JPS6219715A - 光フアイバセンサ - Google Patents

光フアイバセンサ

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JPS6219715A
JPS6219715A JP61162208A JP16220886A JPS6219715A JP S6219715 A JPS6219715 A JP S6219715A JP 61162208 A JP61162208 A JP 61162208A JP 16220886 A JP16220886 A JP 16220886A JP S6219715 A JPS6219715 A JP S6219715A
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JP
Japan
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optical fiber
support member
waveguide
temperature
fiber waveguide
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JP61162208A
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ランダル　イー．モートン
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Eldec Corp
Original Assignee
Eldec Corp
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35338—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using other arrangements than interferometer arrangements
    • G01D5/35341—Sensor working in transmission
    • G01D5/35345—Sensor working in transmission using Amplitude variations to detect the measured quantity

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optical Transform (AREA)
  • Light Guides In General And Applications Therefor (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)

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、光ファイバセンナに関し、特にそのセンサの
光ファイバ導波管部分が、感知される外部パラメータの
変化により誘起される力に応答して光ファイバ導波管の
カーブが変化することによって、外部パラメータに応答
するように形成されているタイプの光ファイバセンサに
関する。光ファイバ導波管のカーブの変化は、それを通
過する光強度の変化を生じさせ、これら変化が外部パラ
メータの状態を示すこととなる。
［発明の背景］ 外部パラメータの存在または大きさを測定するのに光フ
ァイバセンサを用いることは一般に従来技術として知ら
れている。センサの１つのタイプは、光放出源と受光装
置の間を連結する光ファイバ導波管を有するように形成
されている。この導波管は１つまたはそれ以上の光ファ
イバからなり、各光ファイバは比較的低屈折率のクラッ
ド（通常はガラス）により囲まれたガラスコア部を含ん
でいる。クラッドはガラスコア部で光伝送の全内部反射
を生じさゼ、これにより、光放出源から発せられた光を
ファイバのコア部内に捕捉し、長距離にわたって低損失
で伝播させるものである。
ファイバの伝送性能を減する化学的または機械的損傷か
らガラスファイバを保護するために、ガラスファイバに
保護被覆が施される。これらの保護被覆は一般にエポキ
シアクリレートから構成され、フ１イバ直径の０．５〜
１．５倍の厚さを有し、代表的には被覆ファイバの断面
積の９４％にもなる。
