(57)【要約】【課題】受光部の感度が偏光方向に依存する場合であっても、物理量を高精度に検出できる光学式センサを提供する。【解決手段】本発明に係る光学式センサ１０は、光源１１と、光源１１からの光を伝播する第１光ファイバ１２ａと、第１光ファイバ１２ａの端面からの距離が物理量に応じて変動し、第１光ファイバ１２ａの上記端面から出射された光を反射する反射板１４と、反射板１４が反射した光をそれぞれ伝播する第２光ファイバおよび第３光ファイバ１２ｂ、１２ｃと、第２光ファイバ１２ｂが伝播する光を受光して、受光した光を第１の電流信号に変換する第１受光部１５ａと、第３光ファイバ１２ｃが伝播する光を受光して、受光した光を第２の電流信号に変換する第２受光部１５ｂと、を備えており、第１〜第３光ファイバ１２ａ〜１２ｃは偏波保持ファイバで構成されている。【選択図】図１
2011203011.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
上記光源からの光を伝播する第１光ファイバと、
第１光ファイバの上記光源側とは反対側の端面からの距離が物理量に応じて変動し、第１光ファイバの上記端面から出射された光を反射する反射体と、
上記反射体が反射した光をそれぞれ伝播する第２光ファイバおよび第３光ファイバと、
第２光ファイバが伝播する光を受光して、受光した光を第１の電気信号に変換する第１受光部と、
第３光ファイバが伝播する光を受光して、受光した光を第２の電気信号に変換する第２受光部と、を備えている光学式センサであって、
少なくとも第２および第３光ファイバは偏波保持ファイバであり、
第２光ファイバと第３光ファイバとは、上記反射体側の端面における速軸同士および遅軸同士が互いに平行になるように配置され、
第２光ファイバの長さと第３光ファイバの長さとの差は、第２および第３光ファイバを伝播する光の偏光方向が３６０度回転する長さであるビート長の整数倍である、
ことを特徴とする光学式センサ。
【請求項２】
光源と、
上記光源からの光を伝播する第１光ファイバと、
第１光ファイバの上記光源側とは反対側の端面からの距離が物理量に応じて変動し、第１光ファイバの上記端面から出射された光を反射する反射体と、
上記反射体が反射した光をそれぞれ伝播する第２光ファイバおよび第３光ファイバと、
第２光ファイバが伝播する光を受光して、受光した光を第１の電気信号に変換する第１受光部と、
第３光ファイバが伝播する光を受光して、受光した光を第２の電気信号に変換する第２受光部と、を備えている光学式センサであって、
第１〜第３光ファイバは偏波保持ファイバであり、
上記光源からの光の偏光方向は、第１光ファイバの遅軸または速軸に平行であり、
第１〜第３光ファイバに平行な平面と第１光ファイバの遅軸との角度、上記平面と第２光ファイバの遅軸との角度、上記平面と第２光ファイバの速軸との角度、上記平面と第３光ファイバの遅軸との角度、および、上記平面と第３光ファイバの速軸との角度を、それぞれ第１〜第５の角度として、
第１の角度と、第２または第３の角度と、第４または第５の角度とが、互いに等しい、
ことを特徴とする光学式センサ。
【請求項３】
上記光源はレーザダイオードである、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の光学式センサ。
【請求項４】
上記光源はスーパールミネッセントダイオードである、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の光学式センサ。
【請求項５】
第１光ファイバの上記端面と、第２および第３光ファイバの上記反射体側の各端面との少なくともいずれかにＡＲコートが施されている、
ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の光学式センサ。
【請求項６】
第１光ファイバの上記端面は、第１光ファイバの長手方向と垂直ではない、
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学式センサ。
【請求項７】
第２および第３光ファイバの上記反射体側の各端面は、それぞれ第２および第３光ファイバの各長手方向と垂直ではない、
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学式センサ。
【請求項８】
上記偏波保持ファイバはＰＡＮＤＡファイバである、
ことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の光学式センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射体からの反射光の強度の変化を測定することによって、反射体に加えられる圧力や温度などの物理量を検出する光学式センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、被測定物の変位、温度、または圧力等の物理量を測定するセンサとして電気式センサが広く用いられている。電気式センサでは、測定部（センシング部）で各物理量に応じて生成される電気信号が処理部に伝播され、処理部が電気信号を各物理量に換算する。電気信号は電線によって伝播されるため、測定部と処理部との距離が離れている場合、電磁ノイズの影響を受けやすく、測定精度が低下するという問題を有している。また、電気式センサでは、遠く離れた測定部に電力を供給する必要があるため、例えば、ダムの水位（水圧）、地下の排水管の水位（水圧）、可燃物である液化天然ガスの水位（圧力）等の測定には不向きであった。
【０００３】
これに対して、光ファイバを用いる光学式センサでは、光ファイバを通してセンシング部に光を供給し、物理量に応じた光信号を光ファイバによって測定部から処理部まで伝播する。そのため、光学式センサでは、電磁ノイズの影響を受けることなく測定部からの信号を伝播することが可能であり、電気式センサよりも高精度の測定を行うことができる（例えば、特許文献１〜１０参照）。
