【解決手段】光ファイバセンサ100は、伝送する光の一部を漏洩するヘテロコア部HPを有し、入射端から入射されてヘテロコア部HPを通過した光を出射端から出射する光ファイバ10と、弾性体からなる弾性部材23と、弾性部材23の両側に固定され、ヘテロコア部HP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するように光ファイバ10が固定される2つの固定部材21,22とを備え、弾性部材23の弾性変形による2つの固定部材21,22の間隔Dの変化に応じて最小曲率半径が変化することにより、光ファイバ10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。
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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
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。
【0006】
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。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の光ファイバセンサは、伝送する光の一部を漏洩する光透過部を有し、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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【発明を実施するための形態】
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。