被覆導波管は曲げられ、またはコイル状にされるが、代
表的にはカーブした支持部材のようなものの上に配設さ
れる。カーブした支持部材は、外部パラメータの変化に
よって生ずる変動を受ける機械的部材に応答する。この
変動は、光ファイバ導波管に伝播され、該導波管の曲率
を変化させる。
曲率の変化は光ファイバ導波管を通る光源により伝送さ
れる光強度の変化を生じさせる。すなわち、光ファイバ
導波管の曲率半径が減少すると、伝送光の強度は次第に
度を増して減衰する。「曲がり損失」として知られるこ
の種の減衰は、一般に光ファイバ導波管の曲がり部分に
おける光ファイバ外への光の故故に起因している。
受けた信号と元の信号を直線的に比較することによって
測定される曲がり損失は、機械的部材の変動の位置また
は大きさ、あるいはその変動を生じさせる力に容易に相
関させることができる。
ここに記載したタイプの光ファイバセンサの代表例は、
Ｃｏｕｃｈ等に付与された米国特許第４，４０８゜４０
９号に開示されている。この特許では、光ファイバ導波
管に接続された機械の振動が該導波管の曲率を変化させ
るようになっている。
光ファイバをセンサとして使用することは、いくつかの
顕著な利点があることを上記Ｃ□ｕｃｈ等は教示してい
る。第１に、光ファイバセンサは電磁的妨害を免れてお
り、感知すべき対染物の内部及び周囲にかかる妨害を及
ぼすことがない。それらは絶縁物であるため、高電圧環
境での感知に伴う　　　　６電気的障害を減することが
できる。また、それらは重量が軽く、−情報の伝送容量
が殆どの電気的装置よりも多い。さらに、多くの電気的
装置と比べて、ここに述べたタイプの光ファイバセンサ
は製造及び維持が比較的廉価である。
［発明の概要］ 上記の従来法に従って構成した光ファイバセンサについ
て実験を行ったところ、本発明者はこのセンサを温度差
の非常に大きい範囲、例えば軍事または宇宙への適用に
おける一６５℃以下及び１７５℃以上の温度にさらすと
、問題を生ずることを見い出した。本発明者は、従来法
により形成した光ファイバ導波管曲げセンサはこのよう
な極端な温度下では感知されるパラメータに起因しない
予測不能で再現性のない伝送光の強度損失を呈すること
を確認した。予測不能な現象が生ずること及び損失の再
現性がないことは、センサの信頼性を落とすことになる
。
さらに実験を進めた結果、損失は、極熱または極寒にセ
ンサがさらされるときに、ファイバとその被覆との間に
生ずる実質的に異なる熱応力に起因しているということ
を発見した。厚い保護被覆の中で生ずる熱応力はファイ
バ内に曲がりまたはねじれを引き起こし、このようにし
て生じた曲がり損失は、外部パラメータによって誘起さ
れた導波管の曲がりによって生じた損失と類似し、これ
と区別がつかない。また、光ファイバ導波管を比較的剛
性の支持部材（例えば、ステンレス鋼）に取付けると、
熱応力差の問題がさらに複合される。
特に、低温において支持部材と光ファイバ導波管の間で
起こる収縮応力差が、支持部材表面に対するファイバの
ねじれを生じさせ、これにより好ましくない曲がり損失
が誘起されることとなる。このねじれは時に支持部材か
らのファイバの脱離を引き起こし、全体形状に相当なう
ねりを生じさせることとなる。上記ねじれやうねり及び
これらに起因する損失の程度は予測不能であり、また再
現性がないものである。
上記問題の原因を考慮し、本発明は、外部パラメータの
変化により誘起される力に応答して光フィバ導波管の曲
率が変化し、また、広範囲の温度変化を受ける環境で光
ファイバセンサを使用することができるように、光ファ
イバ導波管が外部パラメータに応答するよう形成された
この種の改良された光ファイバセンサを提供することを
目的とする。
本発明の一態様では、被覆材を被覆ファイバの横断面積
の５０％以下に形成し、これにより、前述した好ましく
ないねじれを生じさせる傾向にある被覆材中の熱応力の
発生を大幅に少なくする。本発明の別の態様では、被覆
材は熱膨張係数が従来の被覆材より大幅に小さい１０ｘ
ｉＯ−’から５０Ｘ１０−５ｉｎ／　ｉｎ／　℃（イン
チ／インチ／”Ｃ）の範囲のものを用いる。
本発明の他の態様としては、改良された光ファイバセン
サは、支持部材の縦断面積が付設された導波管の断面積
の５０％より小さいか等しくなるように、支持部材に光
ファイバ導波管が付設されている曲がり支持部材をも含
んでいる。好ましくは、該支持部材は熱膨張係数が１０
