(57)【要約】【課題】２本の光ファイバによる干渉出力に温度変化による雑音が含まれないようにした干渉型光ファイバセンサを提供する。【解決手段】２本の光ファイバのうち長さの長い光ファイバが巻回されたアクチュエータ９と、本センサ内の温度を検出する温度センサ１１と、温度センサ１１を通じて本センサ内の温度変化を検知したとき、その温度変化に基づく電圧をアクチュエータ９に印加する電源供給部とを備え、アクチュエータ９は、印加された電圧に基づいて膨張或いは縮小し、光ファイバの長さを変化させて温度変化による干渉出力の変化を取り除くようにしたものである。【選択図】        図１
2004219211.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長さの異なる２本の光ファイバを有する干渉型光ファイバセンサにおいて、
２本の光ファイバのうち長さの長い光ファイバが巻回されたアクチュエータと、
本センサ内の温度を検出する温度検出手段と、
該温度検出手段を通じて本センサ内の温度変化を検知したとき、その温度変化に基づいて電圧を生成し、前記アクチュエータに印加する電源供給部とを備え、
前記アクチュエータは、印加された電圧に基づいて伸縮し、光ファイバの長さを変化させて温度変化による干渉出力の変化を取り除くようにしたことを特徴とする干渉型光ファイバセンサ。
【請求項２】
前記アクチュエータは、圧電素子或いはモータからなっていることを特徴とする請求項１記載の干渉型光ファイバセンサ。
【請求項３】
長さの異なる２本の光ファイバを有する干渉型光ファイバセンサにおいて、
２本の光ファイバのうち長さの長い光ファイバが巻回され、周囲温度に基づいて伸縮してその光ファイバの長さを変化させる部材を備え、
この光ファイバの長さ変化によって、温度変化による干渉出力の変化を取り除くようにしたことを特徴とする干渉型光ファイバセンサ。
【請求項４】
前記部材は、負の線膨張係数を有する素子からなっていることを特徴とする請求項３記載の干渉型光ファイバセンサ。
【請求項５】
長さの異なる２本の光ファイバを有する干渉型光ファイバセンサにおいて、
一方の構造物に貼り付けられて第１のミラーに結合された第１の光ファイバと、
他方の構造物に貼り付けられ、前記第１の光ファイバと長さに差を有して第２のミラーに結合された第２の光ファイバとを備え、
前記第２の光ファイバの長さを、前記構造物及び光ファイバの材料と前記の差とに基づいて、前記第１の光ファイバの長さと異なるようにして、温度変化による干渉出力の変化を取り除くようにしたことを特徴とする干渉型光ファイバセンサ。
【請求項６】
前記の長さの差は第２の光ファイバの方が所定の長さ短く、第２の光ファイバの長さは、その所定の長さと前記構造物及び光ファイバの材料とに基づいて、前記第１の光ファイバの長さよりも短くなっていることを特徴とする請求項５記載の干渉型光ファイバセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、円形振動板を用いた干渉型光ファイバセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の干渉型光ファイバセンサは、筐体内に対向して設けられた２枚の円形振動板と、両端部が２枚の円形振動板の各中心部にそれぞれ固定された錘と、２枚の円形振動板の各片面にそれぞれ巻回されて接着された同じ長さの２本の光ファイバと、この２本の光ファイバの両端がそれぞれ結合された２個の光カプラとを備えている。
前記筐体に振動が加わった場合、２枚の円形振動板が錘に働く慣性力（∝加速度）により屈曲振動して、２本の光ファイバのうち一方が伸び、もう一方が縮む。この時、光ファイバ中を伝搬するレーザ光に位相差が生じ、干渉光が変化する。この干渉光を位相復調することによってセンサに加わった振動加速度が求められる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
