(57)【要約】【課題】偏光依存を抑制し、シンプルで安価な高精度光ファイバセンサの提供。【解決手段】光源と、反射面を有し光ファイバ端面との相対距離が圧力や温度などの物理量に応じて変化するセンシング部と、光源からの光をセンシング部に伝送する第１光ファイバと、反射面で反射した光を複数の受光部にそれぞれ伝送する第２光ファイバ及び第３光ファイバと、受光部からの電気信号の比から前記物理量を算出する演算処理部とを有し、光ファイバの各端面は、光ファイバ長手方向と反射面に対する法線とのなす角度θとなるように固定され、第２光ファイバと第３光ファイバとは平行であり、かつ第１光ファイバと第２及び第３光ファイバとの固定角度は反射面に対する法線を基準に対称に配置され、第１〜第３光ファイバは使用する波長においてシングルモードであり、且つ光源と第１光ファイバ端面との間にデポラライザが挿入されたことを特徴とする光ファイバセンサ。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、反射面を有し光ファイバ端面との相対距離が圧力や温度などの物理量に応じて変化するセンシング部と、光源からの光をセンシング部に伝送する第１光ファイバと、センシング部反射面で反射した光を複数の受光部にそれぞれ伝送する第２光ファイバ及び第３光ファイバと、受光部からの電気信号の比から前記物理量を算出する演算処理部とを有し、
反射面に対向させた第１〜第３光ファイバの各端面は、光ファイバ長手方向と反射面に対する法線とのなす角度θとなるように固定され、第２光ファイバと第３光ファイバとは平行であり、かつ第１光ファイバと第２及び第３光ファイバとの固定角度は反射面に対する法線を基準に対称に配置され、
第１〜第３光ファイバは使用する波長においてシングルモードであり、
且つ光源と第１光ファイバ端面との間にデポラライザが挿入されたことを特徴とする光ファイバセンサ。
【請求項２】
光源に発光ダイオードを用いたことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ。
【請求項３】
デポラライザが偏波保持ファイバを用いたファイバ型デポラライザである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。
【請求項４】
ファイバ型デポラライザは、２本の偏波保持ファイバＬ１及びＬ２を、応力付与部による複屈折主軸が４５°ずれた状態で融着接続してなり、これら２本の偏波保持ファイバのファイバ長Ｌ１：Ｌ２が１：２である場合、０．１ｍ≦Ｌ１≦１０ｍであることを特徴とする請求項３に記載の光ファイバセンサ。
【請求項５】
出射光の偏光度が２０％以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光ファイバセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光強度変化を検出することを利用した光ファイバセンサに関し、特に、安価でシンプルな装置構成で偏光依存を抑制し、高い測定精度を実現したものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、変位や温度、圧力等の物理量を測定するセンサとして、電気式が一般に広く利用されていた。しかし、電気式センサは、電源の供給が必要で、電磁雑音の影響を受け易く測定精度が悪化するという問題があった。これに対して光ファイバを用いる光学式センサでは、測定信号を光信号に変換し、光ファイバで遠隔地に伝送するため、電磁雑音の影響を受けることなく信号伝送することが可能であり、測定誤差も小さく、非常に高精度な測定が可能である（例えば、特許文献１〜９参照）。
【０００３】
図１は、従来の光学式圧力センサの一例を示す図である。この光学式圧力センサは、光源１と、反射板４の反射面４ａと光ファイバ端面との相対距離が圧力や温度などの物理量に応じて変化するセンシング部３と、光源１からの光をセンシング部３に伝送する出射用の第１光ファイバ２と、センシング部３の反射面４ａで反射した光を２つの受光部（第１，第２受光部７，９）にそれぞれ伝送する受光用の第２光ファイバ５及び第３光ファイバ６と、第１，第２受光部７，９からの信号を増幅する増幅器８，１０と、増幅された第１，第２受光部７，９からの電気信号の比から、物理量を算出する演算処理部１１とから構成されている。反射面４ａに対向させた第１〜第３光ファイバ２，５，６の端面は、光ファイバ長手方向と反射面４ａに対する法線とのなす角度θとなるように固定され、第２光ファイバ５と第３光ファイバ６は平行であり、かつ第１光ファイバ２と第２及び第３光ファイバ５，６の固定角度は、反射面４ａに対する法線を基準に対称となっている。