【０００４】
また、特許文献１１には以下のような光学式センサが開示されている。
【０００５】
図９は、特許文献１１に記載の光学式センサ２０を示す構成図である。光学式センサ２０は、光源２１と、第１〜第３光ファイバ２２ａ〜２２ｃと、センシング部２３と、第１および第２受光部２５ａ、２５ｂと、第１および第２増幅器２６ａ、２６ｂと、演算処理回路２７とを備えている。センシング部２３は、第１〜第３光ファイバ２２ａ〜２２ｃの各端面と対向する位置に、ダイアフラムに固定された反射板２４を含んでおり、第１光ファイバ２２ａの端面と反射板２４の反射面２４ａとの距離は、ダイヤフラムに加えられる圧力に応じて変化する。
【０００６】
光源２１からの光は、第１光ファイバ２２ａを伝播して第１光ファイバ２２ａの端面から出射され、反射板２４の反射面２４ａにおいて反射する。第２光ファイバ２２ｂと第３光ファイバ２２ｃとは、反射板２４の近傍において長手方向が互いに平行になるように配置されており、第１光ファイバ２２ａの端面と反射面２４ａとの距離が所定の範囲にあるときに、反射面２４ａからの反射光の少なくとも一部が、第２および第３光ファイバ２２ｂ、２２ｃの各端面の少なくともいずれかに入射する。
【０００７】
第２および第３光ファイバ２２ｂ、２２ｃは、反射板２４側の端面に入射した光をそれぞれ第１および第２受光部２５ａ、２５ｂに伝播する。第１および第２受光部２５ａ、２５ｂは、受光した光を電流信号に変換し、第１および第２受光部２５ａ、２５ｂからの各電流信号は、それぞれ第１および第２増幅器２６ａ、２６ｂによって電圧信号に変換される。これにより、演算処理回路２７には、第１および第２受光部２５ａ、２５ｂが受光した各光の強度に応じた電圧信号が入力される。
【０００８】
ここで、第１光ファイバ２２ａの端面と反射面２４ａとの距離が上記所定の範囲内で変動すると、当該変動に応じて、第２および第３光ファイバ２２ｂ、２２ｃの各端面に入射する光の強度が変化する。したがって、演算処理回路２７に入力される各電圧信号の比に基づいて、反射板２４に加えられる圧力等の物理量を検出することができる。
【０００９】
上記の光学式センサ２０では、第１〜第３光ファイバ２２ａ〜２２ｃとしてシングルモードファイバが用いられている。シングルモードファイバのコアを伝播する光は、互いに直交する偏光方向を有する２つの偏波モードの合成である。ただし、これら２つの偏波モードの間に結合が生じるため、シングルモードファイバに入射した光は、その偏光方向を変えながらコア中を伝播する。伝播過程において偏光方向がどのように変化するかは、シングルモードファイバの各部の曲率や各部に作用する応力等に応じて決まる。
【００１０】
第２および第３光ファイバ２２ｂ、２２ｃの各部の曲率や各部に作用する応力等を一致させ、第１および第２受光部２５ａ、２５ｂに入射する光の偏光方向を一致させることは極めて困難である。このため、第１および第２受光部２５ａ、２５ｂを構成するフォトダイオード（ＰＤ）の感度が偏光方向に依存する場合、測定精度が悪化するという問題があった。
【００１１】
これに対し、特許文献１２には、以下のような光学式センサが開示されている。
【００１２】
図１０は、特許文献１２に記載の光学式センサ３０を示す構成図である。光学式センサ３０は、図９に示す光学式センサ２０において、第１光ファイバ２２ａにデポラライザ２８を設けた構成である。デポラライザ２８の作用により、第２および第３光ファイバ２２ｂ、２２ｃから出射される光が何れもランダム偏波になるので、第１および第２受光部２５ａ、２５ｂを構成するＰＤの感度が偏光方向に依存する場合であっても、測定精度の悪化を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特公平０６−００８７２４号公報（１９９４年２月２日公告）
【特許文献２】特開平０２−０５７９０９号公報（１９９０年２月２７日公開）
【特許文献３】特開平０３−２４３８２２号公報（１９９１年１０月３０日公開）
【特許文献４】特開平０２−０４９１１５号公報（１９９０年２月１９日公開）
【特許文献５】特開昭６３−１６９５２１号公報（１９８８年７月１３日公開）
【特許文献６】特開平１１−３５２１５８号公報（１９９９年１２月２４日公開）
【特許文献７】特開２００４−３０１７６９号公報（２００４年１０月２８日公開）
【特許文献８】特開２００６−１９４８５５号公報（２００６年７月２７日公開）
【特許文献９】特開２００６−２７５６５４号公報（２００６年１０月１２日公開）
【特許文献１０】特開平０６−３０７８５８号公報（１９９４年１１月４日公開）
【特許文献１１】特開２００７−０２４８２６号公報（２００７年２月１日公開）
【特許文献１２】特開２００８−２９８５８１号公報（２００８年１２月１１日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、光源として偏光性の小さいＬＥＤを用いると、ＬＥＤの出射光は強度が弱いため、伝送距離の長い光ファイバを使用することができない。このため、センシング部と、光源、受光部、演算処理回路等を含む検出部との距離が制限されてしまうといった問題を生ずる。このため、近年求められている遠隔モニタを実施することが難しい。
【００１５】
また、ＬＥＤよりもパワーの強いレーザダイオード（ＬＤ）を光源とした場合、図１０に示すように、デポラライザを用いて偏光方向をランダム化することが必要になる。通常デポラライザは、入射光の偏光方向を波長毎に異なる回転角で回転させることによって、その偏光方向をランダム化させる。したがって，ＬＥＤよりも偏光性が高く、かつ、ＬＥＤよりも発振波長帯域の狭い、ＬＤから出力されるレーザ光の偏光方向をデポラライザにより十分にランダム化することは困難である。