従来、前記の干渉光を位相復調する方式として、ＰＧＣパッシブホモダイン方式（以下、単に「ＰＧＣ方式」という）がある。このＰＧＣ方式は、発振波長を正弦波状に変化させたレーザ光を、光路差を持つ干渉計で干渉させる方式である（前記の干渉型光ファイバセンサの場合では、２枚の円形振動板上にそれぞれ装着された光ファイバ以外で光路差を持たしてある）。ＰＧＣ方式の場合、干渉光のＯ／Ｅ（光／電気）変換器の出力Ｉは次式で表される。
【０００４】
【数１】
2004219211.tif 000003
【０００５】
この式によるＯ／Ｅ（光／電気）変換器の出力ＩをＰＧＣ回路により、同期検波、ＬＰＦ及び微分クロス乗算処理を施すことによって振動加速度φ（ｔ）が得られる（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−１０４０５６号公報（第４頁−第５頁、図２）
【非特許文献１】
Ａ．Ｄａｎｄｒｉｄｇｅ，ｅｔ  ａｌ．，”Ｈｏｍｏｄｙｎｅ  Ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  Ｓｃｈｅｍｅ  ｆｏｒ  Ｆｉｂｅｒ  Ｏｐｔｉｃ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  ｕｓｉｎｇ  Ｐｈａｓｅ  Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ  Ｃａｒｒｉｅｒ”，ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，  Ｖｏｌ．ＱＥ−１８，Ｎｏ．１０，Ｏｃｔｏｂｅｒ  １９８２，Ｐ１６４７−Ｐ１６５３．
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来の技術では、干渉計内に光ファイバによる光路差を必要とするため、センサ出力に温度変化による雑音が含まれることがあった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る干渉型光ファイバセンサは、長さの異なる２本の光ファイバを有する干渉型光ファイバセンサにおいて、２本の光ファイバのうち長さの長い光ファイバが巻回されたアクチュエータと、本センサ内の温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段を通じて本センサ内の温度変化を検知したとき、その温度変化に基づいて電圧を生成し、前記アクチュエータに印加する電源供給部とを備え、アクチュエータは、印加された電圧に基づいて伸縮し、光ファイバの長さを変化させて温度変化による干渉出力の変化を取り除くようにしたものである。
【０００９】
本発明においては、本センサ内の温度変化に基づく電圧によりアクチュエータが縮小或いは膨張して、アチュエータに巻回されている光ファイバの長さが変化する。これにより、２本の光ファイバによる干渉出力が温度変化によって変化するということがなくなる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る干渉型光ファイバセンサの概略構成を示す図である。
図において、１は光カプラで、入射側が光ファイバ２２を介してレーザ光源２１と結合され、出射側が光ファイバ２４を介してＯ／Ｅ変換器２３と結合されている。２は光ファイバ３を介して入射される光カプラ１からのレーザ光を分岐して後述のセンシング部側へ出射し、このセンシング部からのレーザ光を干渉させて出射するもう一つ光カプラである。
【００１１】
４はセンシング部で、例えば円筒状に形成された筐体５と、筐体５内の上部と下部に対向して取り付けられた２枚の円形振動板６ａ，６ｂと、２枚の円形振動板６ａ，６ｂの各中心部に両端部がそれぞれ固定された錘７と、第１及び第２の光ファイバ８ａ，８ｂとを備えている。第１の光ファイバ８ａは、円形振動板６ａの上面部とアクチュエータ６とにそれぞれ渦巻状に巻かれて接着されており、その一端は光カプラ２と結合され、他端はミラー１０ａと結合されている。第２の光ファイバ８ｂは、円形振動板６ｂの下面部に渦巻状に巻かれて接着されており、その一端は前記の光カプラ２と結合され、他端はミラー１０ｂと結合されている。
