JP3187840B2 - ファイバ光学的ひずみセンサおよびその製造 - Google Patents

ファイバ光学的ひずみセンサおよびその製造

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、光ファイバひずみセンサおよび、特にその
製造に関するものである。
背景 各種の機械的諸量に対する光学的センサは、電気的干
渉に対して無感応であるという明白な利点を有する。従
って、光学的構成諸要素、特に様々な種類の光ファイバ
に基づいたひずみセンサやゲージは、最も変動する環境
内での測定に適している。また、圧力、温度、充てん面
および類似の諸量の如き二次的な機械的諸量をこの種の
センサにより測定することもできる。適切に設計された
光ファイバを含むひずみセンサの場合、光ファイバ自体
の一部分を介して測定位置から監視ユニットへ、更に信
号を伝達することができ、それにより、電気信号伝達に
比し、干渉に対する小さい感度が得られる。
従来の技術 米国特許明細書5132529号および、1989年９月刊行の
ジャーナル・オブ・ライトウェーブ・テクノロジー（Jo
urnal of Lightwave Technology）、第７巻第９号、第1
308頁以降に掲載のジョナサン・Ｄ・ヴァイス（Jonatha
n D.Weiss）による記事「ファイバ・オプティック・ス
トレイン・ゲージ（Fiber−Optic Strain Cauge）」に
は、支持体へ固定的に付着された端部19aおよび19b（参
照符号は前記特許に関連）と、固定されずにマイクロベ
ンドを備えた部分16とを有する光ファイバひずみセンサ
が開示されている。このファイバの一端は光源13へ接続
され、他端は光検出器15へ接続されている。あるいはま
た、一端を光源および検出器の双方に接続し、他端に反
射器を備えることもできる。
更に、光ファイバにマイクロベンドを生成すべく、方
法および装置が記載されている（第２図および第３
図）。この方法には、「成形リッジ」39を備えた電気加
熱される２枚のプレート29a、29b間にファイバが置か
れ、その後、永久的なマイクロベンドが生成されるよ
う、プレートが互いに押圧されることが含まれる。ファ
イバの材料として、望ましくは光学的特性を備えたプラ
スチックが用いられるが、光学的特性を備えた市販のガ
ラス繊維や他の在来のファイバを用いることもできる。
要約 本発明の目的は、商業的に入手可能な光ファイバから
ファイバの光学的ひずみセンサやゲージを生成する、例
えば標準的な機器を用いる簡単な方法を提供することに
ある。
本発明の別の目的は、商業的に入手可能な光ファイバ
から、簡単な方法でしかも標準的な機器を用いて製造で
きる、ファイバの光学的ひずみセンサやゲージを提供す
ることにある。
これらの諸目的は本発明により達成され、その諸特徴
は添付請求の範囲に記載されている。
ひずみセンサとして用いられるべく意図された光ファ
イバ内へのマイクロベンドの永久的導入を達成するた
め、ファイバ接続機の２組のチャックへ光ファイバが先
ず固定的に付着されるが、チャックは互いに整合してお
らず、その後ファイバはその断面で、ファイバ溶接機の
電弧またはレーザにより局部的に加熱され、それによ
り、ファイバの加熱された場所に永久的なマイクロベン
ドが導入される。チャックの、それらが整合されない状
態への移行も加熱中に行うことができ、その場合チャッ
クは初めて整合される。長手方向空洞光ファイバ中のコ
アのマイクロベンドを得る方法にあっては、ファイバの
局部加熱により長手方向の孔が閉ざされ、空洞の閉鎖状
態により、屈折率の変化や、大抵の場合、コアのマイク
ロベンドも導入される。
一般に光ファイバは、ファイバの異なるひずみ条件で
ファイバ内に光を伝搬させる変動する光の伝送特性を有
して生成される。その場合、ファイバは、それが機械的
応力、特に引張応力または圧縮応力または曲げ応力を受
けた場合にファイバ・コア付近での屈折率の局部的変動
や局部的変化が生成される領域を備えることができる。
好適な場合、この領域は、ファイバのコアのマイクロベ
ンドを含むことができる。この種の領域の生成に際して
は、ファイバが、ファイバ直径の数倍未満、例えば単一
モード形式の石英ガラス標準光ファイバの場合、ファイ
バ直径の５倍未満を包含するファイバの長手方向の延長
部を有する小領域にわたり局部的に加熱される。
ファイバの局部加熱に際しては、光ファイバ用の在来
の溶接機の電弧、あるいはまた、適当に高い出力を有す
るレーザ・ビームを用いることができる。その場合、そ
れぞれ電弧またはレーザ・ビームによって影響される領
域は、ファイバの厚さ全体にわたり、万遍なくファイバ
内に延びる。更に、加熱領域の両側のファイバの部分
は、横方向へ、即ちファイバの長手方向に対しほとんど
垂直な方向へ互いに関連して移動される。その場合ファ
イバ・コアのマイクロベンドはＳ字形を伴って生成され