【０００４】
図２にセンシング部３の拡大図を示す。受光用の第２光ファイバ５と第３光ファイバ６とは平行であり、第１光ファイバ２と第２及び第３光ファイバ５，６とは反射面４ａに対する法線を基準として固定角度θで対称に固定されている。第１光ファイバ２からの出射光は、反射面４ａで反射され、第２光ファイバ５と第３光ファイバ６に結合した反射光が第１及び第２受光部７，９にそれぞれ伝送されることで、それぞれの光強度Ｐ１，Ｐ２を測定し、演算処理部１１で光強度比Ｆ（Ｐ１，Ｐ２）＝（Ｐ１−Ｐ２）／（Ｐ１＋Ｐ２）を算出する。ここで、光強度は、反射面４ａと光ファイバ端面との相対距離によって変化するため、光強度比Ｆ（Ｐ１，Ｐ２）が変化し、センシング部３を圧力や温度などの物理量に応じて変化する構造にすることで、それらの物理量を検出することが可能となる。
この光学式圧力センサであれば、測定装置を安価なもので構成することが可能であり、測定した信号処理も容易に行うことができる。光強度を測定するため、反射板の位置変動以外の要因、例えば光源の光強度変動や伝送損失などによる光強度変化は、測定誤差になってしまうという問題があるが、伝送損失変化を非常に小さくするのに加え、複数の光ファイバで受光した光強度の比をとり補償することで測定精度を高めることが可能となる。
【特許文献１】特公平６−８７２４号公報
【特許文献２】特開昭５７−１０８６０５号公報
【特許文献３】特開平２−５７９０９号公報
【特許文献４】特開平３−２４３８２２号公報
【特許文献５】特開平２−４９１１５号公報
【特許文献６】特開昭６３−１６９５２１号公報
【特許文献７】米国特許第５０６８５２７号明細書
【特許文献８】米国特許第４９９６４１８号明細書
【特許文献９】米国特許第４２４９０７６号明細書
【特許文献１０】特開平１１−３５２１５８号公報
【特許文献１１】特開２００４−３０１７６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の構成では、平行に配置した２本のファイバで反射光を受光し、その光強度の比をとるため、偏光状態の変動による影響を考慮する必要はないと考えられていた。例えば、特許文献１〜９では、発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す）光源を使用しているが、光源の偏光度に関する記載はなく、測定精度にほとんど影響ないと考えられており、またその影響自体を認識していなかった。
【０００６】
しかしながら、本発明者らが光源の偏光度と測定精度について詳細に検証したところ、一般的に考えられているＬＥＤ光源の偏光度でも、測定精度が悪化してしまうことが初めて確認され、さらに光ファイバ固定角度が大きいほど、その影響が大きくなることがわかった。
【０００７】
特許文献１〜９に開示されたセンサでは、出射用光ファイバと受光用光ファイバが別々の構造になっており、出射光の偏光状態が変化した場合、受光する光強度が変化するため、測定精度が悪化してしまうという問題がある。また、出射用光ファイバと受光用光ファイバに、ある特定の角度がつけられた構造も提案されているが、角度をつけて反射させた場合、偏光状態の変化による影響をより受けやすくなり、測定精度の悪化が大きくなってしまう。
【０００８】
さらに、特許文献３，４，５，７，８，９においては、複数ＬＥＤを使用し波長の違いを利用する装置構成となっているが、部品点数が増えるため、装置構成が複雑で高価となる問題がある。
【０００９】
以上より、光源、特にＬＥＤのように、本来それほど大きくない偏光度を持つ光源においても、その偏光依存を抑制し、シンプルで安価な高精度光ファイバセンサは実現されていなかった。
本発明は、前記事情に鑑みてなされ、偏光依存を抑制し、シンプルで安価な高精度光ファイバセンサの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するため、本発明は、光源と、反射面を有し光ファイバ端面との相対距離が圧力や温度などの物理量に応じて変化するセンシング部と、光源からの光をセンシング部に伝送する第１光ファイバと、センシング部反射面で反射した光を複数の受光部にそれぞれ伝送する第２光ファイバ及び第３光ファイバと、受光部からの電気信号の比から前記物理量を算出する演算処理部とを有し、
