前記光ファイバが前記揺動体に固定された部分との間隔が調整可能であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の光ファイバセンサ。

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