JP2669359B2

JP2669359B2 - 歪み測定方法及びその装置

Info

Publication number: JP2669359B2
Application number: JP6238964A
Authority: JP
Inventors: 弘之星野
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1994-07-29
Filing date: 1994-10-03
Publication date: 1997-10-27
Anticipated expiration: 2012-10-27
Also published as: JPH0894328A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は導波路を用いた歪み測定
方法及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、歪み測定には抵抗線型の歪み測
定器が数多く使用されている。しかし、この抵抗線型の
歪み測定器には、電磁的な誘導雑音に妨げられたり、静
電的な誘導にも影響されたりして感度が変動し、非常に
不安定である。更に、歪み検出部である銅線類の吸湿に
よる絶縁低下に起因して、しばしば測定不能あるいは不
安定現象が起きて障害となっていた。

【０００３】そこで、従来、電磁的、静電的な誘導雑音
に妨げられることがなく、感度も変動せず安定し、また
障害となっていた絶縁低下から起きる測定不能、不安定
現象を抑止できる光ファイバ歪み計が提案された（例え
ば、特表昭６２−５０００５２号公報、特表昭６１−５
０２９８０号公報）。

【０００４】これは、周期的な位相格子の形成されたコ
アに光を入射し、その光の反射をコアに加えられる歪み
の状態に応じて変化させ、その変化から歪みを測定する
ものである。

【０００５】具体的には、光ファイバ歪み計は、コアに
周期的なブラッグ回折格子を有する光導波路を備える。
この光導波路のコアに光源からビームスプリッタを通
り、レンズを介して広帯域な光が入射される。コアから
の戻りビームは、ビームスプリッタにより分離され解析
のための分光計に導かれる。分光計に導かれる出力は、
格子によるブラッグ反射により生じる。光導波路が変形
により歪んでいると、これに対応して出力スペクトル線
が変位する。この変位は歪みに比例する。分光計で、こ
のスペクトルの変化を解析して導波路に加わっている歪
みの大きさを求める。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の光ファイバ歪み計は、反射光の波長λ、光導波
路の屈折率ｎ、分光計の感度と安定性によって測定感度
が決まり、測定器の量産上、測定感度を管理するのが困
難で、測定感度の均一な製品が得られない。

【０００７】また、反射光の波長λ、光導波路の屈折率
ｎは取り得る値が狭いので、一般の分光計の測定感度を
上げることが難しく、所望の感度で動作させることがで
きない。

【０００８】本発明の目的は、上述した従来技術の欠点
を解消して、測定器の量産上、測定感度を一定の設計値
に容易に管理でき、測定感度が均一な製品を得ることが
できる歪み測定方法及び装置を提供することにある。

【０００９】また、本発明の他の目的は、高感度で動作
させることができる歪み測定方法及び装置を提供するこ
とにある。また、本発明の他の目的は、歪みの相対値を
測定することができる歪み測定方法及び装置を提供する
ことにある。また、本発明の他の目的は、歪みの絶対値
を測定することができる歪み測定方法及び装置を提供す
ることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】第１の発明の歪み測定方
法は、歪みを受けると共振波長が変化する歪み検出用導
波路を備え、該歪み検出用導波路に光を入射して、上記
共振波長と一致する単一の波長ピークをもつ光を出力
し、該出力光を分岐して長さに差がある２つの光路を透
過させた後干渉させて干渉縞を作り、上記出力光の波長
変化に起因して移動する上記干渉縞の移動数をカウント
し、そのカウント値から上記歪み検出用導波路に加えら
れる歪み量の相対値を求めるものである。

【００１１】第２の発明の歪み測定方法は、歪みを受け
ると共振波長が変化する歪み検出用導波路を備え、該歪
み検出用導波路に波長が所定の波長を基準として周期的
に変化する光を入射して、上記共振波長と上記入射光の
波長が一致したときに上記歪み検出用導波路から出力さ
れる単一の波長ピークをもつ光を検出し、一方、上記歪
み検出用導波路に入射する光の一部を分岐して、長さに
差がある２つの光路を透過させた後干渉させて干渉縞を
作り、上記入射光の周期的な波長変化に起因して移動す
る上記干渉縞の移動数を計数パルスに変換してカウント
し、その計数パルスのうち、上記所定の基準波長の光が
入射されたときに計数パルスをカウントした時点と、上
記歪み検出用導波路から単一の波長ピークをもつ光を検
出した時点との間の計数パルスのカウント値から上記歪
み検出用導波路に加えられる歪み量の絶対値を求めるも
のである。

【００１２】第３の発明の歪み測定装置は、光源と、該
光源からの発光された波長の光を歪み検出用導波路に結
合して入射させると共に、該歪み検出用導波路を反射し
て戻って来る反射光を取り出す方向性結合器と、該方向
性結合器から入射された入射光が共振波長と一致したと
き単一の波長ピークをもつ反射光を出力し、その波長が
歪みを受けると変化する歪み検出用導波路と、上記方向
性結合器から取り出された歪み検出用導波路からの反射
光を２つの光に分岐する分岐器と、該分岐器で分岐され
た２つの光をそれぞれ透過させるための長さに差がある
２つの光路と、該２つの光路を透過した光を干渉させて
上記透過光の波長変化に起因して移動する干渉縞を形成
する干渉計と、上記干渉縞の移動数から光の明暗を検出
する受光器と、該受光器で検出した光の明暗数をカウン
トし、このカウント値から上記歪み検出用導波路に加わ
る歪み量の相対値を求める演算手段とを備えたものであ
る。

