JPS63134913A - 光フアイバセンサ - 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」 この発明は、センサ内部および外部の温度が変化しても
、例えば角速度、電流等の物理ｍを正確に計測できる干
渉型の光ファイバセンサに関する。

「従来の技術」 一般に、光ファイバは、例えば角速度、音圧、電流など
の種々の物理量の変化に対する感受性が高い。近年、こ
のような光ファイバの高感受性を利用して、光フアイバ
自体を種々の物理ｍをとらえるためのセンナとして用い
た光ファイバセンサがＵｎＲされている。

第２図は、このような光ファイバセンサの一例として先
ファイバジャイロを示すもので、図中符号ｌは光フアイ
バジャイロである。この光フアイバジャイロｌは、サグ
ナック（９ａｇｎａｃ）効果を利ｎｌ　して回転角速度
を検出する干渉型のセンサで、このらのは、光フアイバ
コイル（センサ部）２と、この光フアイバコイル２内に
配された第１光カプラ３と第２光カプラ４とハーフミラ
−５とレーザダイオード（以下、ＬＤと略称する。光源
）６と光検出器７から概略構成されている。

光フアイバコイル２は、シングルモード型の光ファイバ
８を図示しないボビンあるいはドラムの外周面に多数回
、巻き付けてなるものである。この光フアイバコイル２
の光ファイバ８の両端は、光フアイバコイル２内に導か
れており、光ファイバ８の一端には第１光、カプラ３が
設けられ、他端には第２光カプラ４が設けられている。

そ、して、光フアイバコイル２内では、第１光カブラ３
および第２光カプラ４の両方に、同一のハーフミラ−５
を介してＬＤ６および光検出器７が光学的に接続されて
いる。光検出器７は、光フアイバコイル２の光ファイバ
８をそれぞれ逆回りした二つの光を干渉させ、光フアイ
バコイル２が自らの中心軸を中心に回転した際に生じる
上記両光の光路差を求め、この光路差が回転の角速度に
比例するサグナック効果を利用して角速度を検出するも
のである。

そして、このような光フアイバジャイロ１では、゛　　
まず、ＬＤ６からの出力光がハーフミラ−５により２分
割される。２分割された出力光のうち一方の光は、第１
光カブラ３を介して先ファイバコイル２の光ファイバ８
の一端から入射されたのち、光ファイバ８の他端の第２
光カプラ４、上記ハーフミラ−５を介して光検出器７に
送られる。また、他方の光は、第２光カプラ４を介して
光フアイバコイル２の光ファイバ８の他端から入射され
たのち、光ファイバ８の一端の第１光カプラ３、ハーフ
ミラ−５を介してやはり光検出器７に送られる。

そして、光フアイバコイル２をそれぞれ逆回りした両光
は、光検出器７において互°いに干渉せしめられ、干渉
縞が形成せしめられるようになっている。

そして、光フアイバコイル２がその中心軸を中心に回転
すると、サグナック効果により上記両光の間に位相差を
生じ、上記の干渉縞が移動する。

この干渉縞の移動量から光検出器７において回転角速度
を求め、この回転角速度の積分値から回転角度を求める
ことができろようになっている。

「発明が解決しようとする問題点」 ところが、この光フアイバジャイロ！のような光ファイ
バセンサにあっては、その光フアイバコイル２の近傍に
ＬＤ６等の発熱源が配設されているため、このようなＬ
　Ｄ　６等の熱により光フアイバコイル２が部分的に熱
せられ、光フアイバコイル全体に温度分布が生じ、この
温度分布により光フアイバコイル２の伝送損失が部分的
に増加してしまい、センサとしての感度が著しく低下す
る問題があった。

「問題点を解決するための手段」 そこで、この発明の光フアイバセンナは、その構成を、
少なくともコイル状に巻かれた光ファイバからなるセン
サ部を断熱材により囲繞しがっヘリウムガス雰囲気の密
閉チャンバ内に収容したものとしたことにより、上記の
問題点を解消するようにした。

「作用」 この発明の光ファイバセンサにあっては、上記のような
構成であるので、次のような作用を奏する。

すなわち、例えば熱源がチャンバの外部近傍に存在する
場合、断熱材により、上記熱源からの熱が断熱材内側の
センサ部に移行するのが防止される。

また、熱源がチャンバの内部に存在する場合、桔伝稈性
のよいヘリウムガスにより、上記熱源からの熱かチャン
バの内部全体に速やかに伝えられるとともに、断熱材に
よりチャンバ内部から外部への熱の散逸が防止され、よ
ってチャンバ内部全体の温度が常に均一となる。さらに
、チャンバの外部において温度変化が発生した場合、断
熱材により、チャンバの内部と外部とが熱的に遮断され
るので、チャンバ内の温度がチャンバ外部の温度変化に
鍔環影響されない。