る。
あるいはまた、長手方向空洞光ファイバを局部的に加
熱することもできるが、その場合にはファイバ内の空洞
が崩壊し、ファイバ・コアの付近に機械的応力が引き起
こされる。それらによって加熱領域および隣接領域の屈
折率の変化が生じ、それが伝送特性に影響を及ぼす。
図面の簡単な説明 ここで本発明を、非限定的な諸実施例および添付諸図
面を参照して、更に詳細に説明する。
第1a図は、在来の自動ファイバ溶接機によるマイクロ
ベンドの生成を図式的に示し、 第1b図は、在来の自動ファイバ溶接機によるマイクロ
ベンドの生成を図式的に示し、 第２図は、在来の光ファイバ内で得られたマイクロベ
ンドを図式的に示し、 第３図は、二重コアを有する光ファイバ内で得られた
マイクロベンドを図式的に示し、 第４図は、長手方向空洞ファイバ内で、いかにしてマ
イクロベンドを達成し得るかを図式的に示し、 第５図は、コアのマイクロベンドをそこに達成した長
手方向空洞ファイバを図式的に示し、 第６図は、そのひずみが測定される支持体に付着され
る光学的ひずみセンサを図式的に示し、 第７図は、マイクロベンドを有し且つ、同じファイバ
部片により、異なる２組の対象物のひずみを検出すべく
用いられる光ファイバを図式的に示す。
詳細な説明 第1a図には、側部または上部から視た在来のファイバ
接続機１の中央部分が図式的に示されている。それに
は、図示されていない機構や駆動体装置により、互いに
関連して一般に３座標方向へ移動され得る保持器３に付
着されたプレートまたはチャック２がある。更に電極５
が、電極５の先端間に電弧６を生成すべく、図示されて
いない電圧源に接続されている。互いに溶接される２組
の光ファイバの両端を加熱する通常の場合、電弧６は、
チャック２間の中央に位置する領域を通過する。
ひずみセンサの生産のため、ファイバがチャック２間
の空間内を通り且つ電弧６が生成される電極５の先端間
の領域を過ぎるように、単一の在来の光ファイバ７、例
えば石英ガラスのファイバが２組のチャック２間に置か
れる。チャック２は、通常の如く、融接されまたは単に
加熱される光ファイバのための８で表示された案内を有
し、それらは、ここに論議される方法の当初の状態にお
いて互いに対向させ且つ整合させて置くことができ、従
って光ファイバ７は、基本的にそのいかなる曲げも伴わ
ずに一方から他方のチャックへ通過する。次いで電極５
の先端間に電弧６が生成され、それにより、チャック２
の前側または端面の間の中央に位置する光ファイバ７の
領域が加熱される。この領域は、ファイバの長手方向に
見て可成り局部的であり、例えば、単一モード形式の標
準ファイバの場合、多くてファイバ直径の約５倍しか包
含できない。加熱はファイバ７全体にわたり万遍なく行
われ、ファイバ７の内方部分へ迅速に浸透する。
加熱が十分であり、従って局部的に加熱された領域内
の光ファイバ７のガラスが適度に軟化し若しくは半溶融
された場合は、保持器３が互いに関連して横に距離ｄだ
け移動され、それによりチャック２も互いに関連して同
じ距離ｄだけ横に移動される。ファイバ７の加熱されな
い空白部分の剛性と、加熱領域の軟らかさとの故に、第
２図に図式的に示す如く、光ファイバのＳ字形の曲げが
生成される。この加熱および互いに関連する保持器３の
移動の後、電極５への電流供給が中止され、それにより
電弧６が消滅する。ここで光ファイバ７は永久的なベン
ドを導入させるが、それは第２図に示すような形式であ
る。
この生産方法の好適な代替法が第1b図に示されてい
る。この場合は、チャック２内の案内８が当初、整合さ
れた状態から距離ｄだけ移動され、その後、光ファイバ
７が一方のチャック２から他方のそれへ延伸するよう、
案内８にそれが位置付けされる。次いで、チャック２の
端面間の領域内にファイバの弱い曲げがもたらされる。
その後、上記と同様にして電弧を生成すべく、適当な電
気的高圧が電極５に供給される。これにより、ファイバ
７の領域が上記の如く局部的に加熱され、軟らかく且つ
塑性になる。光ファイバ７の非加熱領域の弾性のため、
加熱領域４とチャック２の端面との間のファイバ部分
は、それぞれのチャック２内のファイバの隣接部分と整
合すべく、真っ直に伸ばされ、それにより加熱領域４内
の材料は、第２図に示されたと同じＳ字形式の形状に曲
げられる。
第２図に示す、生成された光ファイバ７のマイクロベ
ンドは、ベンドが、Ｓ字状の形に構成された２組の弧ま
たは湾曲したセグメントから成り、従って加熱領域の外
側のファイバ７の部分が互いにほとんど平行でありなが
らほぼ距離ｄだけ横に移行する、という事実を特徴とし
ている。ファイバ７のコア９およびファイバ・クラッド
11の表面は、ほとんど同じ輪郭を有する。第２図による
マイクロベンドの生産に際しては、上述の如くファイバ
が、ファイバ７のクラッドの直径の数倍に相当する、例
えばファイバ直径より長く、ファイバ直径の５倍より短
