JPS62118230A - 圧力検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は伝送発光される光ファイバにより圧力を検出す
る装置に関する。

〔発明の背景〕

一端で光源に並置させ他端で光検出器に直面させた光フ
ァイバを折曲げるとその中を通す発光放射線全減衰させ
ることが知られている。

事実、伝送された放射［−変化させる手段として光ファ
イバを横方向に変形させることによる効果は、構造上お
よび光学上のパラメータにより規定される距離だけ軸心
に沿って等間隔に隔置され、相対的に偏位し、かつ直径
方向に対向した点で光ファイバに同時に圧力を加えるこ
とにより理想的にできることが判明している。

この点に関しては、パリで１９７６年９月２７日開催さ
れた光フアイバ伝送に関する第２回欧州セミナー（Ｓｅ
ｃｏｎｄ　Ｅｕｒｏｐｅａｎ　ＣＣｏ１１ｏｑｕｉｕ　
ｏｎ　Ｆｉｂｅｒ−Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｔｒａｎｓｍｉｓ
ｓｏｎ）において発行されたジーザイドラ−（Ｇ、　Ｚ
ｅｉｄｌｅｒ　）による研究に基く報告を参照すればよ
い。

この研究は特に、これら変形の再発期間の半分だけ偏位
させ、相対的に互違いの歯全備えた一対のジョーにより
光ファイバに導入される周期的な曲げについて採上げて
いる。この再発期間は伝送された光線の波長の関数であ
る。

機械的な力の測定に役立つ前記性質についての各種の集
約がスエーデ／特許第４１０，５２１号に開示されてい
る。光学歪計における光線案内構造体の変形の利用は本
発明の発明者による先行米国特許第４１６３３９７号の
主体である。

光ファイバを周期的に変形させる手段として間隔が一定
の歯を備えたジョーの従来の使い方には重大な欠点があ
る。即ち一対のジョーは限定された長さのファイバ部分
のみに付与でき、そのため２個以上のファイバ部分を同
時に変形させるには同一構造の数個のジョーを設ける必
要がある。代替的に、前述のスエーデン特許の教示のよ
うに、その周りにループ化されたファイバの数個の曲が
９部分を収容するようジョーを広げてもよい。しかしな
がら、いずれの場合であっても緊密に隔置した歯を製作
する上で要求される高精度のために当該装置を可成り高
価なものにしてしまう。

〔発明の目的〕

したがって、本発明の目的は前述の欠点のない光フアイ
バ手段により圧力を検出する改良装置を提供することで
ある。

本発明のさらに特別の目的は電気的あるいは機械的現象
を長距離にわたって伝送可能な発光信号に変換する前記
の性質の高感度の器材を提供することである。

〔発明の要約〕

本発明による装置は、前述のように光源と光検出器との
間に介装された光ファイバの他に、光ファイバの少なく
とも一部分全囲み、かつ多数の等間隔の巻きてファイバ
の一部分の周りにらせん状に巻かれた概ね非圧縮性の材
料製の部材を含む圧力伝送手段からなる。

米国特許第４２２６．５０４号は管状ジャケット内でフ
ァイバの周りにらせん状に巻かれた軟質の緩衝ねじによ
って光ファイバを機械的応力から保護する装置を提案し
ている。推奨されている巻き間隔は１／４から、１２イ
ンチ、即ち約６ミリから２５０ミリの紳、囲である。ね
じならびにジャケットの緩衝作用により顕著な半径方向
の圧力をファイバに伝えにくいようにしている。対照的
に、本発明による装置に含まれている例えば金属ワイヤ
のような概ね非圧縮性材料からなる、らせん状に巻かれ
た部材では緩衝作用はないが、巻きピッチの半分だけ隔
置した点において発生するファイバの変形となる様に半
径方向の圧力を忠実に伝達する。

本発明のさらに特別の特徴によれば、当該装置はファイ
バ、即ぢ少なくとも変形を受けるファイバの部分を囲む
概ね非圧縮性材料の弾性外皮を圧力伝達手段の一部とし
て含む。実際には、らせん形部材は前述の保護外皮の内
側あるいは外側リブとして構成できる。

