JP7134438B2

JP7134438B2 - 光ファイバセンサ

Info

Publication number: JP7134438B2
Application number: JP2019165072A
Authority: JP
Inventors: 大志山崎; 一弘渡辺; 博幸佐々木
Original assignee: Soka University
Current assignee: Soka University
Priority date: 2019-09-11
Filing date: 2019-09-11
Publication date: 2022-09-12
Anticipated expiration: 2039-09-11
Also published as: JP2021043052A

Description

本発明は、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、摺動可能なガイド部の２点で光ファイバをヘテロコア部を中央として固定しておき、２点間の変位を検出する技術が開示されている。この技術においては、２点間における光ファイバの変形を所定の薄厚空間内に規制することによって、２点間に所定の変位が生じた場合に、光ファイバが常に同じように変形してヘテロコア部の曲率が一定になることを図っている。

特許第５４３３８８３号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された光ファイバセンサなどにおいては、光ファイバが２つの固定点から一直線状に他方に向うようにして固定されている。そのため、光ファイバに屈曲が生じる位置が必ずしも一定せず、屈曲した部分の位置に応じて計測結果が変化する。また、光ファイバが破損しないように局所的に曲率半径が小さくならように光ファイバを屈曲させる必要があるので、高精度の計測を行うことができない。

本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、計測精度向上を図ることが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し、ヘテロコア部からなる光透過部を有し、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、弾性体からなる弾性部材と、前記弾性部材の両側に固定され、前記光透過部を含む部分の最小曲率半径が３ｍｍ以上８ｍｍ以下となるように円弧状に凸となる曲線部分と、前記曲線部分の両端部にそれぞれ曲率半径が連続して変化するようにして連続する２つの直線状の直線部分とが同一平面上に位置するように前記光ファイバが所定の角度を有して固定端から前記直線部分の一部がそれぞれ前記曲線部分に向かって飛び出すように固定される２つの固定部材とを備え、前記弾性部材の弾性変形による前記２つの固定部材の間隔の変化に応じて前記最小曲率半径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、円弧状に凸となる曲線部分と２つの直線状の直線部分とが連続して同一平面上に位置するように光ファイバが固定されている。これにより、光透過部が曲線部分の同じ部分に常に位置することになるので、２つの固定部材の間の間隔と曲線部分の曲率半径との間、光ファイバの光透過部から漏洩する光の損失量との間には、再現性の良好な相関関係が存在する。さらに、光透過部を含む部分の最小曲率半径が３ｍｍ以上８ｍｍ以下と小さいので、高精度な計測を行うことが可能となる。

本発明の光ファイバセンサにおいて、前記光ファイバは、前記固定部材に形成された直線状の溝に固定されていることが好ましい。

この場合、光ファイバの２つの直線部分の始点及び角度を一定のものとするが容易となる。

また、本発明の光ファイバセンサにおいて、前記弾性部材は、前記２つの固定部材が離間する方向と直交する方向よりも前記２つの固定部材が離間する方向に変形し易いことが好ましい。

この場合、弾性部材は、２つの固定部材の間隔に変化に容易に追従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を示す図であり、図１Ａは模式上面図、図１Ｂは模式側面図。ヘテロコア部を有する光ファイバを示す図であり、図２Ａは説明図、図２Ｂは模式断面斜視図。光ファイバセンサを用いたシステムを示す説明図。光ファイバセンサの変形例に係る模式上面図。光ファイバセンサの別の変形例に係る模式上面図。０μｍ～６００μｍの範囲で伸縮させた場合における光損失の変化を示すグラフ。２９５μｍ～３２５μｍの範囲で伸縮させた場合における光損失の変化を示すグラフ。０～６０℃の範囲で加熱、冷却させた場合における光損失の変化を示すグラフ。

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、上下などの方向は光ファイバセンサ１００単体における方向であり、光ファイバセンサ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１Ａ及び図１Ｂ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を所定の形態にて固定することが可能に構成された基板２０とから構成されているヘテロコア式光ファイバセンサである。

光ファイバセンサ１００は、計測対象物Ｐの歪みや変位を計測するセンサである。計測対象物Ｐは、例えば、機械、機器、部品等の構造体、人体、コンクリート造の建築物などである。また、光ファイバセンサ１００は、歪みや変位を計測するセンサを利用したセンサ、例えば、圧力センサ、傾斜センサなどとして用いてもよい。