い長さを有する領域にわたり、その長手方向に加熱され
る。光ファイバの平行移動量ｄは、多くてファイバ直径
の１ないし数倍、例えばファイバ直径の３倍未満、好適
な場合にはファイバ直径の１倍未満の程度の、ファイバ
直径の0.5〜１倍を含む範囲の大きさを有する。
二重コアを有する光ファイバには、互いに密接して延
伸し、同じクラッドに包囲される２組の平行なコアが含
まれる。コアが同じ形態を有し且つ互いに隣接して位置
すれば、２組のコア間に結合させることができる。この
種のファイバは、第２図に示したファイバと同様にして
曲げることができ、それが第３図に示されている。この
場合湾曲部は、２組のファイバ・コア９′を通過する面
に関連して適切な方向に作られる。湾曲部はこの曲げの
後、ファイバ・コア９′が同じ面内に延伸するよう、有
利に作ることができる。次いで２組のコアの光学的諸特
性が変更され、２組のコア間の光の結合がそれにより変
更される。
光ファイバ内にマイクロベンドを生成する上述の方法
はまた、他のファイバ、例えば長手方向空洞ファイバ
７′に対しても用いることができる。この種のファイバ
が第５図に図式的に示され、ファイバ・クラッド11の内
側へファイバ・コア９と平行に延伸する長手方向空洞13
がそれに含まれる。空洞ファイバ７′のマイクロベンド
を作るためには、第４図に図式的に示された装置を用い
ることもできる。ここには、長手方向空洞光ファイバ
７′を局部的に加熱するために作られる光ビーム17を生
成すべく、二酸化炭素レーザが用意されている。空洞17
を囲むファイバ７′のクラッド内に位置する材料が局部
的に加熱されると、それが崩壊し、従って空洞は加熱領
域の部分内に保持されない。材料が崩壊すると、ファイ
バ７′のクラッド11の目に見える湾曲部は全く形成され
ないが、その代りに、ファイバ・コア９のマイクロベン
ドが生成され、それが第５図の17に明示されている。コ
アのマイクロベンドは可成り小さく、コアの平行移動量
には、約10μのコア直径、一般的には例えばコア直径の
0.3倍を有する標準的光ファイバに対し、普通、コア直
径の0.1倍程度の大きさを備えるファイバ・コアの半径
のほんの一部分が含まれる。また、第１図に示す形式の
通常の溶接機内の保持器３またはチャック２のいかなる
平行移動も伴わない加熱によりファイバの対応的な局部
加熱を生じさせる可能性があり、それにより、加熱領域
を通過する長手方向空洞13の対応的な崩壊または閉鎖が
生起される。
上に記述され且つそこにマイクロベンドを生成させ
た、少なくともファイバのコア９のファイバ７、７′が
それらの長さの変化、即ちひずみに遭遇すると、コアお
よびクラッドの双方の形態的諸条件が例えばマイクロベ
ンドのひずみ矯正により変更され、更に、コア９および
クラッド11における屈折率の分布について変化がもたら
される。第３図によるマイクロベンドを備えた二重コア
を有する光ファイバのひずみの場合は、引張応力と圧縮
応力との比が低減されて、２組のコア間の光の結合の変
化をもたらすように、湾曲部をひずみ矯正することがで
きる。
第４図および第５図による長手方向空洞ファイバの空
洞の崩壊または閉鎖に際しては、極端な場合、ファイバ
・コア９の目に見える湾曲部が全く得られないことが生
じ得る。空洞ファイバは更に、それがひずみを受けた場
合、ファイバ・コア９に隣接する領域に変更された屈折
率をもたらすことができる上、この影響を検出すること
ができる。
支持体または支持材19のひずみの測定のための、光フ
ァイバ７の用法の図式的な絵画が第６図に示されてい
る。例えば多数のマイクロベンド20を有する、上記のよ
うに処理された１個のファイバ７が、支持材19へ形造ら
れ且つ、塑性材料、例えばエポキシ系接着剤のような熱
硬化性接着剤から成る接着剤層21によりかたく付着され
る。接着剤を塗布する際には、支持材のひずみの、ファ
イバへの直接伝達を生起するため、ファイバ７と支持体
19の表面との間の層が極力薄く且つ剛性であることに注
意を払うべきである。光ファイバ７の両端は適当な検出
装置に接続される。図示の場合には伝送測定用の設備が
用いられ、この場合それは、光源23および光検出器25を
含むことができる。適当な波長を有する光が光源23から
ファイバ７を経て発出され、伝送された光は光検出器25
により測定される。第６図に示す如く、例えば約1mmの
間隔で幾つかのマイクロベンドを互いに密接して配置す
ることにより、マイクロベンドを有する領域がひずみを
受けた場合、増大された感度が得られる。
また、他の検出方法を用いることもできる。この種の
集成装置が第７図に示されており、ここではコアのマイ
クロベンド20を有するファイバ７′の２個の領域が、異
なる２組の支持材13′に付着して置かれている。この場
合各領域は、マイクロベンド20を有する領域の両側で、
接着剤ポンプまたはその他何れかの取付装置27により、
それぞれの支持材へ付着され、従ってマイクロベンドを