【００１６】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、受光部の感度が偏光方向に依存する場合であっても、物理量を高精度に検出できる光学式センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記の課題を解決するために、本発明に係る光学式センサは、光源と、上記光源からの光を伝播する第１光ファイバと、第１光ファイバの上記光源側とは反対側の端面からの距離が物理量に応じて変動し、第１光ファイバの上記端面から出射された光を反射する反射体と、上記反射体が反射した光をそれぞれ伝播する第２光ファイバおよび第３光ファイバと、第２光ファイバが伝播する光を受光して、受光した光を第１の電気信号に変換する第１受光部と、第３光ファイバが伝播する光を受光して、受光した光を第２の電気信号に変換する第２受光部と、を備えている光学式センサであって、少なくとも第２および第３光ファイバは偏波保持ファイバであり、第２光ファイバと第３光ファイバとは、上記反射体側の端面における速軸同士および遅軸同士が互いに平行になるように配置され、第２光ファイバの長さと第３光ファイバの長さとの差は、第２および第３光ファイバを伝播する光の偏光方向が３６０度回転する長さであるビート長の整数倍であることを特徴としている。
【００１８】
上記の構成によれば、光源からの光が第１光ファイバによって反射体に伝播され、反射体で反射した光が、第２光ファイバおよび第３光ファイバによって、それぞれ第１受光部および第２受光部に伝播される。第１光ファイバの上記端面と反射体との距離が変化すると、第２光ファイバが伝播する光の強度と第３光ファイバが伝播する光の強度との比が変化する。上記距離は、反射体に加えられる圧力等の物理量に応じて変化するので、第１受光部からの電気信号の値と第２受光部からの電気信号の値との比に基づいて、物理量を検出することができる。
【００１９】
さらに、上記の構成によれば、第２および第３光ファイバが偏波保持ファイバであり、第２光ファイバと第３光ファイバとは、上記反射体側の端面における速軸同士および遅軸同士が互いに平行になるように配置されている。そのため、反射体からの反射光の偏光方向と第２光ファイバの遅軸との角度、および、当該偏光方向と第３光ファイバの遅軸との角度は、互いに等しくなる。さらに、第２光ファイバと第３光ファイバとは、上記反射体側の端面における速軸同士および遅軸同士が互いに平行になるように配置され、第２光ファイバの長さと第３光ファイバの長さとの差は、第２および第３光ファイバを伝播する光の偏光方向が３６０度回転する長さであるビート長の整数倍となっている。よって、第１光ファイバが偏波保持ファイバ以外の光ファイバによって構成され、第１光ファイバに応力等が加えられることによって反射体からの反射光の偏光方向が変化しても、第２光ファイバからの出射光の偏光方向と第３光ファイバからの出射光の偏光方向とは、互いに等しくなる。したがって、第１および第２受光部の感度が偏光方向に依存する場合であっても、第１受光部からの電気信号の値と第２受光部からの電気信号の値との比は、第１〜第３光ファイバの各部の曲率や各部に作用する応力等によらず概ね一定になる。このため、物理量を高精度に検出できる光学式センサを提供することができる。
【００２０】
上記の問題を解決するために、本発明に係る光学式センサは、光源と、上記光源からの光を伝播する第１光ファイバと、第１光ファイバの上記光源側とは反対側の端面からの距離が物理量に応じて変動し、第１光ファイバの上記端面から出射された光を反射する反射体と、上記反射体が反射した光をそれぞれ伝播する第２光ファイバおよび第３光ファイバと、第２光ファイバが伝播する光を受光して、受光した光を第１の電気信号に変換する第１受光部と、第３光ファイバが伝播する光を受光して、受光した光を第２の電気信号に変換する第２受光部と、を備えている光学式センサであって、第１〜第３光ファイバは偏波保持ファイバであり、上記光源からの光の偏光方向は、第１光ファイバの遅軸または速軸に平行であり、第１〜第３光ファイバに平行な平面と第１光ファイバの遅軸との角度、上記平面と第２光ファイバの遅軸との角度、上記平面と第２光ファイバの速軸との角度、上記平面と第３光ファイバの遅軸との角度、および、上記平面と第３光ファイバの速軸との角度を、それぞれ第１〜第５の角度として、第１の角度と、第２または第３の角度と、第４または第５の角度とが、互いに等しいことを特徴としている。
【００２１】
上記の構成によれば、光源からの光の偏光方向が第１光ファイバの遅軸または速軸に平行であるので、第１光ファイバを伝播する光の偏光方向は変化しない。そのため、反射面からの反射光は、その偏光方向が第２および第３光ファイバの各遅軸または各速軸に平行になるように、第２および第３光ファイバに入射する。よって、上記反射光も、偏光方向を変えることなく第２および第３光ファイバを伝播する。したがって、光源からの光は、偏光方向を変えることなく第１および第２受光部に入射するので、第１および第２受光部は、感度が光の偏光方向に依存するものであってもよい。また、第１および第２受光部は、受光する光の偏光方向の変化に対する感度の変化が互いに異なっていてもよいので、第１および第２受光部を容易に構成することができる。
【００２２】
本発明に係る光学式センサにおいて、上記光源はレーザダイオードであることが好ましい。
【００２３】
レーザダイオード（ＬＤ）は、例えばＬＥＤ等に比べて高出力であるため、第１〜第３光ファイバとして、伝送距離の長い光ファイバを使用できる。したがって、遠隔モニタが可能となる。
【００２４】
本発明に係る光学式センサにおいて、上記光源はスーパールミネッセントダイオードであることが好ましい。
【００２５】
スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）も比較的高出力であるため、遠隔モニタが可能となる。さらに、ＳＬＤの出射光のスペクトル半値幅は、概ね１０ｎｍ以上であるため、第１〜第３光ファイバの各端面と反射体との間における光の多重反射により干渉が生じた場合でも、干渉による検出精度への影響が少ない。
【００２６】
本発明に係る光学式センサにおいて、第１光ファイバの上記端面と、第２および第３光ファイバの上記反射体側の各端面との少なくともいずれかにＡＲコートが施されていることが好ましい。
【００２７】
第１〜第３光ファイバの反射体側の各端面にＡＲコートを施していない場合、第１光ファイバの端面から出射されて反射体に反射した光の一部が、第２光ファイバまたは第３光ファイバの端面に反射し、反射した光が再度反射体に反射して第１光ファイバの端面に入射し、第１光ファイバの端面に入射した光が、当該端面において反射し、反射した光が反射体に再度反射して第２または第３ファイバの端面に入射する。このような多重反射が生じると、光の干渉によって検出精度が低下する虞がある。
【００２８】
これに対し、第１光ファイバの上記端面にＡＲコートが施されている場合、第１光ファイバの端面から出射されて反射体に反射した光の一部が、第２光ファイバまたは第３光ファイバの端面に反射し、反射した光が再度反射体に反射して第１光ファイバの端面に入射しても、第１光ファイバの端面に入射した光は、当該端面において殆ど反射しない。また、第２および第３光ファイバの各端面にＡＲコートが施されている場合も、第１光ファイバの端面から出射されて反射体に反射した光が、第２および第３光ファイバの端面に入射する際に、入射する光は当該端面において殆ど反射しない。したがって、多重反射による光の干渉を防止して、検出精度を維持することができる。
【００２９】
本発明に係る光学式センサにおいて、第１光ファイバの上記端面は、第１光ファイバの長手方向と垂直ではないことが好ましい。
【００３０】
上記の構成によれば、第１光ファイバの端面から出射した光の一部が多重反射により当該端面に入射した場合であっても、当該端面が第１光ファイバの長手方向と垂直ではないので、当該端面に入射した光が、多重反射によって再度第２および第３光ファイバの端面に入射することがない。したがって、多重反射による光の干渉を防止することができる。
【００３１】
本発明に係る光学式センサにおいて、第２および第３光ファイバの上記反射体側の各端面は、それぞれ第２および第３光ファイバの各長手方向と垂直ではないことが好ましい。
【００３２】
上記の構成によれば、反射体から第２および第３の端面に入射する光の一部が、当該端面において反射しても、当該端面が第２および第３光ファイバの各長手方向と垂直ではないので、当該端面において反射した光は、多重反射により再度第１光ファイバの端面に入射することがない。したがって、多重反射による光の干渉を防止することができる。
【００３３】
本発明に係る光学式センサにおいて、上記偏波保持ファイバはＰＡＮＤＡファイバであることが好ましい。
【００３４】
上記の構成によれば、ＰＡＮＤＡファイバは、応力付与部の位置が確認しやすいため、第１〜第３光ファイバの各遅軸方向および各速軸方向を容易に揃えることができる。
【発明の効果】
【００３５】
以上のように、本発明に係る光学式センサは、少なくとも第２および第３光ファイバは偏波保持ファイバであり、第２光ファイバと第３光ファイバとは、上記反射体側の端面における速軸同士および遅軸同士が互いに平行になるように配置され、第２光ファイバの長さと第３光ファイバの長さとの差は、第２および第３光ファイバを伝播する光の偏光方向が３６０度回転する長さであるビート長の整数倍である構成、または、第１〜第３光ファイバは偏波保持ファイバであり、上記光源からの光の偏光方向は、第１光ファイバの速軸または遅軸に平行であり、第１〜第３光ファイバに平行な平面と第１光ファイバの速軸との角度、上記平面と第２光ファイバの速軸との角度、上記平面と第２光ファイバの遅軸との角度、上記平面と第３光ファイバの速軸との角度、および、上記平面と第３光ファイバの遅軸との角度を、それぞれ第１〜第５の角度として、第１の角度と、第２または第３の角度と、第４または第５の角度とが、互いに等しい構成であるので、第１および第２受光部の感度が偏光方向に依存する場合であっても、物理量を高精度に検出できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態に係る光学式センサを示す構成図である。
【図２】図１に示す光学式センサのセンシング部の断面図である。
【図３】第１光ファイバと反射面との距離の変化に対する、第１および第２受光部が受光する各光の強度および光強度比の変化特性を示すグラフである。
【図４】ＰＡＮＤＡファイバの長手方向に垂直な断面を示す断面図である。
【図５】図２に示す第１〜第３光ファイバを、反射面に平行な面で切った断面を示す断面図であり、第１〜第３光ファイバの各遅軸が、第１〜第３光ファイバに平行な平面と平行である構成を示している。
【図６】図２に示す第１〜第３光ファイバを、反射面に平行な面で切った断面を示す断面図であり、第１〜第３光ファイバの各遅軸が、第１〜第３光ファイバに平行な平面と角度をなす構成を示している。
【図７】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、図２に示す第１〜第３光ファイバを、反射面に平行な面で切った断面を示す断面図であり、第１〜第３光ファイバ１２ａ〜１２ｃの各遅軸方向または各速軸方向の組み合わせの一例を示している。
【図８】図２に示すセンシング部の変形例を示す図である。
【図９】従来の光学式センサを示す構成図である。
