JPH056127B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (1) 発明の技術分野 本発明は、光フアイバを利用した高精度の圧力
センサに関するものである。

(2) 従来技術とその問題点 従来、光フアイバを用いた圧力センサとして図
１に示すようなものが提案されていた。図１にお
いて、光源１１からの光はビームスプリング１２
で２分岐され、それぞれ感圧部１５を含む光フア
イバ１３及びレフアレンス用光フアイバ１４に入
射され、二つの直線偏波の干渉を利用する方法で
ある。同一方向の偏光する二つの直線偏波は干渉
し、両波の位相の違いによつて干渉縞１６の明暗
が生じる。一方の光フアイバ１３に圧力を印加す
ると、伝搬光の位相が変化し、他の光フアイバ１
４からの出力光との間に干渉縞１６を生じる。こ
の干渉縞１６の変位により圧力変動量が測定でき
る。この方式は、２本の光フアイバを用いている
ことや、レフアレンス用の光フアイバ１４の偏波
面は、種々の外乱（温度変化、振動、曲げ等）等
によつて容易に変化し、測定精度を向上するに
は、レフアレンス用光フアイバを恒温槽等に入れ
ておく必要があるなど、測定系が複雑化する欠点
があつた。

(3) 発明の目的 本発明は、一本の光フアイバを用いるだけで簡
単に光フアイバに与えられた外部圧力を測定でき
る光フアイバ圧力センサを提供するものである。

(4) 発明の構成 以下、図面により本発明を詳細に説明する。

図２は、偏波面保存光フアイバの一例として楕
円クラツド形偏波面保存光フアイバの座標系を示
すもので、２１はコア、２２は内部クラツド、２
３は楕円クラツド、２４は外部クラツドを示す。
ここで、楕円クラツド２３の長軸（slow軸）及
び短軸（fast軸）を各々ｘ軸２５及びｙ軸２６と
する。θ_F２８はｘ軸２５に対する外力Ｆ２７の印
加方向（Ｘ軸）の傾き角、E_i２９は入射波の振幅
を示し、θ_i３０は入射偏波角すなわち入射波のｘ
軸２５に対する傾き角を示す。bx，byは、楕円
クラツドの長軸（slow軸）及び短軸（fast軸）を
表わしており、クラツド楕円率εは次のように定
義する。

ε＝bx−by／bx＋by (1) 図３は、本発明の原理を示す図で、３１は光
源、３２は偏光子、３３はλ／２板、３４は集光
用レンズ、３５は偏波面保存光フアイバ、３６は
光フアイバ支持及び回転機構、３７は感圧部、３
８は検光子、３９は検光子回転機構、３１０は受
光器、３１１は出力表示部を示す。感圧部３７を
介して偏波面保存光フアイバ３５に与えられる圧
力を測定する原理を以下に説明する。光源３１か
ら出た光は、偏光子３２を通過することにより直
線偏光になり、λ／２板３３で回転して、入射偏
波角θ_i３０を所望の値（通常は45°）に合わせる。
そこで、長さＬの感圧部３７に外力Ｆ２７が加わ
つた時に光出力の変化を検光子３８を回転３９さ
せて測定する。光出力の最大電力｜E_M｜²及び最
小受光電力｜E_n｜²から、偏光度Ｐは、 Ｐ＝
｜E_M｜²−｜E_n｜²／｜E_M｜²＋｜E_n｜²＝｜E_M｜²−｜E_n
｜²／｜E_i｜²(2) で表される。

図４に、光フアイバ３５の出力端における楕円
偏波面の偏波面の座標系を示す。図４において、
２９は入射偏波の振幅E_iを表し、３０は入射偏波
角θ_i、４２は楕円偏波面４１のｘ軸（slow軸）に
対する傾き角Ψを表す。４３，４４は楕円偏波面
４１の長軸E_M及び短軸E_nの振幅を表す。