反射面に対向させた第１〜第３光ファイバの各端面は、光ファイバ長手方向と反射面に対する法線とのなす角度θとなるように固定され、第２光ファイバと第３光ファイバとは平行であり、かつ第１光ファイバと第２及び第３光ファイバとの固定角度は反射面に対する法線を基準に対称に配置され、
第１〜第３光ファイバは使用する波長においてシングルモードであり、
且つ光源と第１光ファイバ端面との間にデポラライザが挿入されたことを特徴とする光ファイバセンサを提供する。
【００１１】
本発明の光ファイバセンサにおいて、光源にＬＥＤを用いることが好ましい。
【００１２】
本発明の光ファイバセンサにおいて、デポラライザが偏波保持ファイバを用いたファイバ型デポラライザであることが好ましい。
【００１３】
本発明の光ファイバセンサにおいて、ファイバ型デポラライザは、２本の偏波保持ファイバＬ１及びＬ２を、応力付与部による複屈折主軸が４５°ずれた状態で融着接続してなり、これら２本の偏波保持ファイバのファイバ長Ｌ１：Ｌ２が１：２である場合、０．１ｍ≦Ｌ１≦１０ｍであることが好ましい。
【００１４】
本発明の光ファイバセンサにおいて、出射光の偏光度が２０％以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、測定の容易な３心アレイを用いた光強度測定方式で、シンプルかつ安価で高精度な光ファイバセンサを実現することが可能となる。
また、ＬＥＤ光源とデポラライザとを組み合わせた構成としたので、ファイバ固定角度を付けた場合においても、偏光状態の変動による影響を受けず、高精度での測定が可能である。
また、デポラライザとしてファイバ型デポラライザを用いたことによって、伝送経路用ファイバとの結合が容易となる。
また、ファイバ型デポラライザに用いる偏波保持ファイバのファイバ長Ｌ１：Ｌ２が１：２である場合、０．１ｍ≦Ｌ１≦１０ｍとしたことで、偏波対策が安価に可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の光ファイバセンサの実施形態を説明する。
図３は、本発明の光ファイバセンサの第１実施形態を示す構成図である。本実施形態の光ファイバセンサは、光源１と、反射板４の反射面４ａを有し光ファイバ端面との相対距離が圧力や温度などの物理量に応じて変化するセンシング部３と、光源１からの光をセンシング部３に伝送する第１光ファイバ２（出射ポート）と、センシング部３の反射面４ａで反射した光を第１，第２の受光部７，９にそれぞれ伝送する第２光ファイバ５及び第３光ファイバ６と、増幅器８，１０により増幅された第１，第２受光部７，９からの電気信号の比から前記物理量を算出する演算処理部１１と、光源１と第１光ファイバ２端面との間に挿入されたデポラライザ１２とから構成されている。
【００１７】
センシング部３において、反射面４ａに対向させた第１〜第３光ファイバ２，５，６の各端面は、図２に示すように、光ファイバ長手方向と反射面に対する法線とのなす角度θとなるように固定され、第２光ファイバ５と第３光ファイバ６とは平行であり、かつ第１光ファイバ２と、第２及び第３光ファイバ５，６との固定角度は、反射面４ａに対する法線を基準に対称に配置されている。また、第１〜第３光ファイバ２，５，６は、使用する波長においてシングルモードである。
【００１８】
本実施形態の前記のような構成としたことにより、測定の容易な３心アレイを用いた光強度測定方式で、シンプルかつ安価で高精度な光ファイバセンサを実現することが可能となる。光強度測定方式を用いたセンサにおいて、反射面４ａに対してファイバの角度がついていないものは、偏光状態の変化による影響は小さく、光源１として一般的に偏光度の小さいＬＥＤを使用することで、目標精度を達成することができた。しかし、本発明者らは、ファイバ固定角度をつけた場合、一般的に偏光度の小さいＬＥＤの偏光状態が変化しただけでも、測定精度が悪化してしまい、その影響は固定角度の大きさに比例することを確認した。
【００１９】