【図１０】従来の他の光学式センサを示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明の実施の一形態について図１〜図８に基づいて説明すれば以下のとおりである。
【００３８】
（光学式センサの構成）
図１は、本実施形態に係る光学式センサ１０を示す構成図である。光学式センサ１０は、光源１１と、第１〜第３光ファイバ１２ａ〜１２ｃと、センシング部１３と、第１および第２受光部１５ａ、１５ｂと、第１および第２増幅器１６ａ、１６ｂと、演算処理回路１７とを備えている。
【００３９】
第１光ファイバ１２ａは、一方の端面が光源１１に対向しており、光源１１からの光をセンシング部１３に伝播する。センシング部１３は、第１〜第３光ファイバ１２ａ〜１２ｃの各端面と対向する、温度や圧力によって変形する金属に固定された反射板１４を含んでいる。反射板１４は、特許請求の範囲に記載の反射体に相当するものであり、第１〜第３光ファイバ１２ａ〜１２ｃ側に反射面１４ａを有している。第１光ファイバ１２ａの反射板１４側の端面から反射面１４ａまでの距離Ｄは、反射板１４が固定された金属に加えられる圧力や温度等の物理量に応じて変動する。
【００４０】
光源１１からの光は、第１光ファイバ１２ａを伝播して第１光ファイバ１２ａの反射板１４側の端面から出射され、反射面１４ａにおいて反射する。第２光ファイバ１２ｂと第３光ファイバ１２ｃとは、長手方向が互いに平行になるように配置されている。また、上記の距離Ｄが所定の範囲にあるときに、反射面１４ａからの反射光の少なくとも一部が、第２および第３光ファイバ１２ｂ、１２ｃの各端面の少なくともいずれかに入射するように、第２および第３光ファイバ１２ｂ、１２ｃの反射板１４側の各端面が配置されている。
【００４１】
第２および第３光ファイバ１２ｂ、１２ｃは、反射板１４側の端面に入射した光をそれぞれ第１および第２受光部２５ａ、２５ｂに伝播する。第１および第２受光部１５ａ、１５ｂは、フォトダイオード（ＰＤ）で構成される。第１受光部１５ａは、受光した光を第１の電流信号（第１の電気信号）に変換し、第２受光部１５ｂは、受光した光を第２の電流信号（第２の電気信号）に変換する。第１および第２電流信号は、それぞれ第１および第２増幅器１６ａ、１６ｂによって第１および第２電圧信号に変換される。これにより、演算処理回路２７には、第１および第２受光部１５ａ、１５ｂが受光した各光の強度に応じた第１および第２電圧信号が入力される。
【００４２】
光学式センサ１０における、反射板２４が固定された金属に加えられる物理量の検出メカニズムは、図９および図１０に示す従来の光学式センサ２０、３０における検出メカニズムと同様である。すなわち、第１光ファイバ１２ａの端面と反射面１４ａとの距離Ｄが上記所定の範囲内で変動すると、当該変動に応じて、第２および第３光ファイバ１２ｂ、１２ｃの各端面に入射する光の強度比が変化する。したがって、演算処理回路１７に入力される第１および第２電圧信号の比に基づいて、距離Ｄが求められ、これにより反射板１４が固定された金属に加えられる物理量を検出することができる。
【００４３】
さらに、本実施形態では、光源１１として、レーザダイオード（ＬＤ）を用いることが好ましい。ＬＤは、ＬＥＤに比べて高出力であるため、第１〜第３光ファイバ１２ａ〜１２ｃとして、伝送距離の長い光ファイバを使用でき、遠隔モニタが可能となっている。
【００４４】
なお、光源１１として、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を用いてもよい。ＳＬＤも比較的高出力であるため、遠隔モニタが可能となる。さらに、ＳＬＤの出射光のスペクトル半値幅は、概ね１０ｎｍ以上であるため、後述する多重反射による干渉が生じた場合でも、干渉による検出精度への影響が少ない。
【００４５】
（センシング部の構成）
続いて、センシング部１３の具体的な構成について説明する。
【００４６】
図２は、図１に示す光学式センサ１０のセンシング部１３の拡大図である。センシング部１３では、第１〜第３光ファイバ１２ａ〜１２ｃの各端面が、反射板１４の反射面１４ａに対向している。具体的には、第１光ファイバ１２ａの反射板１４側の端面は、第１光ファイバ１２ａの長手方向と反射面１４ａの法線とが角度θとなるように固定されている。また、第２および第３光ファイバ１２ｂ、１２ｃも、長手方向と反射面１４ａの法線とが角度θとなるように固定されている。換言すれば、第１光ファイバ１２ａの長手方向と第２光ファイバ１２ｂの長手方向とが反射面１４ａの法線に対して対称となり、第１光ファイバ１２ａの長手方向と第３光ファイバ１２ｃの長手方向とが反射面１４ａの法線に対して対称となるように、第２および第３光ファイバ１２ｂ、１２ｃの各端面が固定されている。
【００４７】
第１光ファイバ１２ａからの出射光は、反射面１４ａで反射され、反射面１４ａからの反射光の少なくとも一部が、第２光ファイバ１２ｂの端面または第３光ファイバ１２ｃの端面に入射するように、予め想定される変動距離全域に対して距離Ｄが設定される。
【００４８】
図２では、第２光ファイバ１２ｂの端面への入射光と第３光ファイバ１２ｃの端面への入射光とが、ほぼ等しい状態となっている。ここで、反射板１４の位置が物理量に応じて変動することにより、距離Ｄが変動すると、反射面１４ａからの反射光の進路と第２および第３光ファイバ１２ｂ、１２ｃの各端面との相対位置が変化するため、第２および第３光ファイバ１２ｂ、１２ｃの各端面への入射光の強度が変化する。これにより、図１に示す第１および第２受光部１５ａ、１５ｂが受光する各光の強度も変化するため、演算処理回路１７は、第１および第２増幅器１６ａ、１６ｂからの第１および第２電圧信号に基づいて、反射板１４に加えられる物理量を検出することができる。
【００４９】