図２及び図４において、入射偏光角θ_i３０が0°
又は90°以外で入射した直線偏波E_i２９は、２つ
の直交した軸方向、例えばｘ軸及びｙ軸方向の直
線偏波成分｜E_x｜²，｜E_y｜²のベクトル和で表す
ことができる。この両モード間の位相差をψとす
れば、偏光度Ｐは次式で表される。

特にθ_i＝45°の時には、Ψ＝45°となるので式(3)
の偏光度Ｐは、 Ｐ＝cosψ (4) で表される。

従つて、式(3)または式(4)により偏光度Ｐを測定
することにより、光フアイバ３５中を伝搬する直
交する偏波成分HE₁₁ ^xmodeとHE₁₁ ^ymode間の位
相差ψが求められる。(2)式で表される偏光度Ｐ
は、検光子３８を回転することにより簡単に測定
できる。この測定例を図５に示した。図５におい
て、縦軸は受光レベルの変化を示し、横軸は時間
を表し荷重（Ｆ，Ｌ）に対応している。この図よ
り、荷重（Ｆ，Ｌ）を加えると受光レベルが正弦
波状に変化することが分かる。

図６は、図５のような光強度の変化を式(2)の偏
光度Ｐで表した実測例である。入射偏波角θ_iが45°
の場合について、外力Ｆの印加方向の傾き角θ_Fが
45°の時には、偏光度Ｐはほとんど変化がないが、
θ_Fが45°以外の0°又は90°の時には、外力Ｆの大き
さの変化に対し偏光度Ｐは０から１まで大きく変
化していることが分かる。

偏波面保存光フアイバに、外力ＦをＸ軸に沿つ
て印加した場合のフアイバの中心付近における主
応力差Δσ_F（＝σ_X−σ_Y）は、偏波面保存光フアイ
バの楕円クラツドの楕円率εに起因する光フアイ
バ固有の主応力差Δσ_eと外力Ｆに起因する主応力
差Δσ_Fの和で近似的に次のように表される。

まず、光フアイバ固有の応力差Δσ_eは、内部ク
ラツド２３の楕円率ε〔＝（bx−by）／（bx＋
by）〕と外部クラツド２４と内部クラツド２３の
熱膨張係数差Δα（＝α₂₄−α₂₃）及び石英ガラスの
軟化点Ｔと室温T₀の温度差ΔT（＝Ｔ−T₀）と、
材質のヤング率Ｅ及びポアソン比νで以下のよう
に表される。

Δσ_eε・Ｅ／１−ν・Δα・ΔT (5)−１ 一方、外力Ｆ２７に起因する主応力差Δσ_F（＝
σ_X−σ_Y）は、図２で外力Ｆ２７が加わるＸ軸とそ
れに垂直なＹ軸方向の主応力成分σ_Xおよびσ_Yより
表される。

ここで、σ_FX及びσ_Yは で表される。式(5)−(2)の応力印加方向の座標系
（Ｘ，Ｙ）を光フアイバの基準座標系（ｘ，ｙ）
まで座標変換すると、 主応力差 Δσ_Fσ_FXX−σ_FYY （σ_FX−σ_FY）cos2θ_F −（4π／πb）cos2θ_F (5)−４ Δσ_eFは、Δσ_eとΔσ_Fの和で表されるため Δσ_eFΔσ_e＋Δσ_F εＦ／１−νΔαΔT＋4F／πb・ｆ（θ_F
） (5)−５ 但し、ｆ（θ_F）＝sin²θ_F−cos²θ_F ＝−cos2θ_F 応力差Δσ_eFの数値例を図８に示した。図８よ
り、外力印加方向が0°≦θ_F＜45°の場合には、応力
差が零になる現象（Δσ_eF＝０）があることが分
かる。又、外力Ｆが零のときの応力差Δσ_eFは、
光フアイバ固有の応力差Δσ_eと等しくなり、外力
Ｆを変化することにより簡単に偏波面保存光フア
イバの製造過程に生じた固有残留応力Δσ_eを推定
することが可能である。