【００１２】
第１及び第２の光ファイバ８ａ，８ｂは、円形振動板６ａ，６ｂの各面上では同じ長さで巻かれているが、円形振動板６ａ，６ｂとミラー１０ａ，１０ｂとの間では、アクチュエータ９に巻かれた第１の光ファイバ８ａが第２の光ファイバ８ｂよりもΔＬ長くなっている。アクチュエータ９は、例えば円筒状の圧電子からなり、印加される電圧と極性によって径方向に膨らんだり縮んだりし、渦巻状の第１の光ファイバ８ａを伸縮させる。１１はセンシング部４内の温度を検出する温度センサ、１２は電源供給部で、温度センサ１１を通じて温度変化ΔＴを検知したとき、下記の（２）式に基づいて電圧Ｖを算出し、アクチュエータ９（圧電素子）に印加する。
Ｖ＝α＋β／γ・ΔＴ  …（２）
但し、α：光ファイバの線膨張係数、  β：屈折率の温度係数
γ：圧電子の歪み定数［１／Ｖ］  、ΔＴ：温度変化
【００１３】
前記の（２）式は、下記に示す式に基づいて導き出されたものである。
第１の光ファイバ８ａのΔＬ分の長さをアクチュエータ９に巻いていないときに、センシング部４内の温度がΔＴ変化したときの干渉出力の変化Δφｔ  は、
Δφｔ  ＝２πｎ／λ・（α＋β）・ΔＬ・ΔＴ  …（３）
但し、ｎ：屈折率、λ：レーザの波長
となる。
一方、第１の光ファイバ８ａのΔＬ分の長さをアクチュエータ９に巻き付けた場合は、アクチュエータ９に印加する電圧Ｖによってその長さΔＬが変化するので、その長さ変化による干渉出力の変化Δφａ  は、
Δφａ  ＝２πｎ／λ・γ・Ｖ・ΔＬ  …（４）
となる。
そして、前記（３）式及び（４）式との関係をΔφｔ  −Δφａ  ＝０とし、この式から前記（２）式を導き出したものである。
【００１４】
前記のように構成された実施の形態１の干渉型光ファイバセンサにおいては、正弦波形ｆＯ  に周波数変調されたレーザ光がレーザ光源２１から出射されると、光ファイバ２２→光カプラ１→光ファイバ３を介して光カプラ２に入射し、この光カプラ２によって分岐されて第１及び第２の光ファイバ８ａ，８ｂにそれぞれ伝搬される。分岐されたレーザ光は、それぞれのミラー１０ａ，１０ｂにより反射して光カプラ２で結合され干渉光となる。そして、光ファイバ３→光カプラ１→光ファイバ２４を介してＯ／Ｅ変換器２３に入射する。この時、Ｏ／Ｅ変換器２３は、入射された干渉光を前記（１）式で表される電気信号Ｉに変換し、ＰＧＣ回路２５は、Ｏ／Ｅ変換器２３により変換された電気信号Ｉを同期検波、ＬＰＦ及び微分クロス乗算処理を施して振動加速度φ（ｔ）  を得る。
【００１５】
一方、電源供給部１２は、センシング部４内の温度変化ΔＴを温度センサ１１を通じて検知すると、前記（２）式で表される電圧Ｖを温度変化ΔＴに基づいて算出し、アクチュエータ９（圧電子）に印加する。この場合、温度がΔＴ上がったときはアクチュエータ９が縮まるように、温度がΔＴ下がったときはそのアクチュエータ９が膨らむように、電圧Ｖの極性を切り換える。
【００１６】
以上のように実施の形態１によれば、センシング部４内の温度変化ΔＴを温度センサ１１を通じて検知したとき、その温度変化ΔＴに応じた電圧Ｖをアクチュエータ９に印加してそのアクチュエータ９を縮小或いは膨張させて、アクチュエータ９に巻回された第１の光ファイバ８ａの長さを調整するようにしたので、雑音の温度変化ΔＴによる干渉出力の変化Δφｔ  が取り除かれる。
【００１７】
なお、前記の実施の形態１では、アクチュエータ９に圧電素子を用いたことを述べたが、アクチュエータ９に代えてモータを設置し、温度変化ΔＴに基づいてそのモータを駆動して第１の光ファイバ８ａのΔＬ分の長さを巻き込んだり緩めたりして、温度変化ΔＴによる干渉出力の変化Δφｔ  を取り除くようにしてもよい。