有する領域が支持体から分離されることはない。ファイ
バの一端は、光の送信器および受信器の双方として作動
するOTDR計器27へ接続される。受信器部分は、受信され
た光の規模を検出し、光ファイバ７′の種々の点、特に
２組のマイクロベンド20からの逆に拡散された光を識別
できる。それにより２組の支持体19′、19″の各々のひ
ずみを測定できる。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−225134（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−223232（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−170226（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−285839（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−104834（ＪＰ，Ｕ) 特表 昭61−502980（ＪＰ，Ａ) 米国特許4848999（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01L 1/24 G01B 11/16 G02B 6/02

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】種々のひずみ状態で変動する伝送特性を備
    えた光ファイバを製造する方法にして、特に領域を有
    し、機械的応力、特に引張応力または圧縮応力または曲
    げ応力をこの領域が受けた場合にファイバ・コア付近で
    の屈折率の局部的変動や局部的変化が生成され、特にこ
    の領域がマイクロベンドを備えるようにする方法におい
    て、多くともファイバ直径の数倍を含むファイバの長手
    方向の延長部を有する小領域にわたりファイバが局部的
    に加熱され、特に延長部がファイバ直径の５倍未満であ
    ることを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】請求の範囲第１項に記載された方法におい
    て、局部加熱に際し、ファイバの厚さ全体にわたり万遍
    なく領域が加熱されることを特徴とする方法。
  3. 【請求項３】請求の範囲第１項から第２項までの何れか
    １項に記載された方法において、局部加熱に際し、加熱
    領域の両側のファイバの部分が、Ｓ字形を形成すべく、
    ファイバの長手方向に対しほとんど垂直な方向へ互いに
    関連して移動されることを特徴とする方法。
  4. 【請求項４】種々のひずみ条件で変動する伝送特性を備
    えた光ファイバを生成する方法において、 ファイバ・コアからのある距離でファイバ・クラッド内
    のファイバの長手方向に延伸する空洞を有する長手方向
    空洞光ファイバが生成されること、および 多くともファイバ直径の数倍を包含するファイバの長手
    方向の延長部を有する小領域にたって空洞ファイバが局
    部的に加熱され、特に延長部がファイバ直径の５倍未満
    であること、を特徴とする方法。
  5. 【請求項５】請求の範囲第１項から第４項までの何れか
    １項に記載された方法において、電弧により加熱が達成
    されることを特徴とする方法。
  6. 【請求項６】請求の範囲第１項から第５項までの何れか
    １項に記載された方法において、特にレーザからの高い
    強さを有する光ビームにより達成されることを特徴とす
    る方法。
  7. 【請求項７】センサ用としての光ファイバにおいて、フ
    ァイバ内のコアが、湾曲部に隣接するファイバ・コアの
    ほとんど真っ直ぐな延長部からの逸脱部の形の湾曲部を
    設けられ、その場合逸脱部が、コア半径の半分以下を包
    含する高さと、クラッド直径の５倍以下、特に多くとも
    クラッド直径の２倍を包含する長さとを備えることを特
    徴とする光ファイバ。
  8. 【請求項８】請求の範囲第７項に記載された光ファイバ
    において、ファイバが長手方向空洞ファイバであること
    およびファイバ内の長手方向空洞がコアの湾曲部付近で
    閉鎖されることを特徴とする光ファイバ。
  9. 【請求項９】センサとして用いられ且つファイバのコア
    と平行に延伸する長手方向空洞を有する光ファイバにお
    いて、特にクラッド直径の２倍以下を含め、最大でクラ
    ッド直径の５倍を含むファイバの長さにわたりファイバ
    内の長手方向空洞が閉鎖されることを特徴とする光ファ
    イバ。
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