光弾性効果及び式(5)によりｘ軸及びｙ軸方向に
偏光した光波間の位相差ψは次式で示される。

ψΔβ・L₀kC_P・Δσ_eF・L₀ kC_P（Δσ_eL₀＋Δσ_FＬ） 但し、ｋ＝2π／λ〓 ｜ 〓 ｜ (6) ここで、Δβ（β_x−β_y）は、ｘ，ｙ軸方向の偏
光モード間の伝搬定数差を表す。L₀，L₁は光フ
アイバ全長及び感圧部の光フアイバ長を表し、
C_Pは光弾性定数（3.50×10^-5mm²／Kg）、λは波
長を表す。

式(6)を外力Ｆで微分すると dψ／dFkC_P〔L₀dΔσ_e／dF＋ＬdΔσ_F／dF〕 (7) ここで、Δσ_eは外力Ｆの関数ではないので、 dΔσ_e／dF＝０となる。

従つて、式(7)は、 dψ／dFkC_P・ＬdΔσ_F／dF kC_P・Ｌ４／πb・ｆ（θ_F） Ｌ8ψ／λb・ｆ（θ_F） −Ｌ8C_P／λb・cos2θ_F (8) 式(8)より外力Ｆによる単位長当たりの位相変化
すなわち圧力感度（１／Ｌdψ／dF）は、 １／Ｌdψ／dF8C_P／λb・ｆ（θ_F） −8C_P／λb・（cos2θ_F） (9) で表される。ここで、ｂは光フアイバの外部クラ
ツド半径を表している。式(9)より、簡単に圧力
（外力）の変化量を求めることができる。

ここで、式(9)を dψ／dFＭ・Ｌ （但し、Ｍ≡−8C_P／λb・（cos2θ_F） と変換し、これを外力Ｆで積分すれば、 ψＭ・Ｌ・Ｆ＋ψ₀ Ｆ１／Ｍ・Ｌ（ψ−ψ₀） (9)′ 但し、ψ₀は外力Ｆが０のときの光フアイバ出
力端での位相差である。

従つて、位相差ψが分かれば、(9)′式から外力
Ｆが求められる。

図７は、感圧部３７の受けた外力Ｆの大きさを
横軸に、その時の位相差ψ（式(4)）を縦軸にとつ
たもので、θ_Fが45°以外の0°又は90°の時には、外
力Ｆの大きさと位相差ψがほぼ直線的に比例して
いることがわかる。図７により、外力の圧力感度
（１／Ｌdψ／dF）は、外力に対する直線の傾きから求
め られ、約7.5×10^-2（rad／ｇ）であることが分かる。

これは(9)式において、θ_F＝0°，λ＝0.6328μm＝
0.6328×10^-3mm，ｂ＝62.5μm＝62.5×10^-3mm，C_P
＝3.71×10^-5mm²／Kgの条件を入れた場合に相当す
る。

図９に、光フアイバの外部クラツド半径ｂ、光
弾性定数C_P（3.50×10^-5mm²／Kg）、光フアイバ感
圧部長Ｌ及び波長λで正規化した単位長当たりの
圧力感度（λb／8C_P）１／Ｌdψ／dFを示す。

図９において、横軸は外力印加方向である。図
より、外力印加方向（Ｘ軸）θ_Fが0°又は90°付近の
方が感度が大きいことが分かつた。式(9)及び図９
より、感度は外力を印加する偏波面保存光フアイ
バの長さＬに比例するので、必要とする感度に応
じて光フアイバの長さＬを選択することができ
る。