【００１３】第４の発明の歪み測定装置は、光源と、該
光源から発光された波長の光が入射され、入射光が共振
波長と一致したとき単一の波長ピークをもつ透過光を出
力し、その波長が歪みを受けると変化する歪み検出用導
波路と、該歪み検出用導波路からの透過光を２つの光に
分岐する分岐器と、該分岐器で分岐された２つの光をそ
れぞれ透過させるための長さに差がある２つの光路と、
該２つの光路を透過した光を干渉させて上記透過光の波
長変化に起因して移動する干渉縞を作る干渉計と、上記
干渉縞の移動数から光の明暗を検出する受光器と、該受
光器で検出した光の明暗数をカウントし、このカウント
値から上記歪み検出用導波路に加わる歪み量の相対値を
求める演算手段とを備えたものである。

【００１４】第５の発明の歪み測定装置は、光源と、該
光源から発光された波長の光を交流電圧の印加により変
調して、交流電圧に比例した波長を出力する変調フィル
タと、該変調フィルタに上記交流電圧を印加する交流電
源と、上記変調フィルタからの波長の変化する光を２方
向に分ける光分岐結合器と、上記光分岐結合器で分けた
一方向の光を２つの光に分岐する光分岐器と、上記光分
岐器で分岐された２つの光をそれぞれ透過させるための
長さに差がある２つの光路と、該２つの光路を透過した
光を干渉させて上記透過光の波長変化に起因して移動す
る干渉縞を作る干渉計と、上記干渉縞の移動数から光の
明暗を検出する第１の受光器と、上記光分岐結合器で分
けた残る方向の光を上記歪み検出用導波路に結合して入
射させるとともに、該歪み検出用導波路から反射して出
力される光を取り出す方向性結合器と、該方向性結合器
から入射された入射光が共振波長と一致したとき単一の
波長ピークをもつ反射光を出力し、その波長が歪み変形
により変化する導波路と、上記方向性結合器から取り出
した歪み検出用導波路からの単一の波長ピークをもつ反
射光を検出する第２の受光器と、上記交流電源と同期し
て動作し、第１の受光器が検出する光の明暗数をカウン
トし、そのカウント数のうち、上記変調フィルタのゼロ
電圧に比例した波長が出力される時点と第２の受光器の
出力が検出される時点との間のカウント数から、上記歪
み検出用導波路に加わる歪み量の絶対値を求める演算手
段とを備えたものである。

【００１５】第６の発明の歪み測定装置は、光源と、該
光源から発光された波長の光を交流電圧の印加により変
調して、交流電圧に比例した波長を出力する変調フィル
タと、該変調フィルタに上記交流電圧を印加する交流電
源と、上記変調フィルタからの波長の変化する光を２方
向に分け、そのうちの一方向の光を歪み検出用導波路に
入射し、他方向の光を光分岐器に入射する光分岐結合器
と、上記光分岐結合器から入射された他方向の光を２つ
の光に分岐する光分岐器と、該光分岐器で分岐された２
つの光をそれぞれ透過させるための長さに差がある２つ
の光路と、該２つの光路を透過した光を干渉させて上記
透過光の波長変化に起因して移動する干渉縞を形成する
干渉計と、上記干渉縞の移動数から光の明暗を検出する
第１の受光器と、上記光分岐結合器から入射された入射
光が共振波長と一致したとき単一の波長ピークをもつ透
過光を出力し、その波長が歪みを受けると変化する歪み
検出用導波路と、該歪み検出用導波路を透過して出力さ
れる単一の波長ピークをもつ透過光を検出する第２の受
光器と、上記交流電源と同期して動作し、第１の受光器
が検出する光の明暗数をカウントし、そのカウント数の
うち、上記変調フィルタのゼロ電圧に比例した波長が出
力される時点と第２の受光器の出力が検出される時点と
の間のカウント数から、歪み検出用導波路に加えられる
歪み量の絶対値を求める演算手段とを備えたものであ
る。

【００１６】第７の発明は、上述した歪み測定方法また
は歪み測定装置において、上記長さに差がある光路を光
ファイバによって構成したものである。

【００１７】第８の発明は、上述した歪み測定方法及び
歪み測定装置において、測定を安定化させるために、少
なくとも上記長さに差がある光路を一定の温度に保つよ
うにしたものである。

【００１８】第９の発明は、上述した歪み測定方法及び
歪み測定装置において、歪み検出用導波路を、表面に周
期的な凹凸からなる回折格子が形成されたコアを有して
おり、波長特性が著しく単一の波長光共振特性を有する
導波路としたものである

【００１９】

【作用】第１の発明においては、歪み検出用導波路に光
を入射すると、その入射光が歪み検出用導波路の共振波
長と一致したとき、単一の波長ピークをもつ光が歪み検
出用導波路から出力される。このとき歪み検出用導波路
が歪み変形を受けていないときは、この出力光を長さに
差がある２つの光路を透過させて干渉させても干渉縞の
移動は生じない。しかし、導波路が歪み変形を受ける
と、その歪みを受けると出力光の波長が変化するため干
渉縞は移動する。この移動は光の明暗を伴うからこの明
暗数をカウントすれば、そのカウント値は歪み検出用導
波路に加わる歪み変形量の相対値に比例した値となる。