当然ながら適正な性能に対して、巻きピッチは圧力点の
軸線方向隔置が前述の周期性を満足するように選定すべ
きである。以下間らかになるが、適正な隔置は数ミリ程
度である。

本発明によれば光ファイバは概ね非圧縮性のフィラメン
トにより囲むことが好ましく、それが組込まれる構造の
都合上センサに対して曲げが加わることが不可避である
マット等に含むことができる。本発明者はらせん状にフ
ィラメントで囲んだ光ファイバを前記マットに含めるこ
とあるいはファイバの方向性がある量のファイバの曲げ
を必要とする圧力センサとしてファイバを使用すること
は圧力センサの曲率半径Ｒ２静的損失が止む最小曲率半
径以上に保てば可能とされることを発見した。詳しくは
、曲率半径が所定の曲率半径以下となるようケーブルを
曲げると、曲げの曲率半径の減少に伴ってらせん状が緊
締され静的損失が増加する。

このように、本発明はケーブルあるいはセンサが耐えう
る最小曲率半径Ｒは以下の等式で規定されうろことを見
出した。

Ｐはらせんピッチ、 ｆは光ファイバの直径、 ダは光ファイバとフィラメントとの間の遊びであって、
フィラメントと光ファイバとの間の（平均）空隙の半径
方向幅とも称しうる。

また、本発明者は光ファイバが円形断面の場合金属フィ
ラメントが前述のように効果的であるがらせん材として
高分子フィラメントを利用することが極めて有利である
ことを見出した。事実、この目的に対していずれの高分
子材料フィラメントも実際効果的に用いることができる
と思われるが最良の結果全提供すると思われる例えばナ
イロンのような高分子材は加熱すると収縮が減るポリエ
ステルよりも効果的でない。

さらに好ましくはシリコンゴムである、ある種の接着剤
を用いてフィラメントヲ適所に固定することが有利であ
ることが判明している。

本発明の前述およびその他の特徴を添付図面を参照して
以下詳細に説明する。

〔実施例〕

第一図は、一端が光源３により照射され、他端が光検出
器４と直面する光ファイバ２を含むケーブル１からなる
本発明による圧力検出装置を示す。

好ましくは金属製で概ね非圧縮性のワイヤ５が、これも
概ね非圧縮性の材料例えば金属あるいは樹脂フォイルか
ら構成される可撓性の円筒形外被６内でファイバ２の周
りにらせん状に巻かれている。

作動時、第１図に示すケーブルは第１０図に示すように
例えばペソ）”１０と圧力プレート１１とにより構成さ
れる一対の平坦なジョーの間に位置する。ペソ）”１０
は、これも柱１２により分離される蓋９を含む構造体の
一部である。前記蓋９とプレート１１との間の空間には
、入力側１４に付与される交番電気信号に応答して垂直
方向に膨張かつ収縮する圧電変換器のような圧力発生器
１３が位置する。前記の圧電変換器は西独、カールスル
ーへ／バルトフロンのフイジーク　インストルメンテ（
Ｐ　Ｉ　）　（Ｐｈｙｓｉｋ工ｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅ　
１Ｗａｌｄｂｒｏｎｎ／Ｋａｒｌｓｒｕｈｅ　、Ｇｅｒ
ｍａｎ　Ｆｅｄｅｒａｌ　Ｒｅｐｕｂｌｉｃ　）　　か
ら市販されている。蓋９に対して支持されたブロック１
３が膨張するとプレートＩｆに圧力を加えその結果ファ
イバ２をらせん状部材５の巻きの頂点と底点とにおいて
ファイバ２を相対的に逆方向に変形させる。この変形が
前述のように光源５から光検出器４（第１図）までファ
イバを通して伝達される光線を減衰させる。

