JP4647376B2 - 曲がりセンサとその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、構造物等の曲がりを測定するセンサに関し、特に光ファイバを用いた曲がりセンサにおいてその検知感度を向上させた曲がりセンサとその製造方法に関する。

従来、光ファイバを用いた曲がりセンサとして、例えば特許文献１に開示されたものが提案されている。
特許文献１において用いられているセンサ用光ファイバは、図１に示すように、光ファイバ１の外周面の一部を鋸歯状に加工して光損失を変動させる加工部２が設けられた構成になっている。また図２は、特許文献１に記載されたセンサの構成を示し、このセンサは、前記の通り鋸歯状の加工部２を設けた光ファイバ１と、その一端に接続された発光素子３と、光ファイバ１の他端に接続された受光素子４と、該受光素子４からの信号を入力可能に接続された信号処理回路５とを備えている。

特許文献１に記載のセンサにおいて、光の損失量は光ファイバの加工部に与えられた光ファイバの曲げ量に依存して変動するため、受光素子での受光量変化を検知することにより、光ファイバに与えられた曲げ量を検知できる。このとき、光ファイバの加工部を鋸歯状に加工された側に曲げると光損失は減少し、加工部を外側に曲げると、光損失は増加する。

また、図３に示したように、鋸歯状の加工部２を設けた複数本の光ファイバ１を、加工部２の位置をずらした状態で配列すれば、曲げの位置と曲げの量を同時に検知することが可能なセンサ６を構成することができる。なお、図３（ａ）は前記センサ６の平面図、（ｂ）は光ファイバ１の平面図、（ｃ）は側面図である。
米国特許第５３２１２５７号明細書

光ファイバの外周面を鋸歯状に加工するには、例えば、回転ブレードによる機械加工やレーザ加工などによって実現することができる。
機械加工による鋸歯状加工は、単心の光ファイバを加工する場合には適しているが、図３に示すように、複数本の光ファイバを平行に並べた場合には加工し難い。これは、加工時に回転ブレードが隣接する光ファイバにも触れてしまうからである。これを回避するためには、隣り合う光ファイバ同士の間隔を空ければよいが、その場合にはセンサ全体の幅が広くなってしまうという欠点がある。

レーザ加工による鋸歯状加工を行う場合には、例えば図４に示すような装置が用いられる。図４中符号７はレーザ発振器、８はレーザビーム、９はレーザ光反射用の鏡、１０はレンズである。この鏡９は、図示していない微動システムによってその仰角が変位可能になっている。この鏡９にて反射されたレーザ光８は、レンズ１０にて集光され、光ファイバ１上へ照射される。このとき、鏡９の偏角を変位させることにより、レーザビーム８を光ファイバ１上で走査し、光ファイバ１表面に鋸歯状加工することが可能である。レーザビーム８の直径はレンズ１０により数十μｍ程度まで絞ることができるため、複数の光ファイバ１を並列した場合でも、光ファイバ同士の間隔を１００μｍ程度まで近接させることができる。

図５はレーザ光の走査により形成した鋸歯状加工部を例示する図であり、（ａ）は光ファイバ１１に形成した鋸歯状加工部１２の平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は横断面図である。レーザ光の走査による鋸歯状加工では、図５に示されるように、光ファイバ１１の周方向に沿って複数段の溝１３が設けられている。個々の溝１３は、光ファイバ１１を横断するように、光ファイバ１１の外周のうち、ほぼ半周にわたって設けられている。溝１３が光ファイバ１１を横断するように形成された場合、図６に示すように、溝１３の中心部に対して光ファイバの側面部１４にも溝１３が形成される。光ファイバ１１の側面部１４に形成された溝１３は、光ファイバ１１の損失増加には寄与するが、曲げによる損失変動には寄与しないという性質がある。すなわち、図５に示すような光ファイバ横断型の鋸歯状加工を行った場合、光ファイバに加わる曲げに依存しない光損失が大きくなり、測定しようとする曲げに依存した光損失変動が測定し難くなり、測定感度が低下してしまう問題がある。