【００２０】第２の発明においては、歪み検出用導波路
に、波長が周期的に変化する光を入射すると、その入射
光が歪み検出用導波路の共振波長と一致した時点で、単
一の波長ピークをもつ光が歪み検出用導波路から出力さ
れる。この出力時点は、導波路が歪み変形を受けている
と、その変形量に応じて変化する。

【００２１】一方、上記波長の変化する光を長さに差が
ある２つの光路を透過させて干渉させると干渉縞が形成
されるが、この干渉縞は周期的な波長の変化に応じて規
則的な移動を繰り返す。この移動を計数パルスとして捉
らえれば、歪み検出用導波路に入射される波長の変化を
時間の関数で捉らえることが可能となる。

【００２２】したがって、基準波長の光が出る時点と、
歪み検出用導波路から出力が出る時点と間の計数パルス
をカウントすれば、歪み検出用導波路に加えられた歪み
量の絶対値に比例した時間を測定できるから、その時間
測定により歪み量の絶対値を求めることができる。

【００２３】第３の発明においては、光源から波長の光
が方向性結合器を通して歪み検出用導波路に入射され
る。その入射光が歪み検出用導波路の共振波長と一致し
たとき、単一の波長ピークをもつ反射光が歪み検出用導
波路から出力される。その出力光の波長は、歪み検出用
導波路が受ける歪み変形量に応じて変化する。歪みを受
けると波長が変化する歪み検出用導波路からの反射光
は、入射光と同じ光路を通って方向性結合器から取り出
される。取り出された光は光分岐器によって２つの光に
分岐される。分岐された２つの光は長さに差がある２つ
の光路を透過する。２つの光路を透過した光は干渉計に
よって干渉させられ、波長の変化による干渉縞の移動が
生じる。この干渉縞の移動は受光器によって光の明暗数
としてカウントされる。そのカウント値から歪み検出用
導波路の受ける歪み変形量の相対値が演算手段によって
求められる。

【００２４】第４の発明においては、光源から波長の光
が直接歪み検出用導波路に入射される。その入射光が歪
み検出用導波路の共振波長と一致したとき、単一の波長
ピークをもつ透過光が歪み検出用導波路から出力され
る。その出力光の波長は、歪み検出用導波路が受ける歪
み変形量に応じて変化する。歪みを受けると波長が変化
する歪み検出用導波路からの透過光は、光分岐器によっ
て２つの光に分岐される。分岐された２つの光は長さに
差がある２つの光路を透過する。２つの光路を透過した
光は干渉計によって干渉させられ、波長の変化による干
渉縞の移動が生じる。この干渉縞の移動は受光器によっ
て光の明暗数としてカウントされる。そのカウント値か
ら歪み検出用導波路の受ける歪み変形量の相対値が演算
手段によって求められる。

【００２５】第５の発明においては、光源から変調フィ
ルタに波長の光が入力されると、変調フィルタに印加さ
れる交流電圧に比例した波長をもつ変調された光が変調
フィルタから出力される。この変調フィルタからの変調
光は光分岐結合器によって２方向に分けられ、そのうち
の一方向の光が方向性結合器に入射され、他方向の光が
光分岐器に入射される。光分岐結合器から入射された他
方向の光は光分岐器により２つの光に分岐される。光分
岐器で分岐された２つの光は長さに差がある２つの光路
をそれぞれ透過する。２つの光路を透過した光は干渉計
によって干渉させられて、波長の変化による干渉縞の移
動を生じる。この干渉縞の移動が光の明暗として第１の
受光器で検出される。

【００２６】一方、方向性結合器からの一方向の光が歪
み検出用導波路に入射されると、その入射光が共振波長
と一致したとき単一の波長ピークをもつ反射光が歪み検
出用導波路から出力され、その波長は歪み検出用導波路
が受ける歪み変形量に応じて変化する。歪み検出用導波
路を反射した反射光は入射光と同一光路を通って方向性
結合器から取り出される。方向性結合器から取り出され
た反射光は第２の受光器によって検出される。

【００２７】演算手段は、第１の受光器が検出する光の
明暗数をカウントし、そのカウント数のうち、上記変調
フィルタのゼロ電圧に比例した波長が出力される時点
と、第２の受光器の出力が検出される時点との間のカウ
ント数を求める。そして、この値から導波路の受ける歪
み変形量の絶対値を算出する。

【００２８】第６の発明においては、光源から変調フィ
ルタに波長の光が入力されると、変調フィルタに印加さ
れる交流電圧に比例した波長をもつ変調された光が変調
フィルタから出力される。この変調フィルタからの変調
光は光分岐結合器によって２方向に分けられ、そのうち
の一方向の光が歪み検出用導波路に入射され、他方向の
光が光分岐器に入射される。光分岐結合器から入射され
た他方向の光は光分岐器により２つの光に分岐される。
光分岐器で分岐された２つの光は長さに差がある２つの
光路をそれぞれ透過する。２つの光路を透過した光は干
渉計によって干渉させられて、波長の変化による干渉縞
の移動を生じる。この干渉縞の移動が光の明暗として第
１の受光器で検出される。