したがって、熱源がチャンバの内部あるいは外部のいず
れかに存在していても、断熱材およびヘリウムガスによ
りセンサ部全体の温度が常に均一となるように保持され
ることから、チャンバ内側のセンサ部に温度分布が生じ
ることがなく、この温度分布によるセンサ部に部分的な
損失変化が生じることがない。

［実施例Ｊ 以下、この発明を光フアイバジャイロの例によって詳し
く説明する。

第１図は、この発明の光ファイバセンサの一例の先ファ
イバジャイロを示す乙のである。この例の光ファイバセ
ンサの構成は第１図に示した従来のセンサの構成とほぼ
同一であり、同一部分にっいては同一符号を符し、その
部分の説明を省略する。

この光ファイバセンサのもが成が従来のセンサの構成と
異なる点は、光フアイバコイル２が断熱材９により囲繞
され、この断熱材９に囲繞された光フアイバコイル２が
ヘリウムガス雰囲気のヂャン）＜１０内に密閉状態に収
容されている点である・断熱材９を形成する材料には、
耐熱性を有しかつ光フアイバコイル２を外力から保護す
るための適度の弾力性を有するしのが選ばれ、具体的に
は炭素繊維、ガラス繊維、アルミニウム薄膜とガラス繊
維層とを交互に積層した積層品（商品名、スーパーイン
シュレータ）などが好適に用いられる。

そして、この断熱材９の厚さは、その断熱材９の種類、
測定環境などに応じて適宜法められ、例えば上記積層品
では、５〜５０ｚｇ程度の範囲とされる。

また、チャンバ１０は、光フアイバジャイロｌの各部品
のうち、少なくとも光フアイバコイル２を収容するため
の密閉可能な画状容器であって、このチャンバ■０を形
成する材料としては、軽量でかつ機械的強度に優れた金
属が選ばれ、具体的にはアルミニウム合金などの合金が
好適に用いられる。そして、このチャンバＩＯ内に封入
されるガスは、熱伝導性を有しかつ乾燥したヘリウムガ
スが用いられる。

次に、このような構成からなる光フアイバジャイロｌの
製造方法を説明する。まず、ボビンあるいはドラムの外
周面上に、所定の長さを有するシングルモード型の光フ
ァイバ８を巻き付けて、光フアイバコイル２を作製する
。次に、この光フアイバコイル２の光ファイバ８の一端
に第１光カブラ３を、また他端に第２光カプラ４をそれ
ぞれ接続し、これら両カブラ３．４を上記の光フアイバ
コイル２内に配置する。次いで、第１光カプラ３および
第２光カブラ４には、同一のハーフミラ−５を介してＬ
Ｄ６および光検出器７を光学的に連結する。

次に、このようにして得られた光フアイバコイル２の外
側に、アルミニウム薄膜とガラス繊維層とを交互に積層
した断熱材９（例えば商品名、スーパーインシュレータ
）を所定の厚さで巻き付けたのち、これをアルミニウム
合金製の四状のチャンバ１０内に収容する。

次に、このチャンバ１０を収水しないグローブボックス
内に収納したのち、上記ボックス内を真空引きするとと
もに、ボックス内にヘリウムガスを供給してボックスの
内部が大気圧に等しくなるまでガス置換を行なう。次い
で、チャンバＩＯの開口部（図示せず）をレーザ溶着等
の方法によって密閉して目的の光フアイバジャイロｌを
得る。ここで、上記のチャンバｌＯの密閉性を確認する
には、例えばチャンバ室０内にヘリウムガスが封入され
ている場合、ヘリウムリークディテククを用いてヘリウ
ムガスの漏れを検知する方法が簡易かつ有効である。そ
して、このガス漏れを検知するガスリークディテクタを
チャンバ！０の外側に配設しておくことによって、この
光フアイバジャイロｌのメンテナンスを容易にかつ確実
に行なうことができる。

この上うな構成の光フアイバジャイロｌにあっては、次
のような優れた実施例効果が得られろものとなる。

（１）光フアイバコイル２が断熱材９に囲繞されかつヘ
リウムガス雰囲気のチャンバ！θ内に密閉状態で収容さ
れたものであるので、熱伝導性のよいヘリウムガスによ
りチャンバ１０の光フアイバコイル２内に配されたＬＤ
６等の熱源からの熱がチャンバ１０の内部全体に速やか
に伝えられるとともに、断熱材９によりチャンバ１０の
内部から外部への熱の散逸が防止され、よってチャンバ
１０内部全体の温度が常に均一となる。

したがって、光フアイバジャイロ１の光ファイバコイル
２全体の温度が常に均一となることから、光フアイバコ
イル２に温度分布やこの温度分布による部分的な損失変
化も生じることらない。その結果、計測時において、温
度変化に伴う損失変化を排除できるので、極めて正確に
角速度を計測できるしのとなる。゛ 〔２〕光フアイバコイル２を断熱材９で囲繞したもので
あるので、断熱材９により、チャンバＩＯの内部と外部
とが熱的に遮断されることから、たとえチャンバｌＯの
外部近傍において温度変化が発生しても、その温度変化
に鍔環影響されることなく、断熱材９内側の光ファイバ
コイル２全体の温度の均一化が可能となる。