また、光強度測定方式以外のセンサでは、特許文献１０及び特許文献１１に開示されているように、デポラライザを挿入し、その影響を抑制しているものがある。ただし、光源としてレーザダイオード（以下、ＬＤと記す）を用いた場合は、スペクトル線幅も１ｎｍ程度と細く、効果的にデポラライズするのが困難であり、実用上は難しい。スーパールミネッセントダイオード（以下、ＳＬＤと記す。）の場合は、ＬＤに比べ、スペクトル線幅も広く、通常半値幅で１０ｎｍ以上あるので、デポラライズも比較的安易であり、偏光度を適正値以下に管理することで使用できる。このように、光源スペクトルの半値幅が広いほど、デポラライズ効果は大きく、１ｎｍ以上程度であることが望ましい。ただし、これらの光源は、ＬＥＤに比べ高価であるため、安価なセンサ装置を提供するためにはＬＥＤ光源を用いるのが望ましい。
【００２０】
そこで本発明者らは、安価で偏光度の小さなＬＥＤとデポラライザを組み合わせた３心アレイ構成の光ファイバセンサを発明した。これにより、ファイバ固定角度をつけた構成においても、偏光状態の変化による測定精度の悪化を抑制し、ファイバ固定角度の大きさに依存しない高精度な光ファイバセンサを実現した。
【００２１】
デポラライザ１２は、光源１の出射光の偏波を無数のランダム偏波にすることで無偏光化が可能な素子であり、本実施形態では偏波保持ファイバを利用した偏波保持ファイバ型デポラライザを用いた。この偏波保持ファイバ型デボラライザは、ファイバ長Ｌ１とＬ２の比を１：２にしたものを、応力付与部による複屈折主軸が約４５°ずれた状態で融着接続したものであり、これを挿入することで光源の偏光状態を強制的に無偏光化し、偏光状態の変化による影響を抑制することが可能である。この偏波保持ファイバ型デポラライザは、通常光源側にＬ１を接続し使用される。またデポラライザ１２は、偏波保持ファイバを使用したものに限定されず、光学的異方性をもつ結晶板などを使用したものでもよい。
【００２２】
一般にＬＥＤ光源の出射光の偏光度は、ＬＤやＳＬＤに比べ小さいと考えられているが、実際には製造ばらつきなどにより５〜５０％程度の範囲でばらついている。よって、光ファイバセンサにＬＥＤ光源を使用する場合は、最大で偏光度５０％程度の偏光状態が変化する可能性があり、これにより測定精度が悪化することになる。ここで、光源の偏光度を小さくするのではなく、偏光状態の変化を抑制するという方法も考えられるが、全伝送経路の偏光状態を保持するには、偏波保持ファイバという高価な特殊ファイバが必要になってしまうため、望ましくない。また、デポラライザ１２を作製するときのファイバ長Ｌ１とＬ２の最適長は、使用する光源によって異なるが、１３００ｎｍ帯ＬＥＤを使用し、ファイバ長Ｌ１とＬ２の比を１：２とした場合、Ｌ１が０．１ｍ以上であることが望ましい。また偏波保持ファイバは非常に高価であるため、Ｌ１が１０ｍ以下であることが望ましい。
【００２３】
偏光状態の変化による測定精度への影響として、例えば、偏光度４０％程度のＬＥＤ光源を使用し、ファイバ固定角度θ＝６°で、偏光状態が変化したりすると、達成可能な測定精度は、±０．４％Ｆ．Ｓ．程度であるが、デポラライザ１２を挿入すると、出射光の偏光度は５％以下となり、測定精度は±０．０５％Ｆ．Ｓ．程度にまで改善される。また、光源からの出射光の偏光度が約０〜５０％で変化した場合の測定精度への影響は、比例関係となり、ファイバ固定角度がついていないθ＝０°のとき、測定精度は、偏光度５０％のとき最大約±０．２％Ｆ．Ｓ．となる。しかし、ファイバ固定角度をつけた場合、θ＝６°のとき測定精度は最大約±０．６％Ｆ．Ｓ．になり、θ＝１０°のときは最大±１％Ｆ．Ｓ．にまで悪化する。このように、出射用ファイバと受光ファイバのファイバ固定角度θが大きいほど、偏光状態の変化が測定精度に与える影響は大きい。よって、ＬＥＤ光源を使用し、ファイバ固定角度をつけた場合、測定精度±０．２％Ｆ．Ｓ．以下を達成することは困難であり、デポラライザ１２の使用が必要となる。測定精度±０．２５％Ｆ．Ｓ．を達成するために必要な出射光の偏光度は、固定角度θ＝６°の場合は偏光度１８％以下、固定角度θ＝１０°の場合は偏光度１２％以下となる。
【実施例１】
【００２４】
一般に市販されているＬＥＤ光源の偏光度ばらつきを確認した。測定方法としては、１０個の１３１０ｎｍ帯ＬＥＤ光源を用い、定格電圧・電流を印加した状態で光偏波アナライザ（Ａｇｉｌｅｎｔ社製、ＨＰ８５０９）を用いて測定した。表１に測定結果を示す。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
表１の結果より、ＬＥＤ光源の偏光度は、５〜５０％でばらつくことが確認できた。
【実施例２】
【００２７】