【００２９】一方、光分岐結合器からの一方向の光が歪
み検出用導波路に入射されると、その入射光が共振波長
と一致したとき単一の波長ピークをもつ透過光が歪み検
出用導波路から出力され、その波長は歪み検出用導波路
が受ける歪み変形量に応じて変化する。歪み検出用導波
路を透過した透過光は第２の受光器によって検出され
る。

【００３０】演算手段は、第１の受光器が検出する光の
明暗数をカウントし、そのカウント数のうち、上記変調
フィルタのゼロ電圧に比例した波長が出力される時点
と、第２の受光器の出力が検出される時点との間のカウ
ント数を求める。そして、この値から歪み検出用導波路
の受ける歪み変形量の絶対値を算出する。

【００３１】第７の発明のように、長さに差がある光路
を光ファイバによって構成すると、構成を簡素化でき
る。

【００３２】第８の発明のように、少なくも上記長さに
差がある光路を一定の温度に保つようにすると、測定を
より安定化できる。

【００３３】第９の発明のように、歪み検出用導波路
を、表面に周期的な凹凸からなる回折格子が形成された
コアを有しており、波長特性が著しく単一の波長光共振
特性を有するブラッグ反射型導波路で構成すると、安価
に構成できる。

【００３４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。

【００３５】（第１実施例）本実施例の歪み測定装置は
歪みの相対値を測定するものであって、歪み検出器、光
源、光路、干渉計、受光器、演算器から構成される。

【００３６】図２は本実施例の歪み検出器である。その
構造は基本的には単一の導波路１であり、クラッド２
と、クラッド内に埋め込まれクラッドよりも屈折率の大
きいコア３とからなる。このコア３には、その長さ方向
に沿って周期的な格子縞（回折格子）４が付けられてい
る。具体的には、コア３の側面に正確に一定間隔で波型
の凹凸が付けられ、いわゆる「ブラッグ反射型」の光波
フィルタを構成する。この導波路１をブラッグ反射型導
波路という。

【００３７】コア３の一端にはメッキされた反射鏡５が
あるので、他端から入射された送信波は反射鏡５で反射
して返るとき、波型の凹凸と光波の波長との関係で定ま
る特定のスペクトルのみを反射光とする。入射光の波長
をλとすれば、λ／２の整数倍の周期で凹凸が付けられ
た場合には、反射が起きる。その他の波長の光はクラッ
ド２に散乱されてしまう。この構造の導波路１を歪み測
定を行う部分に接着し、測定部の歪みにしたがって、導
波路１が伸縮するようにする。導波路１を構成する材料
は、ガラス、透明なプラスチック等である。コア３の部
分は、クラッド２より屈折率が高くなるように、材質を
選定する。

【００３８】図３には、ブラッグ反射型導波路１に対す
る入射光のスペクトル分布ａと反射光のスペクトル分布
ｂの関係を示す。反射光のスペクトル分布ｂからわかる
ように、ブラッグ反射型導波路１は、コア３に付けられ
た周期的な格子縞４によって波長特性が著しく単一の波
長光共振特性を持つ。導波路１が歪みによって寸法的な
変形を受けた場合、コア３の側面の一定間隔の波型の凹
凸は、同率の変動を受けるので、反射光のスペクトルの
中心値はｃからｄに示すように変動する。

【００３９】図１は導波路１からの反射光を分岐して干
渉させる干渉計に至る光路の構成図である。歪み検出器
の導波路１から反射光の光信号を受信して、干渉計に至
る間の接続は、任意の長さの光ファイバで構成される。
すなわち、送受信される光の波長に適合するよう設計さ
れた光ファイバと、適合できうる光コネクタ、あるいは
光ファイバ溶接技術、マッチングオイルによる接続等、
既に公知となっている技術を全て用いることができる。

【００４０】図１において、方向性結合器６は、光ファ
イバ９によって送信される光源８、例えばＬＥＤ、レー
ザ等からの光を、歪み検出器の導波路１に接続された光
ファイバに結合して、導波路１に送り込む機能を持つ。
同時に歪み検出器の導波路１から戻ってきた反射光を同
一の光ファイバから取り出す機能をもつ。したがって、
方向性結合器６は、測定点である導波路１に対する信号
の送受信を１本の光ファイバで行わせることができる。
なお、必要に応じて導波路１の入射端に集束用のレンズ
を入れてもよい。

【００４１】光分岐器７は方向性結合器６から取り出し
た反射光を、二つのシングルモードファイバ１０、１１
に分割配分する機能を持つ。二つのシングルモードファ
イバ１０、１１は、それぞれ長さに差があるように予め
設計されており、その終端末は共に干渉計に至る。この
シングルモードファイバ１０、１１の部分は、ファイバ
と同様な機能を持った導波路をもって代替もできるが、
それぞれの技術的な利点、製造コスト、安定度等を勘案
の上選択できる。

【００４２】歪み測定装置の感度の安定性を高くするた
めに、光分岐器７、二つのシングルモードファイバ１
０、１１等の戻り回路部分は、一定の温度に保たれた容
器内に収納することが好ましい。