本発明は前記事情に鑑みてなされ、光損失の増大を抑えて、感度を増大させた曲がりセンサの提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、光ファイバの外周面に、該光ファイバに加わる曲げによって損失変動を生じさせる光漏洩部が形成された曲がりセンサであって、前記光漏洩部が、前記光ファイバに加わる曲げによる損失変動に寄与しない余長部分を有さない穴形状をなしており、前記穴の深さは、前記光ファイバのコアに達し、該コアの一部を切除する深さであり、前記光ファイバがプラスチック光ファイバであり、該プラスチック光ファイバのコアはポリメチルメタクリレート樹脂からなり、クラッドはフッ素樹脂からなることを特徴とする曲がりセンサを提供する。

本発明の曲がりセンサにおいて、前記光漏洩部の幅が、前記光ファイバのコア直径の７０％以下であることが好ましい。

本発明の曲がりセンサにおいて、前記穴の個数が複数であることが好ましい。

また本発明は、前述した曲がりセンサの光ファイバを複数本平行に並べ、かつ曲がりの位置検知が可能なようにそれぞれの光ファイバの光漏洩部の位置が異なるように配置してなることを特徴とする曲がりセンサを提供する。

本発明によれば、光ファイバの外周面に穴形状の光漏洩部を設けたことにより、曲げ損失に寄与しない部分に光漏洩部が形成されなくなるため、光ファイバの余分な光損失の増加を抑制することができ、光ファイバの曲げに依存する光損失の変動を高感度かつ低損失で検出することができる。
また、光漏洩部が縦横の幅が異なる穴である場合にも、その幅を光ファイバのコア直径の７０％以下にすることにより、曲げ損失に寄与しない部分に光漏洩部が来ないため、光ファイバの余分な光損失の増加を抑制することができ、光ファイバの曲げに依存する光損失の変動を高感度かつ低損失で検出することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図７は、本発明に係る曲がりセンサの第１実施形態を示す図であり、図７（ａ）は曲がりセンサ２０の要部平面図、（ｂ）は曲がりセンサ２０の要部縦断面図、（ｃ）は曲がりセンサ２０の横断面図である。

本実施形態の曲がりセンサ２０は、光ファイバ２１の外周面に、該光ファイバ２１に加わる曲げによって損失変動を生じさせる光漏洩部２２が形成されている。この光漏洩部２２は、光ファイバ２１に加わる曲げによる損失変動に寄与しない余長部分を有さない穴形状をなしている。本例示において光漏出部２２は、光ファイバ２１の長手方向に沿って間隔をおいて列設された複数個の穴２３からなっている。この穴２３の形成個数は限定されず、光ファイバ２１の長手方向に沿ってその全域又は一部に設けることができる。なお、前記余長部分とは、例えば、図６に示す光ファイバの側面部１４が含まれる。

なお、図示していないが、この曲がりセンサ２０は、前述した光漏洩部２２を有する光ファイバ２１の一端に、光ファイバ２１のコアに光を入射可能に発光素子を接続し、かつ光ファイバ２１の他端に、光ファイバ２１内を伝送した光を受光可能に受光素子を接続し、かつ該受光素子に信号処理回路を接続して構成されている（図２参照）。そして、この曲がりセンサ２０は、光ファイバ２１にいずれかの方向に曲げが加わると、光漏洩部２２によって光ファイバ２１の光損失が変動し、この光損失の変動を信号処理回路で検出することによって、曲がりの有無を検出できるようになっている。

前記光漏洩部２２を構成している穴２３は、その幅Ｗ１が光ファイバ２１のコア直径の７０％以下とすることが望ましい。幅Ｗ１を光ファイバ２１のコア直径の７０％以下にすることにより、曲げ損失に寄与しない余長部分に光漏洩部２３が来ないため、光ファイバ２１の余分な光損失の増加を抑制することができ、光ファイバ２１の曲げに依存する光損失の変動を高感度かつ低損失で検出することができる。

また、穴２３の深さＤは、光ファイバ２１が真っ直ぐな状態（曲がりが加わらない状態）で余分な光損失が小さく、光ファイバ２１に曲がりが加わった場合、光ファイバ２１の光損失を変動させることができるような深さとされる。この深さＤは、使用する光ファイバの構造、特にコア外径、クラッド外径（クラッド厚さ）、穴２３の幅Ｗ１等を勘案して適宜設定され、通常は光ファイバ２１のコアに達し、コアの一部を切除する程度に設定される。