Ｘ１０−’から５０）ｌＯ＝ｉｎ／ｉｎ／”Ｃの範囲の
材料で形成される。
本発明の他の態様としては、前記支持部材は金属のよう
な剛性であるが変形可能な材料で形成することができ、
支持部材と光ファイバ導波管の間に緩衝材を付設し、該
緩衝材は、熱応力差によって生ずる光ファイバ導波管に
対する支持部材の相対的変動にも拘らず、支持部材と光
ファイバ導波管の両方に対する連続的な接触を維持する
ように形成される。
また他の態様では、緩衝材を採用する代わりに、光ファ
イバ導波管を剛性支持部材に付設するときに、予め引張
応力をかけておき、支持部材が熟成　７縮するときにこ
れが緩むようにし、これによって支持部材から実質的に
分離しないようにする。
［詳細な説明］ 前記の如く、本発明者は、非常に低い温度または非常に
高い温度においては、光ファイバ導波管は光ファイバと
それらの保護被覆との相対的変動により生じる曲がり損
失が問題となる程に増加することを発見した。被覆は代
表的には、ガラスに比べて相対的に高い熱膨張係数を有
するエポキシアクリレートにより形成されている。これ
らの被覆は通常ファイバそれ自身よりも厚く、代表的に
は被覆されたファイバの断面積の９４％にもなる。
この厚い被覆は、ファイバをゆがめ、損傷を与えて伝送
性能を減するおそれのある歪み、衝撃、及びｒｆ！擦力
からファイバを保護するために適用されている。
本発明者は、光ファイバ弯曲センサは、非常に低い温度
（例えば−６５℃またはそれ以下）または非常に高い温
度（例えば１７５℃またはそれ以上）にサイクリックに
加熱されたり冷却されたりすると、光ファイバに対する
保護被覆の収縮差が問題となる程に生じ、ガラスファイ
バ上に強い引張力を生じさせ、その結果、ファイバ及び
付随物内にねじれが生じて前述の如くの損失が生ずるこ
とを見い出した。ざらに、非常に高い温度（例えば、１
１５℃またはそれ以上）の温度では、ある種の従来被覆
は熱膨張によりファイバから分離してしまい、ファイバ
が支持部材に固定される精度を損ねてしまうことが判っ
た。
被覆の厚さが増大するにしたがい、被覆と７？イバとの
間に誘起される総熱応力は増加するため、従来被覆の厚
さが相当あることは、上記熱応力差の問題を悪化させて
いる。
ファイバとその厚い被覆の熱膨張係数が異なることによ
り生ずる曲がり損失は、予測できず、また感知されたパ
ラメータの変化に起因する曲がり損失と正確に区別がつ
かない。
上記の如く、熱膨張差と熱収縮差の問題は、カーブした
光ファイバ導波管を、ファイバと異なる熱膨張係数を有
する支持部材に取付けたときは複合的なものとなる。熱
膨張差及び熱収縮差が生じると、ファイバの支持部材表
面に対する座屈をひき起し、好ましくない曲がり損失を
誘起することとなる。この座屈によりしばしばファイバ
が収縮した支持部材から離脱してしまい、全体形状にお
いて問題となる程度のうねりを持つようになる。
座屈とうねりの程度、及びそれらに起因する損失は予測
不能で再現性がない。したがって、これらの損失を考慮
に入れるための計算はどうしても不正確なものとなる。
上記の熱効果の差に関する問題点を解決した改良された
光ファイバセンサの具体的実施例を以下に詳述する。
第１図は本発明が対象とする光ファイバセンサ装置の要
部を示す斜視図である。センサ８は一般的に光放出源１
２と受光装置１４の間を連結する光ファイバ導波管１０
から構成されている。光放出源１２と受光装置１４の間
で光ファイバ導波管１０は、半径ｒ１　を有する中空円
筒状支持部材１６の周囲をコイル状に巻回している。光
放出源１２は、光ファイバ導波管１０内を伝播する光信
号を発生させる発光ダイオードのような適当な装置を用
いることができる。受光装置１４には、光検知器、増幅
器、及び光信号を検知しそれを対応する電気信号に変換
する他の適当な回路が組込まれている。このような光放
出源及び受光装置は公知のものであり、本発明の一部を
なすものではない。
一般的に、センサ８は、感知されるパラメータが、パラ
メータの状態（例えば、位置、圧力等）が変化したとき
に支持部材１６を変形させることのできるように支持部
材１６を位置させて作動させるものである。支持部材１
６に付設された光ファイバ導波管１０の形状は支持部材
１６に対応して変形する。
特に、パラメータの状態変化により生じた力によって支
持部材１６とこれに巻かれた光ファイバ導波管１０の両