光ファイバ１０は、入射端側の光ファイバ１１と、出射端側の光ファイバ１２と、光ファイバ１１，１２ｂ間に挿入されたヘテロコア部ＨＰとから構成されている。

図２Ａ及び図２Ｂも参照して、ヘテロコア部ＨＰは、光ファイバ１１と光ファイバ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２．０ｍｍである。一方、光ファイバ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、コア１３に予めスリットを形成しておき、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３を参照して、光ファイバ１０の入射端である光ファイバ１１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３０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１２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４０が接続されている。さらに、受光部４０には、ＣＰＵやメモリ等を備えた検出部５０が接続されている。なお、受光部４０から検出部５０に無線で受光信号を送信してもよい。

図１Ａ及び図１Ｂを参照して、基板２０は、光ファイバ１１，１２が固定される第１及び第２の固定部材２１，２２と、第１の固定部材２１と第２の固定部材２２の間を接続するように配置された弾性部材２３とを備えている。第１及び第２の固定部材２１，２２の間において、光ファイバ１０は弾性部材２３との間に実質的に隙間が設けられており、弾性部材２３の変形とは無関係に自由に変形が可能となっている。

第１及び第２の固定体部材２１，２２には、それぞれ光ファイバ１１，１２の所定の長さ部分が接着剤などによって固定されている。光ファイバ１１は、第１の固定部材２１の第２の固定部材２２側の端部（第１の固定端）Ａから第２の固定部材２２側に向って所定の角度α１を有して飛び出すように固定されている。そして、光ファイバ１２は、第２の固定部材２２の第１の固定部材２１側の端部（第２の固定端）Ｂから第１の固定部材２１側に向って所定の角度α１を有して飛び出すように固定されている。

そして、ここでは、これら飛び出し角度α１，α２は同じであり、第１及び第２の固定端点Ａ，Ｂの中間点を対称として、光ファイバ１０がヘテロコア部ＨＰを含む部分の最小曲率半径Ｒminが３ｍｍ以上８ｍｍ以下となるように円弧状に凸となる曲線部分Ｐ１と、曲線部分Ｐ１の両端部にそれぞれ連続する２つの直線状の直線部分Ｐ２とが同一平面上に位置している。

曲線部分Ｐ１は、曲率半径Ｒ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度以下となっている。そして、ヘテロコア部ＨＰが、曲線部分Ｐ１の中間又は少なくもその近傍に位置している。

第１及び第２の固定部材２１，２２は、弾性部材２３を形成する素材と比較して変形し難い素材から形成されている。第１及び第２の固定部材２１，２２は、例えば、ＡＢＳ樹脂などの硬質樹脂、ステンレス鋼などの金属、セラミックスなどから形成されている。第１の第２の固定部材２１，２２は、厚さが同じ板状であり、ここでは、矩形板状であるが、円板状などの他の形状であってもよい。

光ファイバ１１，１２は、それぞれ第１及び第２の固定端Ａ，Ｂを固定端として、第１及び第２の固定部材２１，２２の上面に所定の長さだけ固定されている。ここでは、光ファイバ１１，１２は、第１及び第２の固定部材２１，２２の上面に形成された溝２１ａ，２２ａに収容されて固定されている。

具体的には、光ファイバ１１は、第１の固定部材２１の上面に形成された第１の溝２１ａに収容されて固定されることにより、第１の溝２１ａの第２の固定部材２２側の端部である第１の固定端Ａを固定端として固定される。また、光ファイバ１２は、第２の固定部材２２の上面に形成された第２の溝２２ａに収容されて固定されることにより、第２の溝２２ａの第１の固定部材２１側の端点である第２の固定端Ｂを固定端として固定される。固定端Ａ，Ｂ間の間隔Ｄは、数ｃｍ程度であり、その変動は最大数ｍｍ程度である。

このようにして、光ファイバ１１，１２を溝２１ａ，２２ａに収容して固定することにより、光ファイバ１１，１２を所定の飛び出し角度α１，α２を有して所定位置の第１及び第２の固定端Ａ，Ｂに固定することが容易となる。ただし、光ファイバ１１，１２は第１及び第２の固定部材２１，２２の上面などに接着剤などによって固定されるものであってもよい。なお、固定端Ａ，Ｂ間の光ファイバ１０には、少なくとも初期状態において、圧縮力や張力が付与されていないことが好ましい。

弾性部材２３は、少なくとも第１及び第２の固定部材２１，２２の間を接続している。弾性部材２３は、薄厚の伸縮性に優れた素材から形成されており、計測対象物Ｐの変形に良好に追従する。弾性部材２３は、固定部材２１，２２と比較して変形し易い素材、例えば、軟質樹脂、布、ステンレス鋼薄板等の金属薄板、シリコンゴム等のゴムなどから形成されている。