この曲がりセンサ２０に用いられる光ファイバ２１としては、コアとクラッドがプラスチックで作られているプラスチック光ファイバが望ましい。プラスチック光ファイバは、レーザ加工し易く、またクラッド外径に対してコア径が太く、穴２３を比較的浅く形成できるなどの利点がある。使用するプラスチック光ファイバとしては特に限定されず、例えば、コアがポリメチルメタクリレート樹脂（ＰＭＭＡ）、クラッドがフッ素樹脂からなるものが挙げられる。

次に、本発明に係る曲がりセンサの製造方法を説明する。本発明の方法により、前述した曲がりセンサ２０の製造するには、光ファイバ２１の外周面にレーザ光を集光照射し、光ファイバ２１に加わる曲げによる損失変動に寄与しない余長部分を有さない穴形状をなす光漏洩部２２を形成して曲がりセンサを得ることが望ましい。このレーザ加工を行う場合、例えば、図４に示すレーザ加工装置などを用いることができる。ただし、本発明の方法により前述した曲がりセンサ２０を製造する場合、レーザビームを光ファイバ上で走査させず、それぞれの穴２３毎に点状にレーザビームを集光照射し、光ファイバ２１の長手方向に沿って複数個の穴２３を形成する。

図７に示す曲がりセンサ２０は、１本単独で使用することもできるし、複数本平行に並べ、かつ曲がりの位置検知が可能なようにそれぞれの光ファイバ２１の光漏洩部２２の位置が異なるように配置し、曲げの位置と曲げの量を同時に検知することが可能な曲がりセンサを構成することもできる。

本実施形態の曲がりセンサ２０は、光ファイバ２１の外周面に穴形状の光漏洩部２２を設けたことにより、曲げ損失に寄与しない部分に光漏洩部２２が形成されなくなるため、光ファイバ２１の余分な光損失の増加を抑制することができ、光ファイバ２１の曲げに依存する光損失の変動を高感度かつ低損失で検出することができる。

図８は、本発明に係る曲がりセンサの第２実施形態を示す図であり、図８（ａ）は曲がりセンサ２４の要部平面図、（ｂ）は曲がりセンサ２４の要部縦断面図、（ｃ）は曲がりセンサ２４の横断面図である。本実施形態の曲がりセンサ２４は、光ファイバ２１の外周面に、光ファイバ周方向に長い長穴２６を複数個光ファイバ長手方向に沿って列設した光漏洩部２５を設けたことを特徴としている。

この長穴２６の幅Ｗ２は、光ファイバ２１のコア直径の７０％以下とすることが望ましい。この幅Ｗ２を光ファイバ２１のコア直径の７０％以下にすることにより、曲げ損失に寄与しない余長部分に光漏洩部２５が来ないため、光ファイバ２１の余分な光損失の増加を抑制することができ、光ファイバ２１の曲げに依存する光損失の変動を高感度かつ低損失で検出することができる。また、長穴２６の幅Ｗ１は、前述した第１実施形態の曲がりセンサ２０における穴２３の幅と同様になっている。

この長穴２６を列設してなる光漏洩部２５は、前述した第１実施形態の曲がりセンサ２０における光漏洩部２２と同様に、レーザ加工によって形成することが望ましい。ただし、長穴２６を形成する場合には、光ファイバ上でレーザビームを所定範囲、すなわち幅Ｗ２が得られるように走査させ、集光照射する。このレーザビームの走査範囲を正確に制御することで、曲げ損失に寄与しない余長部分を切除することなく、光漏洩部２５を形成することができる。

本実施形態の曲がりセンサ２４についても、前述した第１実施形態の曲がりセンサ２０と同様に、１本単独で使用することもできるし、複数本平行に並べ、かつ曲がりの位置検知が可能なようにそれぞれの光ファイバ２１の光漏洩部２５の位置が異なるように配置し、曲げの位置と曲げの量を同時に検知することが可能な曲がりセンサを構成することもできる。