又、図３において、位相差を検出する手段とし
て、これまで説明した検光子３８を回転する構成
の他に、図１０、図１１のようなものがある。

図１０は、検光子３８を回転させずに、λ／２
板３３の光軸に対し45°（又は、−45°）方向に固定
して測定する方法である。

又、図１１のように、光フアイバ出力端でウオ
ラストンプリズム等の複屈折結晶１１１を用いる
ことにより、出力楕円偏波を２つの直線偏波に分
離し、２つの光検出器１１２，１１３で光電力
I₁，I₂を測定し、１１４の出力処理部で偏光度を
測定する構成である。

偏波保存光フアイバとして楕円クラツドのもの
について説明したが、すでに公知であるサイドピ
ツトタイプ、あるいは、パンダフアイバ等でも良
く、とにかくｘ軸（slow軸）、ｙ軸（fast軸）に
おいて偏波面を保存するフアイバであれば良いこ
とは説明するまでもない。

(5) 発明の効果 以上説明したように、本発明の圧力センサを用
いることにより、精度の高い圧力（外力）測定が
可能となり、光海底ケーブル又は中継器の耐圧試
験等の際、ケーブル又は中継器に埋め込んでおく
ことも可能となり、様々の耐圧試験等に応用でき
る。又、出力表示部３１１を他の部分と離して設
置することにより、遠隔測定も可能となる。

【図面の簡単な説明】

図１は従来の圧力センサの例を示す構成図、図
２は本発明に用いる偏波保存光フアイバの１例を
説明するための座標系図、図３は本発明の原理を
説明するための構成図、図４は本発明の動作を説
明するための座標系図、図５、図６、図７、図８
及び図９は本発明における測定結果を示す特性
図、図１０及び図１１は本発明において位相差を
検知する例を示すブロツク図である。 １１……光源、１２……ビームスプリツタ、１
３……光フアイバ、１４……レフアレンス用光フ
アイバ、１５……感圧部、１６……干渉縞、２１
……コア、２２……内部クラツド、２３……楕円
クラツド、２４……外部クラツド、２５……ｘ軸
（slow軸）、２６……ｙ軸（fast軸）、２７……外
力（Ｘ軸）、２８……傾き角、２９……振幅、３
０……入射偏波角、３１……光源、３２……偏光
子、３３……λ／２板、３４……集光用レンズ、
３５……偏波面保存光フアイバ、３６……光フア
イバ支持及び回転機構、３７……感圧部、３８…
…検光子、３９……検光子回転機構、３１０……
受光器、３１１……出力表示部、４１……楕円偏
波面、４２……傾き角、４３……長軸E_Mの振幅、
４４……短軸E_nの振幅、１１１……複屈折結晶、
１１２，１１３……光検出器、１１４……出力処
理部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 測定光を発光する光源と、 直交する軸ごとにそれぞれ偏波面を保存する偏
   波面保存光フアイバと、 該測定光を直線偏光にして偏波面保存光フアイ
   バの直交するｘ軸とｙ軸に対してほぼ45度で入射
   させる偏光入射手段と、 所望の感度となるように長さが選択された該偏
   波面保存光フアイバの長さ方向の外周に配置さ
   れ、かつ外力を前記偏波面保存光フアイバの該ｘ
   軸に対して90°または0°付近に印加するための感
   圧度手段と、 前記外力に応じて変化する偏光度を測定する偏
   光度測定手段と、 該偏光度測定手段の測定結果から前記偏波面保
   存光フアイバの直交する軸を伝搬した前記測定光
   のそれぞれの位相差を求める位相差測定手段と、 該位相差測定手段から得られる位相差から前記
   外力により位相変化に相当する単位長当たりの圧
   力感度（１／Ｌ・dψ／dF）を式 １／Ｌ・dψ／dF−8C_P／λb・（cos2θ_F） 但し、Ｌは光フアイバ感圧部の長さ、λは波
   長、ψは位相差、Ｆは外力、ｂは外部クラツド半
   径、C_Pは光弾性定数、θ_Fはｘ軸に対する外力の印
   加方向の傾き角 に基づいて求めた結果から前記外力を計算する計
   算手段とを有することを特徴とする光フアイバ圧
   力センサ。