〔３〕光フアイバコイル２をチャンバ１０内に密閉状聾
に収容し、かつこのチャンバ１０内に乾燥したヘリウム
ガスを封入した６のであるので、光フアイバコイル２の
外表面に対する光ファイバ８の強度劣化の一因となる水
分の付着が防止され、光フアイバコイル２の品質の安定
化が図れるものとなる。

上記の実施例は、光フアイバジャイロを例示したもので
あったが、この例の他に先ファイバハイドロフトン（音
響センナ）、光フアイバ電界センサ、光フアイバ磁界セ
ンサなど光フアイバコイルを用いる干渉型のセンサに適
用可能であることは勿論である。

また、上記の実施例では、光フアイバコイル２の光ファ
イバ８としてシングルモード型の光ファイバを用いた構
成としたが、シングルモード型の光ファイバのうち、特
に温度変化による損失変化を受けにくい偏波面保存ファ
イバを用いた構成であってもよい。この場合、通常のシ
ングルモード型の光ファイバより温度変化に対して常に
安定に計測できる光ファイバセンサを構成することがで
きろ。

（実験例） 直径１４５　＊ｘ、高さ４０ｚｍのボビンの、外周面上
に、ファイバ長５００ｍの光ファイバを巻き付けて、直
径１５０　ｉｚｚ、高さ４０！ｌのシングルモード型光
ファイバコイルを形成した。次に、この光フアイバコイ
ルのボビン内に第２図に示した配置構成でＬ　Ｄ、光カ
プラ、ハーフミラ−１光検出器を配した。

次に、この光フアイバコイルの外周面を始めとする外側
全体に、アルミニウム薄膜とガラス繊維層とを交互に積
属した断熱材（商品名、スーパーインシュレータ）を約
２５ｘｍの厚さで巻き付けた。

次いで、このように断熱材が巻き付けられた光フアイバ
コイルをアルミニウム合金製の画状のチャンバ内に収容
したのち、このチャンバをグローブボックス中で真空引
きしながら、チャンバ内部が大気圧に等しいヘリウムガ
ス雰囲気となるまでヘリウムガスを供給してガス置換を
行なった。次いで、上記のチャンバの開口部をレーザ溶
岩によって密閉して第１図に示した光フアイバジャイロ
を得た。

そして、このようにして得られた光フアイバジャイロの
温度安定性を調べたところ、室温で１時間当たりＯ０！
°のジャイロドリフトであった。

これに対して光フアイバコイルをヘリウムガス雰囲気の
密閉チャンバ内に収容していない従来の光フアイバジャ
イロのジャイロドリフトは、室温で１時間当たり０．５
°であった。

「発明の効果」 以上説明したように、この発明の光ファイバセンサは、
少なくともコイル状に巻かれた光ファイバからなるセン
サ部が、断熱材に囲繞されかつヘリウムガス雰囲気の密
閉チャンバ内に収容された乙のであるので、次のような
浸れた効果が得られる乙のとなる。

すなわち、光源等の熱源がチャンバの外部近傍に存在す
る場合、断熱材により上記熱源からの熱が断熱材内側の
センサ部に移行するのが防止される。また、上記の熱源
がチャンバの内部に存在する場合、その熱源からの熱が
熱伝導性のよいヘリウムガスによりチャンバの内部全体
に速やかに伝えられるとともに、断熱材によりチャンバ
内部から外部への熱の散逸が防止され、よってチャンバ
内の温度が常に均一となる。

したが−で、熱源がチャンバの内部あるいは外部のいず
れかに存在していても、断熱材およびヘリウムガスによ
りセンサ部全体の温度が常に均一となるように保たれる
ことから、センナ部に温度分布か生じることがなく、こ
の温度分布による部分的な損失変化が生じることもない
。その結果、計測時において、温度変化に伴う損失変化
を排除できるので、極めて正確に物理ｍを計測できるも
のとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の光ファイバセンザの一部を断面視
した概略側面図、第２図は、従来の光ファイバセンサの
一例を示す概略平面図である。 ｌ・・・光フアイバジャイロ（光ファイバセンザ）、２
・・・光フアイバコイル（センサ部）、６・・・Ｌ　Ｄ
　（光源）、９・・・断熱材、ｌＯ・・・チャンバ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 コイル状に巻かれた光ファイバからなるセンサ部とこの
   センサ部の近傍に配された光源を有する光ファイバセン
   サにおいて、 少なくとも上記センサ部が、断熱材に囲繞されかつヘリ
   ウムガス雰囲気の密閉チャンバ内に収容されたことを特
   徴とする光ファイバセンサ。