方の曲率半径の変化を起こさせるようにセンサ８を構成
する。従来より良く知られているように、光ファイバ導
波管１０の曲率が変化すると、その中を伝播する光の強
度が変化し、それによって支持部材１６の変動指標を容
易に検知することが可能となる。そして、この変動指標
はパラメータの状態と相関される。
第２図は、カム２２の回転動作または位置を検知するた
めに上記の装置を用いる一方法を示す概略図である。光
ファイバ導波管１０を１回またはそれ以上周囲に巻回し
た円筒状支持部材１６が筐体１８内に収納されている。
光ファイバ導波管１０の各端部はそれぞれ光放出源１２
及び受光装置１４に接続されている。回転カム２２との
相互作用により制御される変換動作を有するプランジｖ
２０が支持部材１６上に配設されており、これがカム２
２の位置にしたがって支持部材１６の断面形状を変化さ
せるようになっている。カム２２がプランジャ２０に対
して最も進んだ状態（第２図の一点鎖線の状態）に回転
すると、支持部材１６は楕円形状に押圧される。プラン
ジャ２０のこのような作用は、図示するように、巻回さ
れた光ファイバ導波管１０の最小半径を減少させるもの
である。すなわち、第２図においてｒｌはプランジャ２
０によって変形される前の光ファイバ導波管１０の最小
曲率半径であり、ｒ２はプランジャ２０によって変形さ
れた後の光ファイバ導波管１０の最小曲率半径である。
前述した通り、このような曲率半径の減少は感知される
パラメータ（本実施例の場合はカム２２の位置）の変化
と相関させることのできる曲がり損失を生成させる。
ここに述べた巻回光ファイバ導波管１０及び支持部材１
６の代表的な寸法は、ｒｌが大体１．３ｃｍ（０，５イ
ンチ）で、カム２２が移動して大体１．Ｏｃｍ　（０，
４インチ）となった後に、ｒ２は大体０．８ｃｍ　（０
，３インチ）となる。
軍事、宇宙または工業的プロセス制御システムにおいて
の成る適用にあっては、−６５℃以下及び１７５℃以上
（これらの間の温度範囲も含む）の温度条件下において
も完全に有効に作動するセンサを用いることが望まれて
いる。極端な高温や低温の条件下では、ガラスファイバ
とその保護被覆の間で前述の問題を生じ、光ファイバ導
波管が支持部材から分離してしまうことになる。この問
題はセンサが極端な低温にさらされたときによく起こる
問題である。
本発明に基づいて形成された光ファイバセンサの一実施
例は、ガラスファイバとその保護被覆の間の収縮差の問
題を解決するものである。第３図は、光ファイバセンサ
の巻回された光ファイバ導波管１０’部分の横断面図で
ある。導波管１０′　は薄い保護被覆２６′　を有する
ガラスファイバ２４′　を有する。ガラスファイバ２４
′　は前記のクラッドと核部分を含んでいるが、第３図
では説明のために単一のものとして示しである。ガラス
ファイバ２４′としては、商標名”Ｓ　Ｐ　Ｅ　ＣＴＲ
ＡＧＵ　Ｉ　Ｄ　Ｅ”でスペク１〜ラン　コーポレイシ
ョン（Ｓ　ｐｅｃｔｒａｎＣ０ｒｐＯｒａｊｉＯｎ　：
　Ｓｔｕｒｂｒｉｄｇｅ、　　Ｍ　ａｓｓａｃｈｕｓｅ
ｔｔｓ。
ＵＳＡ）から製造販売されているタイプのような一般的
な品質指標を有するガラスファイバを用いる、ことがで
きる。
保護被覆２６′は、従来の被覆よりも比較的低い熱膨張
係数を有する材料により形成される。第３図に示した実
施例では、被覆２６′　はポリイミド樹脂である。ポリ
イミド被覆は従来法によってガラスファイバに被覆され
、ガラスファイバに強く接着した被覆が形成される。
ガラスファイバ２４′　に隣接するポリイミド被覆２６
′　は互いに適当な接着剤２５により固着される。
隣接するポリイミド被覆を固着するのに用いる接着剤は
、”Ｍ　−ＢＯＮＤ　６１０”の商標名でビシャイ　イ
ンターテクノロジー、インコーホレイテッド（Ｖ　１ｓ
ｈａｙ　Ｉ　ｎｔｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏａｙ、　Ｉ　ｎ
ｃ　；　Ｒａｌｅｉｇｈ。
Ｎｏｒｔｈ　　Ｃａｒｏｌｉｎａ、ＵＳＡ）から製造販
売されているような２成分系エポキシ・フェノールタイ
プのものが好ましい。
ポリイミド材料の好ましい一例は、デュポンデ　ネムー
ルス、イー、アイ、アンド　カンパニー　（［ｌｕ　Ｐ
ｏｎｔ　ｄｅ　　Ｎｅｍｏｕｒｓ、　Ｅ、　　１．　＆
　　Ｃｏ　：Ｗ　ｉ　１ｍｉｎｇｔｏｎ、　Ｄ　ｅｌａ
ｖａｒｅ、　Ｕ　Ｓ　Ａ　）から’ＫＡＰＴＯＮ　”の