円形断面の外被６′ｔ−備え、第１図と第１０図とに示
すケーブル１／Ｉ′ｉその軸線に対するいずれかの角度
位置においてジョー１０と１１との間に挿入できる。し
かしながら、ワイヤコイル５はある程度圧縮に耐えるの
で、この装置はある最小値以上の圧力の検出のみに適し
ている。部分的に第２図に示す、より圧力に感応性のケ
ーブル１αは、全体的に楕円形断面の同様に平坦にされ
た外被６αにより囲まれた平坦な巻き全備えたワイヤ５
αを含む。短軸の方向の外被６αの内幅はファイバの直
径プラスワイヤ直径の２倍に対応し、垂直方向の幅は著
しく大きい。前記ケーブル１αは１８０度離れた２個の
角度位置においてのみ、第１０図に示す装置のジョー１
０と１１との間に緊締することができる。しかしながら
、半径方向圧力に対するワイヤルーズの長い脚部に対す
る抵抗は第１図に示すワイヤのそれより著しく少ない。

他方、第２図に示す構造は変形性を高めたことにより、
昇圧下では使用できなくしている。この不都合を補正す
るために、ケーブル１ｈが、ワイヤループ内でファイバ
２から隔置して側方に位置する２個の金属製パー７と共
に第２図に示す対応部材と類似のワイヤ５ｂと外被６ｈ
とを含む構造の修正形態を示す。前記パー７の厚さはフ
ァイバの直径より僅かに小さく、最大圧力でのファイバ
の変形を製限するよう選択される。しかしながらその限
度までは、ワイヤ５ｂと外被６ｂとは依然として、例え
ば第１０図に示すような装置によって加えられる横方向
圧力に対して極めて感応性がある。

全ての場合において、ファイバを囲む外被は発光した光
ファイバから逃げる光線を可視検出できるよう透明材か
らつくってもよい。この状態は第４図に示しており、ケ
ーブルＩＣの一部を形成する透明外被６Ｃは第１図に示
す外被６と同じ管状をしている。第４図も、前述の実施
例での金属ワイヤを内面で外被と一体形成のらせん状リ
ブ５Ｃに代替できることを示す。外被６Ｃおよびそのリ
ブ５Ｃに対して適当な材料はポリアクリレートとするこ
とが出来る。

さらに、らせん状に巻いた部材金外被内に配置させるこ
とは絶対的なものではない。このように、第５図に示す
ように、第１図から第４図までに示すものと類似のケー
ブル１ｄは外側にらせん状のＩＪ　−１５ｃｔ　ｅ外被
６ｄに設けている。このリブは外被と一体としてもよい
が、この場合光ファイバ２を緊密に囲んでいる外被６ｔ
Ｌの外面に接着された金属あるいはその他の適当な材料
の層を部分的に除去することによ多形成してもよい。ケ
ーブル１ｄが第１０図に示す装置に用いられた場合、当
然ジョー１０と１１とは前記部材５ｄに直接圧接し外被
６ｄの中間でファイバ２を変形させる。

また、光ファイバはらせん状に捩った極性面でつくるこ
とができる。例えば、１９８１年９月発行された［応用
光学Ｊ　（Ａｐｐｌｔｅａ　０ｐｔｉｃｓ　）　２０巻
２９６２頁の「撚糸した単一モードのファイバにおける
複屈折および極性モード拡散」じＢｉｒｅｆｒ−ｉｎｇ
ｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｐｏｌａｕｚａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ
−−−ｄｉｓｐｅｒｓｉｍ　１ｎｓｐｕｎ　ｓｉｎｇｌ
ｅ−ｍｏｄｅ　ｆｉｂｒｅｓ″）と称するエイ、ジエイ
ハーロ、シェイ、ジェイ　ラムスコツ　ハンセンおよび
ディ、エヌ、イイン（Ａ、Ｊ、Ｂａｒｌｏｗ。

Ｊ、Ｊ＠Ｒａｍｅｋｏｖ　Ｈａｎｓｅｎ　ａｎｄ　Ｄ、
Ｎ、Ｐａｙｎｅ）による論文を参四のこと。その論文の
場合、らせん状の圧力伝達部材はファイバの捩った極性
面と同じピッチで、かつ整合すべきである。

平均屈折率η。の芯と、屈折率η。のより低い外側ゾー
ン即ち被覆部を有する通常の光ファイバの場合、変形の
限界周期性はフィール）゛（Ｆ’ｉθｌｄ）の式により
提供される波長λを有する。