【００４３】図４は干渉計、受光器、演算器の例であ
る。二つのシングルモードファイバ１０、１１で導かれ
た歪み検出器の導波路１からの反射光は、干渉計１６に
よって光路差に基づく干渉縞１３を作る。ブラッグ反射
型導波路１が歪み変形を加えられてブラッグ反射型導波
路１からの反射光の波長が変化すると、干渉縞１３の位
置が移動する。この移動は光の明暗となるので、この光
の明暗を受光器である複数個のフォトセル１２で検出す
る。フォトセル１２により検出した光の明暗数は、ブラ
ッグ反射型導波路１から出力される反射光の波長の変化
に対応するので、ブラッグ反射型導波路１に加えらた歪
み変形量に比例したものとなる。したがって、フォトセ
ル１２の検出結果を演算器である干渉縞：歪みコンピュ
ータ１４のカウンタで積算することにより、その積算値
をブラッグ反射型導波路１に加えられる歪み量の相対値
に換算することができる。その換算値は歪み表示板１５
に表示される。

【００４４】次に、図１〜４によって説明した装置の動
作原理を説明する。実用的な観点からすると、多くの歪
み測定は千分の一以下のことが多い。従って、ここでは
歪みが千分の一の場合について解説する。導波路が千分
の一の変形をすると、その反射スペクトルの波長は千分
の一だけの変化が起きる。図１の二つのシングルモード
ファイバ１０、１１の光路の差がΔＬであったとすれ
ば、干渉計の所までの光の波数の差Ｎは、Ｎ＝ΔＬ×ｎ／λ （１）ただし、ｎ：ファイバの屈折率 λ：反射光の真空中での波長ｎ＝１．４５、λ＝０．６３μｍ、Δλ＝λ／１００
０、ΔＮ＝Ｎ×Δλ／λ＝５，０００、として、式
（１）から光路差ΔＬを求めると、 ΔＬ＝Ｎ×λ／ｎ＝ΔＮ×（λ／Δλ）×（λ／ｎ）＝５，０００×１，０００×０．６３μｍ／１．４５＝２，１７２，４１４μｍ＝２．１７２ｍすなわち、ΔＬ＝２．１７２ｍとしたとき、ブラッグ反
射型導波路が千分の一の変形をすると、干渉計のフォト
セル１２の前で５，０００個の干渉縞が移動することに
なる。正逆方向の移動は干渉縞：歪みコンピュータ１４
で検出し、その検出結果を歪み表示板１５に表示する。
このような検出、表示は、公知のマイコン技術によって
実現する。

【００４５】上述したように本実施例の歪み測定装置
は、ΔＬ、ｎ、λによって測定感度が決まり、実質的に
測定感度を得るための手段は、光ファイバによる光路差
ΔＬであるため、光路差ΔＬを任意に設定することによ
り、測定感度を所望の感度で動作させることができる。
また、測定感度に係わる対象が光ファイバの光路差であ
るから、測定器の量産管理も容易になる。

【００４６】また、光ファイバ及び光部品の多くは、水
晶ガラスを素材として構成されるので、構造的な破損等
の例外的な場合の他は、性能変動の可能性は少ない。ま
た、光源にはＬＥＤ、レーザダイオード等を使用でき、
その他の構成部品も小型軽量であるから、小電力消費で
携帯型とすることができる。

【００４７】（第２実施例）なお、上記実施例ではブラ
ッグ反射型導波路から反射光を取り出して干渉させるよ
うにしたが、透過光を干渉させるようにしてもよい。す
なわち、図５に示すように、導波路１の一端から光源８
からの光を導波路１に入射し、導波路１を透過させて他
端から取り出し、取り出した透過光を光分岐器７に導
き、その分岐光を干渉させるようにしてもよい。これに
よれば、光ファイバは往復で２本必要となるが、方向性
結合器を省略できる。

【００４８】（第３実施例）第３実施例のものは、第１
実施例と同じブラッグ反射型導波路を用いたものである
が、第１実施例の場合と異なり、導波路に加えられる歪
み変形量を常に絶対値測定できるようにしたものであ
る。

【００４９】光源８を出た光は変調フィルタ２１によっ
て単一波長の光源に変調される。変調フィルタ２１は電
圧が与えられると、所定の波長を基準として波長が周期
的に変化するようになっている。電圧は交流電源２２に
より加えられ、変調フィルタ２１から出力される変調波
長は、図７に示すように、電圧ゼロ点（中立ゼロ点）を
中心として正弦波状に変化する。変調フィルタ２１は、
例えば可変光波共振フィルタで構成され、電圧を加える
と機械的な変形によって光波共振波長が変えられるよう
になっている。

【００５０】変調フィルタ２１から出力される光は、光
分岐結合器を構成する第１の方向性結合器６ａによって
光分岐器７と、第２の方向性結合器６ｂとの２方向に分
けられる。なお、第１の方向性結合器６は光分岐器で構
成してもよい。光分岐器７で２つに分岐された一方の光
は迂回した長さΔＬの光ファイバ１１を通り、直行した
光ファイバ１０を通った他の光と干渉計１６で干渉させ
る。交流電源２２の電源電圧の変化に応じて干渉計１６
に加えられる光の波長が変化すると、干渉縞の位置の移
動を生じるため、第１のフォトセル１２ａには光の明暗
がもたらされる。長さΔＬの中に波長λの光が伝播すれ
ば（ΔＬ÷λ）個の波が存在している。波長λに千分の
一の変化があれば、その波の個数の千分の一の波が変化
する。すなわち、（ΔＬ÷λ）÷１０００だけの変化と
なり、それだけの明暗の電気信号、すなわちパルスが第
１フォトセル１２ａにもたらされる。