商標名で製造販売されている。このポリイミド材は熱膨
張係数が３５ｘ　１０’　ｉｎ／　ｉｎ／　℃である。
この熱膨張係数は、従来技術の被覆、の熱膨張係数より
も比較的低い。例えば、ガラスファイバの保護被覆に用
いられる熱可塑性ポリエステルのような代表的なエポキ
シアクリレートの熱膨張係数は約７５Ｘ　１Ｏ−６ｉｎ
／　ｉｎ／　’ｃである。被覆２６′の熱膨張係数は約
１０Ｘ１０−’から約５０ｘ　１０−’　ｉｎ／　ｉｎ
／　’Ｃの範囲のものであれば用いることができる。ガ
ラスファイバの熱膨張係数は代表的には１　Ｘ　１Ｏ−
６ｉｎ／ｉｎ／℃以下である。
ポリイミドフィルムの熱膨張係数が比較的低いため、被
覆内で熱により誘起される応力は比較的小さくなり、前
述のような熱により生ずる好ましくない曲がり損失をほ
ぼ除くことができる。
第３図に示した実施例ではガラスファイバ２４′は外径
が１４０ミクロンで、該ファイバ２４′　の長手方向に
沿って平均厚１０ミクロンのポリイミドフィルム保１被
覆２６′　を有している。すなわら、保護被覆２６′　
まで含めた被覆ファイバの外径は１６０ミクロンに増加
する。したがって、被覆２６′　は被覆ファイバ（すな
わち導波管１０′）の全横断面積のわずか２３％を占め
るにすぎない。従来技術の比較的厚い（また比較的高熱
膨張係数の）被覆に比べて薄り、低熱膨張係数のこの被
Ｎ２６′　によれば、被覆２６′　とファイバ２４′の
界面における熱応力に起因する全変形力が、前述の熱に
起因する曲がり損失を生じさせる程には大きくならない
。さらに、ファイバとその被覆との間の熱応力が減少す
ると、保護波ｉ　２６’　とファイバ２４′　とが離脱
してしまう問題を解消することができる。
第３図図示の実施例では、被ｉ　２６’　は被覆ファイ
バの横断面積の大体２３％を占めているが、本発明に基
づいて形成された被覆を、被覆ファイバ（すなわち導波
管１０′）の横断面積の５０％まで多くしても、前記条
件下でセンサとしての完全な機能を有している。
第３図図示の実施例では、巻回光ファイバ導波＠１０’
　は支持部材なしに形成されている。このように支持部
材は必要ない。光ファイバ導波管１０′の連続した巻回
部は前記の如くの適当な接着剤２５で共に固着される。
この実施例では、ファイバと支持部材との間で生ずる熱
応力差に基づく前記問題が起きないことは明らかである
。しかし、多くの適用条件下においては、感知されるパ
ラメータ或いは他の環境要素（例えば震動）によっては
支持部材があった方が望ましい場合もある。第４図は、
ファイバの被覆材と同様のフレキシブルポリイミド膜か
ら形成された円筒状支持部材２８に光ファイバ導波管１
０″を取付けたセンサの要部の横断面図である。ファイ
バは前記したタイプの２成分系エポキシ・フェノールの
ような適当な接着剤３０で支持部材２８に固着される。
このような接着剤は装置の作動温度範囲を通じて弾性を
維持している。
１０ミクロン厚のポリイミド支持部材２８に取付けられ
た外径１６０ミクロンの導波管１０″は、−６５℃乃至
１７５℃の温度範囲では支持部材２８と巻回導波管１０
″との分離を生じないで機能する。ある適用においては
、本発明によるこのけンサは一６５℃以下の一１９５℃
という低温度でも問題なく作動する。
同様にこのセンサは１７５℃以上の４００℃という高温
度でも充分に作動するものである。
支持部材２８の熱膨張係数が比較的低いため、光ファイ
バ導波管１０″と支持部材２８との間の熱応力が最小化
される。さらに、光ファイバ導波管１０″及び支持部材
２８は、好ましくは支持部材２８の横断面積が、その周
囲に巻回する光ファイバ導波管１０″の全横断面積の平
均して５０％を越えないように形成する。面積比をこの
ようにすることにより、支持部材及びガラスファイバ内
で発生する全相対熱応力が、光ファイバ導波管１０″に
前述した如くの好ましくない曲がり損失を起こさせない
ようにすることができる。
支持部材とこれに取付けたガラスファイバとの間の熱応
力差を減少させるための他の方法として、支持部材を、
ガラスファイバの熱膨張係数と実質的に同じかまたは非
常に近い熱膨張係数を有する材料で構成することができ
る。第５図はこの変更例を示しており、巻回光ファイバ
導波管１０　’は円筒状支持部材３２の壁内に組込まれ
ている。この実施例では、支持部材３２は樹脂マトリク
ス３６中に埋込まれた多数の細長いガラスファイバ３４