λ＝２π・／（２Δ）１／２（１） ｒはファイバの芯の半径であり、かつ ２　　２　　。

２Δ＝１−η。／η。　　、（２） 従って、（１）の式は以下のように書換えることができ
る。

ファイバの開口数値ＮＡは以下の式によυ提供される。

ＮＡ＝（ηＣ′−ηｏ５１／２（４１ このように、芯の屈折率η。は被覆部の屈折率η０　と
アパーチャ値ＮＡｔ−決定することにより計算すること
ができる。

特定例の場合、コーニング（Ｃｏｒｎｉｎｇ、）番号４
１２９２　２０５　　で市販されている徐々に屈折率が
変わるファイバを用いた。このファイバは芯の直径が６
０μで、被覆部の直径が１２５μで開口数値は０．２０
１であった。その減衰度は３２０　ｎｍの波長の光線に
対しては４．２　ｃｔＢ／Ｋｍであった。前記ファイバ
は被償部の屈折率がη。＝４，４５８　で芯の屈折率η
。＝１．４７２であることが判明した。計算の結果、Δ
＝９．３３°１０−３およびλ＝１．３８０ミリの値が
得られた。

碩界期間λ全実験的に決定するために、前記ファイバの
２個の部分は、一方の直径に平行に緊密隔置の円筒形の
鋼製ピンを一方の面にそれぞれ設けた一対のディスクの
間で緊締した。、２個のディスクのピンはその直径の半
分だけ相対的に互い違いとした。第９図はビン８全備え
た前記ディスク７の１個と、該ピンに対して垂直の直径
に対してαの角度を含む折曲げファイバ２とを示す。角
度αを変えることにより、ファイバの部分とピンとの間
の接触点ｐの間隔は変わる。α＝０とすると前記間隔は
ピンの直径に対応する。ピンの直径がそれぞれ１．０，
１．５および３．　ＯミＩＪの３組のデイホクを用いて
行った試験により第６図に示すグラフが得られた。第６
図においては（ｄＢで示す）減衰が（ｒＩｒＩｎで示す
）圧力点Ｐの間隔に対してプロットしている。前記グラ
フは１．３４６ミリにおいて主要なピークを示し、この
ピークはλ＝１．３８０の計算値と可成り適合する。ま
た、周期の第３高調波、即ち３λに対応する４、　１　
ミ＋）において前記より小さいピークが介在している。

締付圧力は約２５０グラムであった。

第７図は締付圧力（ダラム単位）に対する変形点Ｐの適
正間隔λにおける減衰変化を示す。減衰は第９図に示す
装置を用いて、２０λの場合に、２９．９２ミリの（変
形を加えられる光ファイバの部分全回む）有効ファイバ
長さに対して測定している。第７図に示す曲祷は、１０
０から３００グラムの範囲では概ね直線であり、０．５
２６ｄＢ／’ｌの傾斜は当該装置の圧力感応性を示す。

３００９の締付圧において、特定の減衰度は４．６７　
ｄ　Ｂ／ｃｍ　であって、ファイバの計算上の歪は２．
８５μで、計算応力は１６．５ｋｌ？／ｍｍ２　　であ
った。

前述したタイプのファイバを含む第１図に示す構造のケ
ーブルを用いて行った一連の試験結果を以下の表１に列
挙する。らせん状の部材５は０．１ミリの直径のピアノ
線であった。試験１と２とはワイヤのピッチは異るが同
じケーブルに対して実施し、試験２によれば式（３）に
より与えられた値の２倍である２Ａに等しい場合顕著に
感度が増加したことを示す。試験３は外被を用いずに行
い、試験４と５とは最初の２種類の試験で用いたものと
異る外被を用いて行った。外被材料の次に記載されてい
る２種類の数値はその外径と内径とを示す。

最後に述べる４種類の試験は２　Ｘ　１．３５　ミ！Ｊ
の適正ピッチを用いて実施した。

表　　Ｉ 】１．２　　　　ノホプラスト１．３／　０．５ミリ　
　　１．６５２　　　１．３５　　　ノホプラスト１．
３／　０．５ミリ　　　８．００３１．３５　　　　無
　　　　　　　　　　　１７．１０４　　１３５　　　
テフロン　　１．２７０．５ミリ　　　０．７５直径が
１センチの円筒体の周りで２回巻いた、第１図に示す形
式のケーブルに対して実施した別の試験では、ワイヤ５
と外被６とを用いずに、同じ円筒体の周シで光ファイバ
を２回巻いたものに対する０、４５ＬｉＢと比較して０
．３７ｄＢの減衰金示した。この試験ではケーブル構造
が小さい半径の弧の周りに光ファイバを曲げた場合に発
生する損失を減少させることを示す。