【００５１】一方、第２の方向性結合器６ｂに送られた
波長変化光は、歪み検出用のブラッグ反射型導波路１に
入射する。入射光の波長がちょうど導波路１の共振波長
と一致すると、入射光は導波路端面の反射鏡で反射され
て単一の波長ピークをもつ反射光として返ってくる。ま
た、導波路１が機械的な歪みを受け変形すると、その反
射光の波長は変化する。したがって変調フィルタ２１か
ら出される光の波長がブラッグ反射型導波路１の波長と
一致したとき第２のフォトセル１２ｂにはパルスが得ら
れる。なお、正弦波の振幅は、測定対象歪みの変位量と
等しいか、またはそれより大きくなければならない。小
さいと第２フォトセル１２ｂからパルスが出ず、測定が
できないからである。

【００５２】ブラッグ反射型導波路１に加えられる歪み
を測定するためには、交流電源２２と同期制御されるカ
ウンタ２３を使用する。図７に示す正弦波の上端ａ点か
ら第１フォトセル１２ａのパルスをカウンタ２３で数え
始め、ブラッグ反射型導波路１からの信号が第２フォト
セル１２ｂで検出されるｔ_a点でカウンタ２３のカウン
トを止める。正弦波の下端ｂ点から再びカウンタ２３を
動かし、ｔ_b点までカウントするが、カウントの方向は
逆、すなわちダウンカウントとする。このようにすると
ａ点からｔ_a点までの間に波長変位（Ａ〜Ｘ）に相当す
るパルス数を数え、ｂ点からｔ_b点までの間に波長変位
（Ｂ〜Ｘ）に相当するパルス数を数えることになる。こ
こで、Ａ、Ｂ、およびＸはそれぞれ、中立ゼロ点に対す
るａ点、ｂ点、および導波路１の出力時点での各波長の
変位量である。（Ａ〜Ｘ）と（Ｂ〜Ｘ）の差を求める
と、すなわちカウンタ２３のｔ_b点におけるカウント値
は、２Ｘとなる。これは中立ゼロ点から導波路１の共振
点までの差０〜Ｘの２倍に当たり、導波路１が受ける歪
みに比例する量となる。なお、カウンタ２３は実施例１
のコンピュータを用いることができ、その場合、歪み量
は歪み表示板に指示する。

【００５３】ここで、正弦波の上端から計った変位と下
端から計った変位との差を取って変位量Ｘの２倍を得る
ようにした理由は次の通りである。正弦波の対応する任
意の２点からカウンタを起動することもできなくはない
が、正弦波の上下両端からカウンタを起動し、２Ｘを求
めるのが最も簡単なやり方である。また、上下からカウ
ントして差を取ると、対称な上下振幅に変動が生じて
も、プラスマイナスゼロとなるので、正弦波電圧の安定
化回路などを省略または簡略化できる。

【００５４】この第３本実施例によれば、変調フィルタ
に交流電圧を加えて導波路の通過波長を変化させ、導波
路出力の波長と一致する点を検出して、この点と中立ゼ
ロ点との時間差を計るようにしたので、導波路に加えら
れる歪みの絶対値が絶えず求められる。すなわち常時変
調フィルタのゼロ点からの変位が求められて指示される
ので、瞬時のノイズなどの混入によって誤差が出ても、
次の測定の動作でのカウンタは毎回ゼロから起動し、絶
対値が求められるので、真値に回復する機能がある。こ
の点で実施例１、２のように、相対値、つまり前の瞬間
の値に対する変動分を加算していく方法では、ノイズな
どで発生した誤差はそのまま残る。これと同じことが停
電が起きた場合にもいえる。例えば、図８に示すよう
に、刻々の歪みの変化分を検出してカウンタで積算する
方式である実施例１、２のものでは、停電後絶対値は見
失われる。電源が回復するとその瞬間からの相対的な歪
み変化測定が再開されるだけで、停電中に歪み変化がど
うなったかは分からない。この点で第３実施例のもの
は、再度電源が回復した時に歪みの絶対値が読み取れ、
停電中の歪み変化が推測できる。

【００５５】また、本装置の精度に関しては、光ファイ
バ間１０、１１の長さの差ΔＬを大きくすると、パルス
がより多く出る。すなわち、ΔＬで精度が決まるので、
測定器の感度を較正する必要はない。したがって、長期
に亘って歪みを測定する場合に好適である。

【００５６】なお、この実施例では、パルス数をカウン
トする場合、正弦波の最初の半サイクルのａ点からｔ_a
点までの間をカウントし、次の半サイクルのｂ点からｔ
_b点までの間にパルス数を数えるようにした。しかし、
ｔ_aで瞬時にカウントダウンに転じ、ｂ点までカウント
すれば半サイクルで２Ｘが求まる。次の半サイクルのｂ
点からｃ点の間では測定を止め、この間はデータを外部
に送り出し、カウンタをリセットする。次のサイクルの
ａ点〜ｂ点で測定を繰り返すようにしてもよい。