なお、距離の変動に伴って第２および第３光ファイバ１２ｂ、１２ｃの各端面への各入射光の比が変化するのであれば、上記のように、第１光ファイバ１２ａの長手方向と反射面１４ａの法線との角度が、第２および第３光ファイバ１２ｂ、１２ｃの各長手方向と反射面１４ａの法線との角度に等しくなるように構成する必要はなく、また、第２および第３光ファイバ１２ｂ、１２ｃの各長手方向は互いに平行でなくてもよい。
【００５０】
（演算処理回路における演算）
続いて、演算処理回路１７における演算処理の具体的内容について説明する。上記のように、演算処理回路１７には、第１および第２受光部１５ａ、１５ｂが受光した各光の強度に応じた第１および第２電圧信号が入力される。第１および第２受光部１５ａ、１５ｂがそれぞれ受光する光の強度をＰ１、Ｐ２とすると、演算処理回路１７において、光強度比Ｆ（Ｐ１，Ｐ２）＝（Ｐ１−Ｐ２）／（Ｐ１＋Ｐ２）が算出される。この光強度比Ｆ（Ｐ１，Ｐ２）は、図２に示す距離Ｄに応じて変化する。
【００５１】
図３は、距離Ｄの変化に対する光強度Ｐ１、Ｐ２および光強度比Ｆの変化特性を示すグラフである。第２光ファイバ１２ｂは、第３光ファイバ１２ｃよりも第１光ファイバ１２ａ側に位置しているので（図２参照）、距離Ｄが大きくなるに従って、反射面１４ａからの反射光の経路は、第２光ファイバ１２ｂ側から第３光ファイバ１２ｃ側に移動する。したがって、光強度Ｐ１のピークにおける距離Ｄは、光強度Ｐ２のピークおける距離Ｄよりも小さくなる。
【００５２】
また、このグラフから、光強度比Ｆは、距離Ｄが所定の範囲にあるときに、距離Ｄの変動と１対１に対応していることが分かる。実際の物理量測定では、上記所定の範囲内での距離Ｄと光強度比Ｆとの対応関係を利用する。具体的には、反射板１４に異なる既知の物理量を加え、各物理量に対する光強度比Ｆを算出し、物理量と光強度比Ｆとの対応関係を示すテーブルを、演算処理回路１７が参照するデータを格納する記憶媒体に記憶させる。このテーブルに基づいて、演算処理回路１７は物理量を検出することができる。
【００５３】
なお、強度比Ｆ（Ｐ１，Ｐ２）は、Ｆ（Ｐ１，Ｐ２）＝（（Ｐ１／Ｐ２）−１）／（（Ｐ１／Ｐ２）＋１）と変形することができ、強度Ｐ１と強度Ｐ２との比のみにより決まる量である点に留意されたい。したがって、強度Ｐ１と強度Ｐ２とが同じ比率で変化しても、物理量の測定には影響しない。
【００５４】
（光ファイバの構成）
光学式センサ１０では、光源１１として偏光度の高いＬＤまたはＳＬＤを用いているので、偏光方向の変動による測定精度への影響を低減するため、第１〜第３光ファイバ１２ａ〜１２ｃを偏波保持ファイバとしている。偏波保持ファイバは、コアを伝播する２つの偏波モード（互いに直交する偏光方向を有する２つの直線偏波）の伝播定数間に差を与えることによって、一方の偏波モードが他方の偏波モードに結合することを抑制した光ファイバである。偏波保持ファイバは、例えば、軸対称である光ファイバ（シングルモードファイバ）の形状や応力分布等に異方性を導入して複屈折性を付与することで２つの偏波主軸を与えることによって実現される。本実施形態では、第１〜第３光ファイバ１２ａ〜１２ｃが、偏波保持ファイバとして広く使用されているＰＡＮＤＡファイバである場合について説明する。
【００５５】
図４は、ＰＡＮＤＡファイバの長手方向に垂直な断面を示す断面図である。同図に示すように、ＰＡＮＤＡファイバは、クラッド１と、クラッド１の中心に位置するコア２と、コア２の両側に配置される２つの応力付与部３ａ、３ｂとを有している。２つの応力付与部３ａ、３ｂの中心を通る軸は、遅軸と呼ばれる。また、コア２の中心を通り、遅軸と直交する軸は、速軸と呼ばれる。このように、応力付与部３ａ、３ｂをコア２の両側に設けて遅軸方向に応力を発生させることにより、遅軸方向に平行な偏光方向をもつ光と、速軸方向に平行な偏光方向をもつ光とに対して、実効屈折率を異ならせることができ、ＰＡＮＤＡファイバに複屈折性を持たせることができる。
【００５６】
これにより、偏光方向が遅軸方向に平行になるようにＰＡＮＤＡファイバに光を入射させると、当該光は偏光方向を変えることなくＰＡＮＤＡファイバ内を伝播する。また、偏光方向が遅軸方向に対して所定の角度を有するようにＰＡＮＤＡファイバに光を入射させると、当該光は偏光の方向（偏光方向）を上記所定の角度に応じた速度で回転させながらファイバ内を伝播する。この時、偏光方向が３６０度回転する伝播長をビート長と呼ぶ。
【００５７】
（光ファイバの遅軸・速軸の方向の設定）
本実施形態では、光学式センサ１０の測定精度が偏光によって低下することを防止するため、第１〜第３光ファイバ１２ａ〜１２ｃの遅軸および速軸の方向を以下のように設定することが好ましい。
【００５８】
図５は、図２に示す第１〜第３光ファイバ１２ａ〜１２ｃを、反射面１４ａに平行な面（図２において二点鎖線で示す）で切った断面図である。第１〜第３光ファイバ１２ａ〜１２ｃの各遅軸は、第１〜第３光ファイバ１２ａ〜１２ｃに平行な平面に対して平行となっている。また、図１に示す光源１１は、出射光の偏光方向が第１光ファイバ１２ａの遅軸に平行になるように構成されている。これにより、光源１１からの光は、偏光方向を変えることなく第１光ファイバ１２ａを伝播し、反射面１４ａからの反射光は、その偏光方向が第２および第３光ファイバ１２ｂ、１２ｃの各遅軸に平行になるように、第２および第３光ファイバ１２ｂ、１２ｃに入射する。よって、上記反射光も、偏光方向を変えることなく第２および第３光ファイバ１２ｂ、１２ｃを伝播する。このように、光源１１からの光は、偏光方向を変えることなく第１および第２受光部１５ａ、１５ｂに入射する。したがって、第１および第２受光部１５ａ、１５ｂとして、感度が光の偏光方向に依存するＰＤを使用しても、物理量を高精度に検出できる。また、第１および第２受光部１５ａ、１５ｂの受光面を小さくすることができるので、第１および第２受光部１５ａ、１５ｂの応答速度を速くすることができる。さらに、第１および第２受光部１５ａ、１５ｂは、受光する光の偏光方向の変化に対する感度の変化が互いに異なってもよいので、第１および第２受光部１５ａ、１５ｂの各受光面と第２および第３光ファイバ１２ｂ、１２ｃの各端面との位置合わせが容易となる。したがって、第１および第２受光部１５ａ、１５ｂの構成を簡素化することができる。