試験３で用いたものに相等するが、偏心率が約３の（第
２図に示すような）細長いワイヤループを備えたケーブ
ルも試験したが１１．１　ｄ　Ｂ／ｋｌ１７の感度を有
することが判明した。これは試験３で測定した感度の約
３倍である。ケーブルを前述のように、直径が１センチ
の円筒体の周りに巻いた場合、その結果の減衰は０．２
０ｄＢであった。このことは、著しい凹形の曲げ部にお
いて静的損失を犠牲にしても感度の利得が得られないこ
とを示す。

バー７の厚さが０．１ミリで、幅が０．５ミリである、
第３図に示す種類の外被音用いない構造に対して付加的
な試験全実施した。部材５ｂは前記バーの両面に点溶接
した、直径が０．１５　ミＩＪの鋼製ワイヤであった。

ピッチ全λ＝１３５ミリにより与えられる適正周期にし
たがって選定したところ、この構造の最大静的感度は０
．０３”Ｂ＃　　であることが判明したが、これは（例
えば、前述のスエーデン特許第４１０，５２１号に示す
ように）歯付きジョーの間に緊締したファイバに対して
得た感度と対比しうる。前述のように、直径が１センチ
の円筒体の周シで巻付けによって決定される損失は０．
０９８ｄＢ程度であった。

同じ構造体全第１０図に示す形式の装置に位置させて、
零から１００％の最大伝達可能放射までの範囲の伝送光
線の強度の関数として変調深度（％）を測定した。併結
された励振信号は２０Ｖのピーク対ピーク電圧差を有し
、この電圧差は１００ｖ当り１μの膨張係数を有する圧
電変換器を用いると０．２μの変位量に対応した。第８
図に示すように、約１２％に相等する最大変調深度は４
０％の光線透過により得られた。付与した信号の種々の
バ／ド幅に対する信号／騒音（Ｓ／Ｎ）比を以下の表■
に列挙する。

表■ バンド９幅　　　　　ＳＺＮ比 。　　　−３ １Ｔｌｚ　　　　　　２．９１０ ゜　　　−３ １０Ｈｚ　　　　　　１．２　１０ ゜　　　−２ ５ＫＨｚ　　　　　　５．４　１０ Ｓ／Ｎ比の値を前述の０．２μの偏位量に分割すること
によりＳ／Ｎ比１に対して必要な最小偏位量を得る。表
Ｈの第１列のＩ　Ｈｚのパン１幅では、。

この最小偏位量は０．６９　Ａ程度である。

変調深度は１．５μの偏位量に対応する約１５０ｖの最
大電圧値までは励振電圧と概ね直線的に変化する。この
ことは、本発明による装置がアナログ変調器としての使
用に極めて適していることを示す。

第１１図から明らかなように、らせん状フィラメント５
例えばポリエステルフィラメントを巻いて光ファイバ２
を曲げうる最小曲率半径はＲであって光ファイ％ｆこの
ように曲げると過度の損失はなく、この最小曲率半径が
らせん状の巻きのパラメータに関連する。第１１図から
判るように、フィラメント５と光ファイバ２との間の空
隙１は変えることができ、らせんのピッチｐも変えるこ
とができ、かつファイバｆの直径は以下の関係によりＲ
ｍｍの値上調整するよう変え、センサをその中で曲げる
各種のマット等ヘセンサを適用する必要性に合わせるこ
とができる。

曲率半径の関数として測定した過度の損失を示す線図（
第１２図）から判るように、測定された結果は前記式か
ら理論計算した、ピッチが概ね波長λに等しい場合のも
のと近似している。ピッチが３λの場合偏位があるが、
この場合センサはファイバとその周りに巻かれたフィラ
メントとの間の同一の空隙に対してピッチがλの場合よ
り曲げに対して９倍も感度があるため実用上の観点から
は概ね関心の外でちる。