【００５７】また、変調フィルタに加える電圧を正弦波
としたが、ゼロ点から見て対称であれば、鋸歯状波、梯
形波などでもよい。

【００５８】（第４実施例）なお、第３実施例では導波
路から反射光を取り出して干渉させるようにしたが、透
過光を干渉させるようにしてもよい。すなわち、図９に
示すように、導波路１の一端から第１の方向性結合器６
ａからの光を導波路１に直接入射し、導波路１を透過さ
せて他端から取り出し、取り出した透過光を第２フォト
セル１２ｂに導くようにしてもよい。これによれば、光
ファイバは往復で２本必要となるが、第２の方向性結合
器を省略できる。

【００５９】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、２つの
光路差によって感度が決まるので、光路差を大きくする
ことによって、感度の高い測定を行うことができる。ま
た、干渉縞の移動数のカウント値から歪み量を求めるよ
うにしたので、歪みの相対値を測定することができる。

【００６０】請求項２に記載の発明によれば、２つの光
路差によって感度が決まるので、光路差を大きくするこ
とによって、感度の高い測定を行うことができる。ま
た、基準波長の光が出力される時点を基準にして導波路
のピーク出力波長の変位を求めるようにしたので、歪み
の絶対値を測定することができる。

【００６１】請求項３に記載の発明によれば、請求項１
に記載の効果に加え、２つの光路差によって感度が決ま
るので、測定器の量産上測定感度を一定の設計値に容易
に管理でき、測定感度が均一な製品を得ることができ
る。また、方向性結合器を用いて反射光を利用するよう
にしたので、導波路に対する光信号の送受信を１本の光
路で行うことができ、光路の簡素化を図ることができ
る。

【００６２】請求項４に記載の発明によれば、請求項１
に記載の効果に加え、２つの光路差によって感度が決ま
るので、測定器の量産上測定感度を一定の設計値に容易
に管理でき、測定感度の均一な製品を得ることができ
る。また、光源からの光を直接導波路に入射するように
したので、方向性結合器を省略することができる。

【００６３】請求項５に記載の発明によれば、請求項２
の効果に加え、２つの光路差によって感度が決まるの
で、測定器の量産上測定感度を一定の設計値に容易に管
理でき、測定感度が均一な製品を得ることができる。ま
た、方向性結合器を用いて反射光を利用するようにした
ので、導波路に対する光信号の送受信を１本の光路で行
うことができ、光路の簡素化を図ることができる。

【００６４】請求項６に記載の発明によれば、請求項２
の効果に加え、２つの光路差によって感度が決まるの
で、測定器の量産上測定感度を一定の設計値に容易に管
理でき、測定感度が均一な製品を得ることができる。ま
た、光分岐結合器からの光を直接導波路に入射するよう
にしたので、方向性結合器を省略することができる。

【００６５】請求項７に記載の発明によれば、長さに差
がある光路を光ファイバによって構成したので、構成を
簡素化できる。

【００６６】請求項８に記載の発明によれば、光路を一
定の温度に保つようにしたので、測定をより安定化でき
る。

【００６７】請求項９に記載の発明によれば、歪み検出
用導波路をブラッグ反射型導波路で構成したので、安価
に構成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の歪み測定装置の第１実施例を説明する
ための歪み検出器と干渉計とをつなぐ光路の説明図。