【００５９】
なお、ＰＡＮＤＡファイバは、入射光の偏光方向が速軸に平行である場合も、入射光の偏光方向を保持する。そのため、図１に示す光源１１を、出射光の偏光方向が第１光ファイバ１２ａの速軸に平行になるように構成してもよい。
【００６０】
また、図５では、第１〜第３光ファイバ１２ａ〜１２ｃの各遅軸が、第１〜第３光ファイバ１２ａ〜１２ｃに平行な平面に対して平行となっていたが、これに限定されず、第１〜第３光ファイバ１２ａ〜１２ｃの各遅軸と上記平面とが所定の角度をなし、それらの角度が互いに等しい構成であってもよい。すなわち、図６に示すように、第１光ファイバ１２ａの遅軸と第１〜第３光ファイバ１２ａ〜１２ｃに平行な平面との角度α１、第２光ファイバ１２ｂの遅軸と上記平面との角度β１、および、第３光ファイバ１２ｃの遅軸と上記平面との角度γ１が、互いに等しくなるように構成してもよい。角度α１〜γ１の値は特に限定されない。この場合も、光源１１を、出射光の偏光方向が第１光ファイバ１２ａの遅軸または速軸に平行になるように構成することにより、光源１１からの光を、偏光方向を変えることなく第１および第２受光部１５ａ、１５ｂに入射させることができる。
【００６１】
さらに、図６において、角度α１、β１およびγ１が互いに異なる構成としてもよい。すなわち、第１〜第３光ファイバ１２ａ〜１２ｃの各遅軸の方向は限定されない。
【００６２】
このような構成では、例えば、光源１１からの光の偏光方向が第１光ファイバ１２ａの遅軸に平行であっても、反射面１４ａからの反射光の偏光方向は、第２および第３光ファイバ１２ｂ、１２ｃの各遅軸または速軸と平行にはならない。ここで、第２光ファイバ１２ｂに入射する反射光の偏光方向と第２光ファイバの遅軸との角度、および、当該反射光の偏光方向と第３光ファイバ１２ｃの遅軸との角度は互いに等しくなる。ＰＡＮＤＡファイバを伝播する光の偏光方向の回転速度は、偏波保持ファイバの遅軸の実効屈折率と速軸の実効屈折率との差で決まり、偏光方向が３６０度回転する伝播長がビート長である。よって、第２光ファイバ１２ｂの長さと第３光ファイバ１２ｃの長さとを一致させるか、あるいは、長さの差をビート長の整数倍とすることによって、第２光ファイバ１２ｂを伝播する光の偏光方向の回転量と、第３光ファイバ１２ｃを伝播する光の偏光方向の回転量とが互いに等しくなる。したがって、第１および第２受光部１５ａ、１５ｂからの電流信号の強度比を一定とすることが可能となる。
【００６３】
また、第１および第２受光部１５ａ、１５ｂとして、受光する光の偏光方向の変化に対する感度の変化が互いに等しいＰＤを用いる場合、第２光ファイバ１２ｂと第３光ファイバ１２ｃとを、反射板１４側の端面における速軸同士および遅軸同士が互いに平行になるように配置し（すなわち、図６において、角度β１＝角度γ１）、第２光ファイバ１２ｂの長さと第３光ファイバ１２ｃの長さとの差がビート長の整数倍となるように構成するのであれば、第１光ファイバ１２ａは偏波保持ファイバでなくてもよい。例えば、第１光ファイバ１２ａをシングルモードファイバ等、偏波保持ファイバ以外の光ファイバで構成してもよい。
【００６４】
この場合、第１光ファイバ１２ａに応力等が加えられることによって、第１光ファイバ１２ａを伝播する光の偏光方向の回転量が変化し、反射面１４ａからの反射光の偏光方向も変化する。しかしながら、第２光ファイバを伝播する光の偏光方向の回転量と、第３光ファイバを伝播する光の偏光方向の回転量とは、反射面１４ａからの反射光の偏光方向が変化しても、互いに等しくなる。これにより、第１光ファイバ１２ａからの出射光の偏光方向と第２光ファイバ１２ｂからの出射光の偏光方向とは、互いに平行となるため、第１受光部１５ａが受光する光の偏光方向と第２受光部１５ｂが受光する光の偏光方向との成す角は、第１〜第３光ファイバ１２ａ〜１２ｃの各部の曲率や各部に作用する応力等によらず概ね一定になる。したがって、第１および第２受光部１５ａ、１５ｂとして、受光する光の偏光方向の変化に対する感度の変化が互いに等しいＰＤを用いることにより、第１および第２受光部１５ａ、１５ｂの感度が偏光方向に依存する場合であっても、第１受光部１５ａからの電流信号の値と第２受光部１５ｂからの電流信号の値との比は、第１〜第３光ファイバ１２ａ〜１２ｃの各部の曲率や各部に作用する応力等によらず概ね一定になる。この場合、第１および第２受光部１５ａ、１５ｂの各受光面と第２および第３光ファイバ１２ｂ、１２ｃの各端面との位置合わせを厳密に行う必要があるが、反射板１４に加えられる物理量を高精度に検出できる。
【００６５】
また、第１〜第３光ファイバ１２ａ〜１２ｃを以下のように配置してもよい。図７（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、図２に示す第１〜第３光ファイバを、反射面に平行な面で切った断面を示す断面図であり、第１〜第３光ファイバ１２ａ〜１２ｃの各遅軸方向または各速軸方向の組み合わせの一例を示している。
【００６６】
図７において、第１〜第３光ファイバ１２ａ〜１２ｃに平行な平面と第１光ファイバ１２ａの遅軸との角度をα１、上記平面と第２光ファイバ１２ｂの遅軸との角度をβ１、上記平面と第２光ファイバ１２ｂの速軸との角度をβ２、上記平面と第３光ファイバ１２ｃの遅軸との角度をγ１、および、上記平面と第３光ファイバ１２ｃの速軸との角度をγ２としている。このとき、光源１１からの光の偏光方向が，第１光ファイバ１２ａの速軸または遅軸に平行であることを条件に、
α１＝β１又はβ２＝γ１又はγ２