弾性部材２３は、ここでは、矩形状であり、固定端Ａ，Ｂが離間する方向（図１Ａにおける横方向）とこれと直交する方向（図１Ａにおける縦方向）とで、同じ程度に変形し易い。

ただし、弾性部材２３は、このような性状に限定されず、例えば図４に示すように、開口２３ａや切り欠き２３ｂを形成することによって、固定端Ａ，Ｂが離間する方向と直交する方向よりも固定端Ａ，Ｂが離間する方向に変形し易くするものであってもよい。これにより、弾性部材２３は、固定端Ａ，Ｂの間隔Ｄの変化にさらに容易に追従することが可能となる。

さらに、弾性部材２３は、例えば図５に示すように、固定端Ａ，Ｂが離間する方向に延在する延在部２３ｃを有することによって、固定端Ａ，Ｂが離間する方向と直交する方向に変形し難いものとしてもよい。これにより、弾性部材２３によって、固定端Ａ，Ｂの間の変形を間隔Ｄの変化のみに変換させることが可能となる。

そして、弾性部材２３のうち第１及び第２の固定部材２１，２２に固定された部分のそれぞれの下面に第１及び第２の取付部材２４，２５が固定されている。取付部材２４，２５は、厚さが同じ板状であり、ここでは、矩形板状であるが、円板状などの他の形態であってもよい。

取付部材２４，２５は、固定部材２１，２２と同様に、少なくとも弾性部材２３と比較して変形し難い素材、例えば、ＡＢＳ樹脂などの硬質樹脂、ステンレス鋼等の金属、セラミックスなどから形成されている。取付部材２４，２５の下面が計測対象物Ｐに接触して取り付けられる。取付部材２４，２５は、その下面が計測対象物Ｐの被計測部分の上面にそれぞれ接着剤等によって固定される。

なお、取付部材２４，２５は、固定部材２１，２２が固定されている面（上面）の反対側の面（下面）に固定されていることが好ましい。取付部材２４，２５は、少なくとも固定部材２１，２２が固定された部分の対向する側の端部より外側に取り付けられていいる。

ただし、取付部材２４，２５は存在しなくともよい。この場合、固定部材２１，２２が固定されている部分の下面（裏面）に計測対象物Ｐが接着剤などによって直接的に固定させればよい。

以上のように構成された基板２０に上記の形態にて固定されることによって、光ファイバ１０は計測対象物Ｐの被計測部分の表面に沿って固定部材２１，２２の間に配置される。そして、光ファイバ１０は、計測対象物Ｐの変形によって固定端Ａ，Ｂ間の間隔Ｄが変化することによって、曲線部分Ｐ１の曲率半径Ｒが変化する。ここで、弾性部材２３の固定部材２１，２２が固定されている部分は固定部材２１，２２によって変形が抑制されるので、固定端Ａ，Ｂ間の間隔Ｄの変化に応じて、光ファイバ１０の曲率半径Ｒが変化することになる。そして、この曲率半径Ｒの変化に応じて、光の損失量が増減する。

次に、以上のように構成された光ファイバセンサ１００を用いた計測対象物Ｐの歪みや変位を計測する方法について説明する。

まず、計測対象物Ｐの被計測部に取付部材２４，２５を固定するなどして光ファイバセンサ１００を取り付ける。なお、計測対象物Ｐの被計測部は、平らな平面であるものに限定されない。固定端Ａ，Ｂの間に位置する円弧状の曲線部分Ｐ１と２つの直線部分Ｐ２とが連続して同一面上に位置するので、この面が平面であるか否かに関わらず、間隔Ｄの変化に応じて光の損失量が変化する。

計測対象物Ｐの変形などによって取付部材２４，２５が取り付けられている部分の間隔が変化すると、固定端Ａ，Ｂの間隔Ｄが変化し、曲線部分Ｐ１の曲率半径Ｒが変化する。具体的には、取付部材２４，２５の取り付け部分の間隔が伸長すると、間隔Ｄが大きくなって、曲線部分Ｐ１の曲率半径Ｒが減少し、光の損失量が大きくなる。一方、取付部材２４，２５の取り付け部分の間隔が収縮すると、間隔Ｄが小さくなって、曲線部分Ｐ１の曲率半径Ｒが増大し、光の損失量が小さくなる。