［実施例１］
図７に示す曲がりセンサ２０を作製した。光ファイバ２１として、コアの直径が４８０μｍ、クラッドの外径が５００μｍのプラスチック光ファイバを用いた。このプラスチック光ファイバのコアはポリメチルメタクリレート樹脂（ＰＭＭＡ）からなり、クラッドはフッ素樹脂からなっている。
この光ファイバ２１を図４に示すようにレーザ加工装置にセットし、炭酸ガスレーザビームを光ファイバ上に集光照射し、ビームが照射された部分の光ファイバ材料を蒸発させることにより、光ファイバ２１の外周に複数の穴２３を設けて光漏洩部２２を形成した。使用した炭酸ガスレーザのビーム直径は６０μｍであり、得られた光漏洩部２２のそれぞれの穴２３の幅（直径）Ｗ１も６０μｍとなった。
光漏洩部２２を設けた光ファイバ２１に、図２に示すように発光素子と受光素子を接続し、光ファイバ２１の曲がりによる光損失の変動を測定した。その結果、光ファイバ２１にわずかな曲げが加わった場合でも、光損失の変動を検出することができた。

［実施例２］
図８に示す曲がりセンサ２４を作製した。光ファイバ２１としては、実施例１で用いたと同じプラスチック光ファイバを用いた。
実施例１と同様に、光ファイバ２１をレーザ加工装置にセットし、炭酸ガスレーザビームを光ファイバ上に集光照射した。ただし、穴の形成の際にレーザビームを走査して、穴の形状を光ファイバ周方向に長い長円形にした。幅Ｗ１は６０μｍで一定とし、幅Ｗ２を変えて複数の曲がりセンサ２４を作製し、光ファイバのコア径に対する長穴の幅Ｗ２の比率と、そのセンサの光損失の関係を調べた。
図９は、０．５ｄＢ／ｒａｄｉａｎの感度を持つセンサを直線に保った場合の光透過率を、様々な幅Ｗ２と光ファイバのコア径（２Ｒ＝４８０μｍ）に対して実測した結果である。この結果から、幅Ｗ２がコア直径の７０％を超えると急激に光透過率が低下すると言える。したがって、低損失（高光透過率）で高感度のセンサを得るためには、幅Ｗ２を光ファイバのコア直径の７０％以下とすることが望ましいことがわかる。

なお、前述した各実施例では、光ファイバのコア径が４８０μｍ、クラッド径が５００μｍのものを使用したが、他の径を有する光ファイバを用いても構わない。また、加工した穴の幅Ｗ１も６０μｍには限定されない。

従来の曲がりセンサの要部斜視図である。 従来の曲がりセンサの構成図である。 従来の別な曲がりセンサを示し、（ａ）はセンサの平面図、（ｂ）はその光ファイバの要部平面図、（ｃ）は光ファイバの要部側面図である。 光ファイバの加工に用いられるレーザ加工装置を例示する構成図である。 従来方式で加工された光ファイバを例示し、（ａ）は光ファイバの要部平面図、（ｂ）は光ファイバの要部側面図、（ｃ）は横断面図である。 従来方式で加工された光ファイバの溝形成範囲を例示する拡大断面図である。 本発明による曲がりセンサの第１実施形態を示し、（ａ）はセンサの要部平面図、（ｂ）は要部縦断面図、（ｃ）は横断面図である。 本発明による曲がりセンサの第２実施形態を示し、（ａ）はセンサの要部平面図、（ｂ）は要部縦断面図、（ｃ）は横断面図である。 本発明に係る実施例の結果を示すグラフである。

符号の説明

２０，２４…曲がりセンサ、２１…光ファイバ、２２，２５…光漏洩部、２３…穴、２６…長穴。

Claims (4)

1. 光ファイバの外周面に、該光ファイバに加わる曲げによって損失変動を生じさせる光漏洩部が形成された曲がりセンサであって、前記光漏洩部が、前記光ファイバに加わる曲げによる損失変動に寄与しない余長部分を有さない穴形状をなしており、
   前記穴の深さは、前記光ファイバのコアに達し、該コアの一部を切除する深さであり、
   前記光ファイバがプラスチック光ファイバであり、該プラスチック光ファイバのコアはポリメチルメタクリレート樹脂からなり、クラッドはフッ素樹脂からなることを特徴とする曲がりセンサ。
2. 前記穴の個数が複数であることを特徴とする請求項１に記載の曲がりセンサ。
3. 前記光漏洩部の幅が、前記光ファイバのコア直径の７０％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の曲がりセンサ。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の曲がりセンサの光ファイバを複数本平行に並べ、かつ曲がりの位置検知が可能なようにそれぞれの光ファイバの光漏洩部の位置が異なるように配置してなることを特徴とする曲がりセンサ。

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