デポラライザ１２のファイバ長に対する偏光度の抑制効果の確認を行った。偏波保持ファイバを用い、ファイバ長Ｌ１とＬ２の比が１：２のものを複数組用意し、それぞれ応力付与部が約４５°の角度を持つように融着接続してデポラライザ１２を作製した。図４に測定系を示す。ＬＥＤ１３は、偏光度５０％程度のものを用い、ＬＥＤ１３出射側にデポラライザ１２のファイバ長Ｌ１側を接続し、ファイバ長Ｌ２側からの出射光の偏光度を光偏波アナライザ１４により測定した。
【００２８】
図５に測定結果を示す。図５は横軸がファイバ長Ｌ１で、縦軸が光偏波アナライザにより測定した偏光度となっている。ファイバ長をＬ１＝０．１ｍ、Ｌ２＝０．２ｍからＬ１＝１０ｍ、Ｌ２＝２０ｍに調整した場合、出射光の偏光度は３％以下に抑えられており、ファイバ長Ｌ１が０．１ｍ以上あれば、デポラライザ１２の効果が充分に得られることを確認した。
【実施例３】
【００２９】
本発明の光ファイバセンサにおける３心アレイ構造において、偏光度４０％程度の光源を使用し、デポラライザを挿入しない場合の測定精度の比較を行った。図６に測定構成を示す。ＬＥＤ光源１の出射側に偏光コントローラ１５を挿入し、第１光ファイバ２中の偏光状態を変化させた。また反射面４ａと光ファイバ端面との相対距離は一定で、デポラライザ１２のファイバ長はＬ１＝０．７ｍ、Ｌ２＝１．４ｍとした。第１光ファイバ２からの出射光を、第２光ファイバ５と第３光ファイバ６で受光し、それぞれの光強度Ｐ１、Ｐ２を測定し、光強度比Ｆ（Ｐ１，Ｐ２）＝（Ｐ１−Ｐ２）／（Ｐ１＋Ｐ２）を計算し、測定精度を算出した。ここで測定精度とは、全測定時間の光強度比Ｆ（Ｐ１，Ｐ２）の平均値からの差を、測定可能範囲で光強度比Ｆ（Ｐ１，Ｐ２）が変化する最大値（フルスパン：Ｆ．Ｓ．）で割ったものである。
【００３０】
図７に測定結果を示す。図７は横軸が測定時間で、縦軸が測定精度である。図７（ａ）に示すように、デポラライザ１２を挿入しない場合、測定精度は±０．４％Ｆ．Ｓ．程度となった。また図７（ｂ）に示すように、デポラライザ１２を挿入した場合、測定精度は±０．０５％Ｆ．Ｓ．以下に改善されることを確認した。
【実施例４】
【００３１】
様々な偏光度をもつＬＥＤ光源を使用し、測定精度を算出することで、偏光度と測定精度の関係を確認した。測定系は図６と同様であり、ＬＥＤ光源からの偏光度を１〜５０％で変化させ、各条件での測定精度を測定した。
【００３２】
図８に測定結果を示す。図８は横軸が出射光の偏光度、縦軸が測定精度となっており、３心アレイの固定角度θ＝６°の場合は実線であり、固定角度θ＝１０°の場合が破線である。このように偏光度と測定精度には比例関係があり、光ファイバの固定角度が大きいほど、偏光度が測定精度に与える影響は大きい。目標測定精度は±０．２５％Ｆ．Ｓ．を実現するためには、固定角度θ＝６°の場合は偏光度１８％以下、固定角度θ＝１０°の場合は偏光度１２％以下であることが必要なことを確認した。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来の光ファイバセンサの一例を示す構成図である。
【図２】図１に示す光ファイバセンサのセンシング部の拡大図である。
【図３】本発明の光ファイバセンサの一実施形態を示す構成図である。
【図４】実施例２で行ったデポラライザの試験装置の構成図である。
【図５】実施例２の試験結果を示し、デポラライザのファイバ長Ｌ１と偏光度の関係を示すグラフである。
【図６】実施例３で行った比較試験で用いた試験装置の構成図である。
【図７】実施例３の結果を示し、（ａ）はデポラライザを用いない場合の測定精度と測定時間との関係を示すグラフ、（ｂ）はデポラライザを用いた場合の測定精度と測定時間との関係を示すグラフである。
【図８】実施例４の結果を示し、偏光度と測定精度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３４】
１…光源、２…第１光ファイバ、３センシング部、４…反射板、４ａ…反射面、５…第２光ファイバ、６…第３光ファイバ、７…第１受光部、８，１０…増幅器、９…第２受光部、１１…演算処理回路、１２…デポラライザ。
【図１】
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【図２】
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【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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