からなる複合材料で形成されている。この複合材料中の
ガラス対樹脂の比率は概略７５：２５′ｃある。このよ
うな支持部材３２及びそれに組込まれた巻回ファイバ３
４は単一材料（例えばガラス）のみで構成することもで
きる。したがって、光ファイバ導波９１０″’及び支持
部材３２の間の熱応力差または熱収縮差によって生ずる
応力の大きさはごくわずかであり、巻回光ファイバ導波
管１０″′と支持部材３２とが分離する問題はない。（
例えばガラスと比較して〉低い熱膨張係数を有するアラ
ミドファイバやグラファイトファイバのような他の材料
を、複合材料中のファイバとして使用することもできる
。　　　　　　　　（例えばセンサに付与される力が大
きい場合のような成る適用例においては、鋼、アルミニ
ウム合金または他の金属材料のような剛性であるが弾力
的に変形し得る支持部材を用いることが必要となる。前
述の如く、ファイバは、非常に低温度条件下で支持部材
が収縮してもこれから分離しないように支持部材に固着
することが重要である。そこで、第６図に部分断面図と
して示した本発明に基づいて形成された光ファイバセン
サの他の変更実施例では、支持部材３８の熱膨張や熱収
縮に拘らず、光ファイバ導波管１０　ｔｒｙが支持部材
３８に対してその位置を維持するようにする手段を含ん
でいる。特に、支持部材３８は例えばアルミニウム合金
から形成される弾性変形可能な中空金属円筒体となって
おり、緩衝材４０が支持部材３８を包囲している。緩ｔ
Ｍ４ｔ４０はｉｌｆ名”５ＹＬＧＡＲＤ”　ｔ−ダウ−
コーニング　コーポレイション（Ｄ　ｏｗ−（：、　ｏ
ｒｎｉｎｇ　　Ｃｏｒｐ　；　Ｍ　１ｄｌａｎｄ、　Ｍ
　１ｃｈｉａａｎ、Ｕ　Ｓ　Ａ　）から製造販売されて
いるようなタイプの弾性材料から形成される。
光ファイバ導波管１０″″はセンサが室温（例えば２５
℃）のときに！１衝材４ｏの周囲にきつく巻きつけ　・
られる。このきつい巻きつけは光ファイバ導波管１０　
Ｊｌｆｌと支持部材３８の間のｍｓ材４ｏを部分圧縮す
る。
支持部材３８が低温にざらされて第６図に一点鎖線で示
すように収縮した場合、弾性の緩衝材４ｏが膨張し、こ
れによって光ファイバ導波管１０　／＃＋は完全に伸び
た状態にそのまま維持される。したがって、光ファイバ
導波管１０１０１は、支持部材から分離されたときに生
じ得るような予測不可能な曲がりやねじれを受けること
がなくなる。本実施例のファイバ２４“′は前記のポリ
イミド被覆２６ｔｔｔｔにより被覆することが望ましい
が、圧縮された緩衝材４ｏによってファイバに力が働い
てこれによりファイバが元の弯曲形状に維持されるため
にガラスファイバと被覆の間の熱応力差に起因する曲が
りの問題が解消されるので、従来の保護被覆を用いたフ
ァイバを用いることもできる。
非常に低温においても光ファイバ導波管が剛性の支持部
材に分離せずに取付けられ、たままに維持されるように
するための他の方法として、光ファイバ導波管に、支持
部材に取付ける前に引張応カを予め与えておく方法があ
る。光ファイバ導波管は、作動する最も低い温度で支持
部材が収縮す°るときに、予め引張られた光ファイバ導
波管がその当初の引張りひずみ状態から緩んで支持部材
と接触を維持するように、予めひずむように応力がかけ
られる。特に、第７図に示すように、光ファイバ導波管
４２は熱膨張係数が大体１８ｘ　１０−’　ｉｎ／　ｉ
ｎ／℃のスプリング鋼からなる支持部材４４の周囲に巻
回される。もしも、光ファイバ導波管４２が温度２５℃
のときに支持部材４４に固着されると、温度が一６５℃
まで低下したときの支持部材４４の外周の減少率は大体
１，６２　ｘ　１０−’　ｉｎ／　ｉｎである。光ファ
イバ導波管４２が支持部材４４に巻回される際に、収縮
に基づく支持部材４４の外周の減少度（ｔなわち、１．
６２　ｘ　ｔｏ−’　ｉｎ／　ｉｎ）に等しいかまたは
それより大きい引張ひずみを、予め張力を付与し得る適
当な機構により光ファイバ導波管４２に付与する。光フ
ァイバ導波管４２は巻回部分の開始部４６及び終端部４
８を支持部材４４に固着する。前述の“’Ｍ−ＢＯＮＤ
　６１０”のような接種剤が光ファイバ導波管４２を支
持部材４４に固着するのに適切である。
予め応ノコを付与することにより、光ファイバ導波管４
２は、支持部材４４が低温の影響下に収縮（すなわち、
ガラスファイバの熱収縮より大きい程度に収縮）したと