光ファイバの周りでフィラメンＨ−希望する平均空隙幅
およびピッチ例えばλ＝　１．３５　ミＩＪでらせん状
に巻くためには、ホリエステルフイラメンＨ−１光ファ
イバが軸線方向に内側を通過するマイクロチューブの周
りに巻けばよい。フィラメントはその巻き全相互に接触
させて、即ちフィラメントの直径に対応するピッチでマ
イクロチューブに巻かれる。マイクロチューブの直径は
、該マイクロチューブが光ファイバとらせんとの間で希
望する遊び即ち空隙を形成するように選定される。

もし例えばポリエステルフィラメントをマイクロチニー
ズにらせん状に巻く速度が２２０　ｒＰｍであれば、光
ファイバはピンチλのらせんに対応する毎分２２０Ｘ１
．３５ミリの速度でチューブを通して軸線方向に引張ら
れる。

回転毎に、らせん１巻分がマイクロチューブから光ファ
イバに移され、そのため微小の寄生性の静的微小の曲げ
を発生させることなく光ファイバのらせんの希望するピ
ッチと空隙幅とが形成される。

光ファイバに付与する前で、熱処理した後、１００℃ま
で加熱されると約１％しか収縮しないポリエステルをフ
ィラメントに使用した場合最良の結果が得られる。一般
的には、フィラメントの収縮度は２０℃から１００℃ま
で加熱された場合せいぜい１．５％であるべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実証した圧力検出器の一部破断した若
干概略的な斜視図、 第２図は本発明による修正圧力検出器の部分斜視図、 第３図、第４図および第５図は別の修正形態を示す、第
２図と類似の図、 第６図、第７図および第８図は、改良圧力検出器の作動
に関するグラフ、 第９図は第１図から第５図までのいずれかに示す装置に
用いられる光ファイバの圧力点の適正周期を規定する手
段の概略平面図、 第１０図は第１図に示す装置を用いた装置の一部の断側
面図、 第１１図は光ファイバの曲げの説明に用いる関係を示す
線図、および 第１２図は一波長λあるいは三波長３λのフィラメント
のらせんピッチに対する曲率半径に関するデシベル単位
の過剰損失に係わるグラフである。 図において １・・・ケーブル　　　　　２・・・光ファイバ３・・
・光源　　　　　　　４・・・検出器５・・・ワイヤ　
　　　　　６・・・外被７・・・バー （外４名） ＦＩＧ、　４　　　　　　　　　ＦＩＧ、　５’Ａ？ ＦＩＧ、　６ ＦＩＧ、　７　　　　　　　　　ＦＩＧ、　８ＦＩＧ、
１０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 〔１〕曲率半径がＲの少なくとも１個の曲げ部を有し、
   直径がｆの光ファイバと、該光ファイバへ光線を照射す
   るために一端で前記光ファイバと並置された光源と、前
   記光ファイバの反対側の端部で光線を受取るよう位置さ
   れ端部間で該光ファイバに加えられた圧力を示す前記光
   線の変化を検出する光検出器と、らせんのピッチがｐで
   らせんと光ファイバとの間の平均空隙がｇであるらせん
   状に前記光ファイバの周りに巻かれた概ね非圧縮性材料
   のフィラメントとを含み、前記曲率半径Ｒが以下の式で
   規定される最小値より大きい圧力検出装置。 Ｒｍｍ＝（ｐ＾２／２π＾２）・｛ｆ／［ｇ（ｆ＋ｇ）
   ］｝（２）特許請求の範囲第１項に記載の装置において
   、ピッチｐが前記光線の一波長λに対応する圧力検出装
   置。 （３）特許請求の範囲第１項に記載の装置において、前
   記らせんが円形らせんであつて、前記ファイバの断面が
   円形である圧力検出装置。 （４）特許請求の範囲第３項に記載の装置において、前
   記フィラメントが、温度が２０℃から１００℃まで上昇
   した場合その収縮がせいぜい１．５％である高分子材料
   からつくられている圧力検出装置。 （５）特許請求の範囲第４項に記載の装置において、前
   記フィラメントがポリエステルである圧力検出装置。