【図２】第１実施例による歪み検出器を構成するブラッ
グ反射型導波路の説明図。

【図３】第１実施例による入射光と反射光のスペクトル
分布図。

【図４】第１実施例による干渉計、受光器、演算器の説
明図。

【図５】第２実施例を示す歪み検出器の説明図。

【図６】第３実施例による歪み検出装置の説明図。

【図７】第３実施例の動作説明図。

【図８】第１、第２実施例と第３実施例との歪み変位検
出特性を比較した図。

【図９】第４実施例による歪み検出装置の説明図。

【符号の説明】

１ブラッグ反射型導波路６方向性結合器７光分岐器８光源９光ファイバ１０光ファイバ１１光ファイバ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】歪みを受けると共振波長が変化する歪み検
出用導波路を備え、該歪み検出用導波路に光を入射し
て、上記共振波長と一致する単一の波長ピークをもつ光
を出力し、該出力光を分岐して長さに差がある２つの光
路を透過させた後干渉させて干渉縞を作り、上記出力光
の波長変化に起因して移動する上記干渉縞の移動数をカ
ウントし、そのカウント値から上記歪み検出用導波路に
加えられる歪み量の相対値を求める歪み測定方法。
【請求項２】歪みを受けると共振波長が変化する歪み検
出用導波路を備え、該歪み検出用導波路に波長が所定の
波長を基準として周期的に変化する光を入射して、上記
共振波長と上記入射光の波長が一致したときに上記歪み
検出用導波路から出力される単一の波長ピークをもつ光
を検出し、一方、上記歪み検出用導波路に入射する光の
一部を分岐して、長さに差がある２つの光路を透過させ
た後干渉させて干渉縞を作り、上記入射光の周期的な波
長変化に起因して移動する上記干渉縞の移動数を計数パ
ルスに変換してカウントし、その計数パルスのうち、上
記所定の基準波長の光が入射されたときに計数パルスを
カウントした時点と、上記歪み検出用導波路から単一の
波長ピークをもつ光を検出した時点との間の計数パルス
のカウント値から上記歪み検出用導波路に加えられる歪
み量の絶対値を求める歪み測定方法。
【請求項３】光源と、該光源からの発光された波長の光
を歪み検出用導波路に結合して入射させると共に、該歪
み検出用導波路を反射して戻って来る反射光を取り出す
方向性結合器と、該方向性結合器から入射された入射光
が共振波長と一致したとき単一の波長ピークをもつ反射
光を出力し、その波長が歪みを受けると変化する歪み検
出用導波路と、上記方向性結合器から取り出された歪み
検出用導波路からの反射光を２つの光に分岐する分岐器
と、該分岐器で分岐された２つの光をそれぞれ透過させ
るための長さに差がある２つの光路と、該２つの光路を
透過した光を干渉させて上記透過光の波長変化に起因し
て移動する干渉縞を形成する干渉計と、上記干渉縞の移
動数から光の明暗を検出する受光器と、該受光器で検出
した光の明暗数をカウントし、このカウント値から上記
歪み検出用導波路に加わる歪み量の相対値を求める演算
手段とを備えた歪み測定装置。
【請求項４】光源と、該光源から発光された波長の光が
入射され、入射光が共振波長と一致したとき単一の波長
ピークをもつ透過光を出力し、その波長が歪みを受ける
と変化する歪み検出用導波路と、該歪み検出用導波路か
らの透過光を２つの光に分岐する分岐器と、該分岐器で
分岐された２つの光をそれぞれ透過させるための長さに
差がある２つの光路と、該２つの光路を透過した光を干
渉させて上記透過光の波長変化に起因して移動する干渉
縞を作る干渉計と、上記干渉縞の移動数から光の明暗を
検出する受光器と、該受光器で検出した光の明暗数をカ
ウントし、このカウント値から上記歪み検出用導波路に
加わる歪み量の相対値を求める演算手段とを備えた歪み
測定装置。
【請求項５】光源と、該光源から発光された波長の光を
交流電圧の印加により変調して、交流電圧に比例した波
長を出力する変調フィルタと、該変調フィルタに上記交
流電圧を印加する交流電源と、上記変調フィルタからの
波長の変化する光を２方向に分ける光分岐結合器と、上
記光分岐結合器で分けた一方向の光を２つの光に分岐す
る光分岐器と、上記光分岐器で分岐された２つの光をそ
れぞれ透過させるための長さに差がある２つの光路と、
該２つの光路を透過した光を干渉させて上記透過光の波
長変化に起因して移動する干渉縞を作る干渉計と、上記
干渉縞の移動数から光の明暗を検出する第１の受光器
と、上記光分岐結合器で分けた残る方向の光を上記歪み
検出用導波路に結合して入射させるとともに、該歪み検
出用導波路から反射して出力される光を取り出す方向性
結合器と、該方向性結合器から入射された入射光が共振
波長と一致したとき単一の波長ピークをもつ反射光を出
力し、その波長が歪み変形により変化する導波路と、上
記方向性結合器から取り出した歪み検出用導波路からの
単一の波長ピークをもつ反射光を検出する第２の受光器
と、上記交流電源と同期して動作し、第１の受光器が検
出する光の明暗数をカウントし、そのカウント数のう
ち、上記変調フィルタのゼロ電圧に比例した波長が出力
される時点と第２の受光器の出力が検出される時点との
間のカウント数から、上記歪み検出用導波路に加わる歪
み量の絶対値を求める演算手段とを備えた歪み測定装
置。
【請求項６】光源と、該光源から発光された波長の光を
交流電圧の印加により変調して、交流電圧に比例した波
長を出力する変調フィルタと、該変調フィルタに上記交
流電圧を印加する交流電源と、上記変調フィルタからの
波長の変化する光を２方向に分け、そのうちの一方向の
光を歪み検出用導波路に入射し、他方向の光を光分岐器
に入射する光分岐結合器と、上記光分岐結合器から入射
された他方向の光を２つの光に分岐する光分岐器と、該
光分岐器で分岐された２つの光をそれぞれ透過させるた
めの長さに差がある２つの光路と、該２つの光路を透過
した光を干渉させて上記透過光の波長変化に起因して移
動する干渉縞を形成する干渉計と、上記干渉縞の移動数
から光の明暗を検出する第１の受光器と、上記光分岐結
合器から入射された入射光が共振波長と一致したとき単
一の波長ピークをもつ透過光を出力し、その波長が歪み
を受けると変化する歪み検出用導波路と、該歪み検出用
導波路を透過して出力される単一の波長ピークをもつ透
過光を検出する第２の受光器と、上記交流電源と同期し
て動作し、第１の受光器が検出する光の明暗数をカウン
トし、そのカウント数のうち、上記変調フィルタのゼロ
電圧に比例した波長が出力される時点と第２の受光器の
出力が検出される時点との間のカウント数から、歪み検
出用導波路に加えられる歪み量の絶対値を求める演算手
段とを備えた歪み測定装置。
【請求項７】上記長さに差がある光路を光ファイバによ
って構成した請求項１ないし６のいずれかに記載の歪み
測定方法または歪み測定装置。
【請求項８】少なくも上記長さに差がある光路を一定の
温度に保つようにした請求項１ないし７のいずれかに記
載の歪み測定方法または歪み測定装置。
【請求項９】上記歪み検出用導波路が、表面に周期的な
凹凸からなる回折格子が形成されたコアを有しており、
波長特性が著しく単一の波長光共振特性を有する導波路
である請求項１または２に記載の歪み測定方法、または
請求項３ないし８のいずれかに記載の歪み測定装置。