きに、緩んで支持部材４４上に固定維持されたままとな
り、したがって前ｊホの如くの分離の問題を避けること
ができる。本実施例の光ファイバ導波管４２は前記のポ
リイミド被覆により被覆することが望ましいが、予め付
与された応力がファイバに動いてこれによりガラスファ
イバと被覆の間の熱応力差に起因する曲がりの問題が解
消されるので、従来の保護被覆を用いたファイバを用い
ることもできる。この実施例の場合は、予め応力を付与
されるファイバ内に誘起される引張ひずみの程度は、熱
収縮に基づく支持部材４４の外周の可能最大減少量より
わずかに大きくすべきである。したがって、最も低い作
動温度においても、ファイバ被覆境界面での熱応力に基
づく好ましくない曲がりを介避するに充分な引張り状態
が維持されることになる。
以上本発明を好ましい実施例に基づいて説明したが、本
発明はこれら実施例に限定されるものではないことは当
業者に明らかであろう。本発明の範囲は特許請求の範囲
によってのみ解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明が対象とする光ファイバセンサ装置の要
部を示す斜視図、第２図は同装置の使用態様を示す概略
図、第３図は本発明に係る光ファイバセンサの一実施例
の光ファイバ導波管部分の横断面図、第４図は本発明に
係る光ファイバセンサの変更実施例の光ファイバ導波管
及び支持部材部分の横断面図、第５図は本発明に係る光
ファイバセンサの別の変更実施例の光ファイバ導波管及
び支持部材部分の横断面図、第６図は本発明に係る光フ
ァイバセンサのさらに別の変更実施例の光ファイバ導波
管及び支持部材の横断面図、第７図は本発明に係。る光
ファイバセンサの別の実施例を示す斜視図である。 ８・・・センサ　１０．１０’、　１０″、　１０”’
、　１０″’；　４２・・・光ファイバ導波管　１２・
・・光放出＃ｉ１４・・・受光装置　１６゜２８．３２
，３５，３８．４４・・・支持部材　２４’、　２４″
、　２４’７：　２４″”・・・ガラスファイバ　２５
．３０・・・接着剤　２６’、　２６’′、２６″；２
６　””・・・被覆 特許出願人　エルデック　コーポレイション図面の浄ｉ
！）（内容に変更なし） ４ζＩ２・ 手　続　補　正　書（方式・自発） 昭和６１年７月１８日 特許庁長官　　黒　１）明　雄　　殿 １、事件の表示 昭和６１年７月１１日提出の特￥Ｆ願 ２、発明の名称 光ファイバセン帯す ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住所　アメリカ合衆国、　　９８０４６　　ワシントン
州、リンウッド。 サーティーンス　アベニュー　ウェスト　１６７００名
称　エルデック　コーボレイション ４、代理人 ６、補正の対象　　図面浄書（内容に変更なし）７、補
正の内容　　別紙の通り 手続補正書（自発） 昭和６１年７月１８日 特許庁長官　　黒　１）明　雄　　殿 １、事件の表示 昭和６１年７月１１日提出の特許類 ２、発明の名称 光ファイバセンサ ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住所　アメリカ合衆国、　　９８０４６　　ワシントン
州、リンウッド。 サーティーンス　アベニュー　ウェスト　１６７００名
称　エルデック　コーポレイション ４、代理人 東京都新宿区下落合二丁目１４番１号 補正命令の日付　　自発補正 ６、補正の対象　　図面 ７、補正の内容　　別紙の通り　Ｃ＼ （６）゛

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）光放出源と受光装置の間に連結され、外部パラメ
    ータの変化に応答する光ファイバセンサであつて、 （ａ）光ファイバ導波管と、 （ｂ）実質的に１０×１０＾−＾６ｉｎ／ｉｎ／℃から
    実質的に５０×１０＾−＾５ｉｎ／ｉｎ／℃の範囲の熱
    膨張係数を有し、前記光ファイバ導波管の外周に付設し
    た被覆材と、（ｃ）被覆された前記光ファイバ導波管が
    付設される支持部材であって、実質的に１０×１０＾−
    ＾６ｉｎ／ｉｎ／℃から実質的に５０×１０＾−＾５ｉ
    ｎ／ｉｎ／℃の範囲の熱膨張係数を有する材料から形成
    され、該支持部材及び付設された前記光ファイバ導波管
    の形状が外部パラメータの変化に応答して変化可能とな
    つており、該形状変化が前記光放出源と受光装置の間を