そこで、予め、光源３０から一定強度の光を出射し、間隔Ｄの変化に応じた受光部４０での受光量とを予め計測しておき、検出部５０にデータとして格納しておく。そして、受光部４０での受光量から間隔Ｄ、ひいては計測対象物Ｐを検出部５０によって検出することが可能となる。

このように、間隔Ｄの変化と、曲線部分Ｐ１の曲率半径Ｒとの間、ひいては光の損失量との間には、再現性の良好な相関関係が存在する。これは、固定端Ａ，Ｂにおける光ファイバ１１，１２の飛び出す角度α１，α２が一定であり、円弧状の曲線部分Ｐ１と２つの直線部分Ｐ２とが連続して同一面上に位置するので、ヘテロコア部ＨＰが曲線部分Ｐ１の同じ部分に常に位置していることに基づく。さらに、この部分の曲率半径Ｒが３ｍｍ以上８ｍｍ以下と小さいので、高精度な計測を行うことが可能となる。

例えば、図４に示す形状の弾性部材２３を有し、固定端Ａ，Ｂの間隔Ｄが８ｍｍである光ファイバセンサ１００を用いて、０～６００μｍの範囲で取付部材２４，２５間の計測対象物Ｐを伸縮させたところ、図６に示すグラフのように、光損失の応答特性は良好であった。

さらに、同じ光ファイバセンサ１００を用いて、２９５～３２５μｍの範囲で取付部材２４，２５間の計測対象物Ｐを伸縮させたところ、図７に示すグラフのように、光損失の応答特性は非常に良好であった。

さらに、基板２０を構成する固定部材２１，２２、弾性部材２３及び取付部材２４，２５が全てＡＢＳ樹脂からなり、図４に示す形状の弾性部材２３を有し、固定端Ａ，Ｂの間隔Ｄが１３ｍｍである光ファイバセンサ１００を用意した。そして、この光ファイバセンサ１００を恒温槽に入れ、恒温槽内を０～６０℃の範囲で加熱、冷却した。なお、恒温槽内の温度は恒温槽内に入れた熱電対を用いて測定した。

このとき、加熱、冷却に応じた間隔Ｄの収縮と、熱電対で測定した温度との関係は、図８に示すグラフのようになった。なお、加熱時と冷却時とで同じ温度でも光損失が相違するのは、恒温槽内の温度が光ファイバセンサ１００に伝達されるまでに時間を用したためであるとえ考えられる。３０℃付近の微分温度感度は図８に点線で示すように－０．０１５ｄＢ／℃であり、光ファイバセンサ１００を温度センサとして使用させることが可能であることが分かった。

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１１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。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３０を接続すればよい。

また、光ファイバ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。この場合、１本の光ファイバセンサに複数のヘテロコア部ＨＰを設けて、各ヘテロコア部ＨＰ及びその近傍の光ファイバ３の曲率変化を検出することも可能となる。ただし、ＯＴＤＲ装置を用いた場合には、リアルタイム計測することができない。

１０…光ファイバ、１１…入射端側の光ファイバ、１２…出射端側の光ファイバ、１３，１５…コア、１４，１６…クラッド、１７…界面、２１…第１の固定体部材、２１ａ…第１の溝、２２…第２の固定体部材、２２ａ…第２の溝、２３…弾性部材、２４…第１の取付部材、２５…第２の取付部材、３０…光源、４０…受光部、５０…検出部、１００…光ファイバセンサ、Ａ…第１の固定端、Ｂ…第２の固定端、ＨＰ…ヘテロコア部（光透過部）、Ｐ…計測対象物、Ｐ１…曲線部分、Ｐ２…直線部分。

Claims

伝送する光の一部を漏洩し、ヘテロコア部からなる光透過部を有し、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、
弾性体からなる弾性部材と、
前記弾性部材の両側に固定され、前記光透過部を含む部分の最小曲率半径が３ｍｍ以上８ｍｍ以下となるように円弧状に凸となる曲線部分と、前記曲線部分の両端部にそれぞれ曲率半径が連続して変化するようにして連続する２つの直線状の直線部分とが同一平面上に位置するように前記光ファイバが所定の角度を有して固定端から前記直線部分の一部がそれぞれ前記曲線部分に向かって飛び出すように固定される２つの固定部材とを備え、
前記弾性部材の弾性変形による前記２つの固定部材の間隔の変化に応じて前記最小曲率半径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。
前記光ファイバは、前記固定部材に形成された直線状の溝に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ。
前記弾性部材は、前記２つの固定部材が離間する方向と直交する方向よりも前記２つの固定部材が離間する方向に変形し易い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。