を満たせばよい。
【００６７】
例えば、図７（ａ）は、α１＝β２＝γ２である状態、すなわち、第１光ファイバ１２ａの遅軸が、第２および第３光ファイバ１２ｂ、１２ｃの各遅軸に対し９０°回転している状態を示している。また、図７（ｂ）は、α１＝β１＝γ２である状態、すなわち、第３光ファイバ１２ｃの遅軸が、第１および第２光ファイバ１２ａ、１２ｂの各遅軸に対し９０°回転している状態を示している。また、図７（ｃ）は、α１＝β２＝γ１である状態、すなわち、第２光ファイバ１２ｂの遅軸が、第１および第３光ファイバ１２ａ、１２ｃの各遅軸に対し９０°回転している状態を示している。
【００６８】
図７（ａ）〜（ｃ）のいずれの構成においても、反射面１４ａからの反射光は、その偏光方向が第２光ファイバ１２ｂの遅軸または速軸、並びに、第３光ファイバ１２ｃの遅軸または速軸と平行になるように、第２および第３光ファイバ１２ｂ、１２ｃに入射する。したがって、光源１１からの光は、偏光方向を変えることなく第１および第２受光部１５ａ、１５ｂに入射する。
【００６９】
（多重反射の防止）
また、本実施形態では、図２に示すセンシング部１３において、光の多重反射による干渉の影響によって測定精度が低下することを防止するため、第１〜第３光ファイバ１２ａ〜１２ｃの反射板１４側の各端面に、入射光の反射を抑制するＡＲ（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コートを施している。まず、センシング部１３における多重反射について説明する。
【００７０】
図２において、仮に、第１〜第３光ファイバ１２ａ〜１２ｃの各端面にＡＲコートを施していない場合、第１光ファイバ１２ａの端面から出射されて反射面１４ａに反射した光の一部が、第２光ファイバ１２ｂまたは第３光ファイバ１２ｃの端面において反射する。この反射した光は、反射面１４ａに反射して第１光ファイバ１２ａの端面に入射し、第１光ファイバ１２ａの端面に入射した光が、当該端面において反射し、反射した光が反射面１４ａに反射して第２光ファイバ１２ｂまたは第３光ファイバ１２ｃの端面に入射する。このような多重反射が生じると、特に、光源１１としてＬＤを用いる場合、出射光のスペクトル半値幅が小さいため、光の干渉によって光学式センサ１０の測定精度が低下する虞がある。
【００７１】
これに対しセンシング部１３では、上記のように、第１〜第３光ファイバ１２ａ〜１２ｃの反射板１４側の各端面にＡＲコートが施されているので、多重反射による光の干渉を防止することができる。ＡＲコートは、第１〜第３光ファイバ１２ａ〜１２ｃのすべての端面に施す必要はなく、第１光ファイバ１２ａの端面または、第２および第３光ファイバ１２ｂ、１２ｃの各端面のすくなくともいずれかがＡＲコートを施されていればよい。
【００７２】
例えば、第１光ファイバ１２ａの端面のみにＡＲコートを施している場合、第１光ファイバ１２ａの端面から出射されて反射面１４ａに反射した光の一部が、第２光ファイバ１２ｂまたは第３光ファイバ１２ｃの端面に反射し、反射した光が反射面１４ａに反射して第１光ファイバ１２ａの端面に入射しても、当該端面に入射した光は殆ど反射しない。また、第２および第３光ファイバ１２ｂ、１２ｃの各端面のみにＡＲコートを施している場合、第１光ファイバ１２ａの端面から出射されて反射面１４ａに反射した光が、第２光ファイバ１２ｂまたは第３光ファイバ１２ｃの端面に入射する際に、入射する光は当該端面において殆ど反射しない。したがって、多重反射による光の干渉を防止して、検出精度を維持することができる。
【００７３】
また、本実施形態では、多重反射による光の干渉を防止するため、センシング部１３を図８に示すセンシング部１３’のように構成してもよい。センシング部１３’では、第１〜第３光ファイバ１２ａ〜１２ｃの各端面が、反射面１４ａの法線に対して直交している。すなわち、第１光ファイバ１２ａの反射板１４側の端面は第１光ファイバ１２ａの長手方向と直交しておらず、第２および第３光ファイバ１２ｂ、１２ｃの反射板１４側の端面は、それぞれ第２および第３光ファイバ１２ｂ、１２ｃの各長手方向と直交していない。このように第１〜第３光ファイバ１２ａ〜１２ｃの各端面を形成することにより、多重反射による光の干渉を防止することができる。
【００７４】
なお、第１光ファイバ１２ａの反射板１４側の端面を第１光ファイバ１２ａの長手方向に直行しないように構成した場合、第２および第３光ファイバ１２ｂ、１２ｃの反射板１４側の端面は、それぞれ第２および第３光ファイバ１２ｂ、１２ｃの各長手方向と直交してもよい。また、第２および第３光ファイバ１２ｂ、１２ｃの反射板１４側の端面は、それぞれ第２および第３光ファイバ１２ｂ、１２ｃの各長手方向と直交するように構成した場合、第１光ファイバ１２ａの反射板１４側の端面は、第１光ファイバ１２ａの長手方向に直行してもよい。これらの構成でも、多重反射を防止することができる。
【００７５】
（付記事項）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明に係る光学式センサは、特に遠隔位置にある測定対象の物理量を高精度に検知するセンサとして好適である。
【符号の説明】
【００７７】
１０      光学式センサ
１１      光源
１２ａ    第１光ファイバ
１２ｂ    第２光ファイバ
１２ｃ    第３光ファイバ
１４      反射板（反射体）
１４ａ    反射面
１５ａ    第１受光部
１５ｂ    第２受光部
Ｄ        距離
【図１】
2011203011.tif 000003
【図２】
2011203011.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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