    伝播する放出光の強度変化をもたらすようになした支持
    部材と、 を有することを特徴とする光ファイバセンサ。
  2. （２）付設された光ファイバ導波管の縦軸に対してほぼ
    垂直な平面で測定した支持部材の横断面積が、該平面で
    測定した付設された光ファイバ導波管の横断面積の５０
    ％よりも少ない特許請求の範囲第（１）項に記載の光フ
    ァイバセンサ。
  3. （３）支持部材がポリイミド材より形成されている特許
    請求の範囲第（１）項に記載の光ファイバセンサ。
  4. （４）支持部材が、樹脂マトリクス内に多数のガラスフ
    ァイバを埋込んだ複合材料により形成されている特許請
    求の範囲第（１）項に記載の光ファイバセンサ。
  5. （５）光ファイバ導波管が支持部材と一体的に形成され
    ている特許請求の範囲第（４）項に記載の光ファイバセ
    ンサ。
  6. （６）支持部材が、樹脂マリトクス内に多数のグラファ
    イトファイバを埋込んだ複合材料により形成されている
    特許請求の範囲第（１）項に記載の光ファイバセンサ。
  7. （７）光ファイバ導波管が支持部材と一体的に形成され
    ている特許請求の範囲第（６）項に記載の光ファイバセ
    ンサ。
  8. （８）支持部材が、樹脂マトリクス内に多数のアラミド
    ファイバを埋込んだ複合材料により形成されている特許
    請求の範囲第（１）項に記載の光ファイバセンサ。
  9. （９）光ファイバ導波管が支持部材と一体的に形成され
    ている特許請求の範囲第８項に記載の光ファイバセンサ
    。
  10. （１０）支持部材がほぼ円筒形状である特許請求の範囲
    第（１）項に記載の光ファイバセンサ。
  11. （１１）光ファイバ導波管が２回またはそれ以上連続的
    に巻回され、各巻回部が隣接する連続巻回部に接着され
    ている特許請求の範囲第（１０）項に記載の光ファイバ
    センサ。
  12. （１２）被覆光ファイバ導波管がエポキシ・フェノール
    接着剤によって支持部材に付設され、光ファイバセンサ
    が使用される環境の温度変化にも拘らず、前記接着剤が
    実質的に弾性を維持している特許請求の範囲第（１）項
    に記載の光ファイバセンサ。
  13. （１３）温度変化を受ける環境で作動可能な外部パラメ
    ータ変化を感知するための光ファイバセンサであって、 （ａ）光ファイバ導波管と、 （ｂ）支持部材と、 （ｃ）前記光ファイバ導波管を前記支持部材に近接させ
    て支持するために前記光ファイバ導波管と前記支持部材
    の間に付設される緩衝材であつて、光ファイバセンサが
    使用される環境の温度変化範囲において弾性的に変形可
    能であり、支持部材と光ファイバセンサの熱膨張及び熱
    収縮に起因する光ファイバ導波管に対する支持部材の相
    対的変動に拘らず、支持部材と光ファイバ導波管の両方
    と連続接触状態に維持するように形成配設された緩衝材
    と、 を有することを特徴とする光ファイバセンサ。
  14. （１４）緩衝材が、部分圧縮された弾性ポリマーである
    特許請求の範囲第（１３）項に記載の光ファイバセンサ
    。
  15. （１５）第１温度及びそれより低い第２温度で限定され
    る温度範囲の環境において作動する光ファイバセンサで
    あつて、 （ａ）光ファイバ導波管と、 （ｂ）前記光ファイバ導波管が付設される支持部材であ
    って、光ファイバ導波管と支持部材が第１温度のときに
    光ファイバ導波管が支持部材に恒久的に付設され、第１
    温度において支持部材は付設された光ファイバ導波管の
    長さに沿つて測定した長さＬを有し、支持部材の温度が
    第１温度から第２温度に変化したときに支持部材の長さ
    ＬがＸだけ減少し、減少度が熱ひずみＸ／Ｌで定義され
    るとして、光ファイバ導波管が第１温度のときに熱ひず
    みＸ／Ｌに等しいかまたはこれより大きい引張りひずみ
    を有するように光ファイバ導波管が形成されている支持
    部材と、 を有することを特徴とする光ファイバセンサ。
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