【００１８】
実施の形態２．
図２は本発明の実施の形態２に係る干渉型光ファイバセンサの概略構成を示す図である。なお、図１で説明した実施の形態１と同一又は相当部分には同じ符号を付し説明を省略する。
【００１９】
実施の形態２における干渉型光ファイバセンサは、円形振動板６ａの上面部に巻回された第１の光ファイバ８ａのΔＬ分の長さを負の線膨張係数を有する素子３１に巻いたものである。この素子３１は、例えば、セラミックスからなり、周囲温度が上昇すると縮小し、周囲温度が下がると膨張する特性を有している。なお、円形振動板６ａ，６ｂの各面上にそれぞれ巻回された第１及び第２の光ファイバ８ａ，８ｂの渦巻部分の長さは同じである。
【００２０】
第１の光ファイバ８ａのΔＬ分の長さを素子３１に巻いていないときに、センシング部４内の温度がΔＴ変化したときの干渉出力変化Δφｔ  は、実施の形態１で示したように、
Δφｔ  ＝２πｎ／λ・（α＋β）・ΔＬ・ΔＴ  …（２）
但し、ｎ：屈折率、λ：レーザの波長
α：光ファイバの線膨張係数、β：屈折率の温度係数
となる。
一方、第１の光ファイバ８ａのΔＬ分の長さを素子３１に巻き付けた場合は、そのΔＬ分の長さ変化はその素子３１に支配されるので、センシング部４内の温度がΔＴ変化したときの干渉出力変化Δφｔ’は、
Δφｔ’＝２πｎ／λ・（−α’  ＋β）・ΔＬ・ΔＴ  …（５）
但し、−α’  ：負の線膨張係数
となる。
従って、α’  ＝β  …（６）
となる線膨張係数をもつ材料（素子３１）に第１の光ファイバ８ａを巻くことにより、温度変化による干渉出力変化Δφｔ’が取り除かれる。
【００２１】
本実施の形態２においては、第２の光ファイバ８ｂよりΔＬ分長い第１の光ファイバ８ａをその長さ分、負の線膨張係数を有する素子３１に巻き付けるようにしたので、温度変化の影響を受けない干渉型光ファイバセンサを提供できる。また、実施の形態１のように温度センサ１１や電源供給部１２からなる電気回路を用いていないので、構造が簡単な干渉型光ファイバセンサを提供できる。
【００２２】
実施の形態３．
図３は本発明の実施の形態３に係る干渉型光ファイバセンサの概略構成を示す図である。なお、前記と同様に図１で説明した実施の形態１と同一又は相当部分には同じ符号を付し説明を省略する。
【００２３】
本実施の形態３は、構造物である円形振動板６ａ，６ｂの各面上にそれぞれ巻回された第１及び第２の光ファイバ８ａ，８ｂの長さと、それぞれのミラー１０ａ，１０ｂまでの長さとに差をもたせたものである。なお、図３では、第２の光ファイバ８ｂを円形振動板６ｂに対して左側に図示しているが、これは第１の光ファイバ８ａとの長さの差を説明するためで、実際には、その第２の光ファイバ８ｂは円形振動板６ｂの中心軸を中心として装着されている。
【００２４】
第１の光ファイバ８ａは、円形振動板６ａの上面部での巻回長さがＬ１  で、この長さＬ１  の終端からミラー１０ａまでの長さがＬ２  となっている。第２の光ファイバ８ｂは、円形振動板６ｂの下面部での巻回長さが第１の光ファイバ８ａのＬ１  よりＬ３  短いＬ１−Ｌ３であり、この長さＬ１−Ｌ３の終端からミラー１０ｂまでの長さは、前記ミラー１０ａとミラー１０ｂとの差をΔＬとしたとき、Ｌ２−ΔＬ＋Ｌ３  となっている。
【００２５】
前記のように構成された干渉型光ファイバセンサにおいては、第１の光ファイバ８ａの長さＬ１  部分の温度変化によるレーザ光の位相変化Δφ１  は、
Δφ１  ＝２πｎ／λ・（α”＋β）・ΔＴ・Ｌ１  …（７）
但し、λ：レーザ光の波長、ｎ：屈折率
α”：円形振動板の線膨張係数、β：屈折率の温度係数
で表され、
同様に、第２の光ファイバ８ｂの長さＬ１−Ｌ３部分の位相変化Δφ３  は、
Δφ３  ＝２πｎ／λ・（α”＋β）・ΔＴ・（Ｌ１−Ｌ３）  …（８）
但し、α：光ファイバの線膨張係数
で表され、
第１の光ファイバ８ａの長さＬ２  部分の位相変化Δφ２  は、
Δφ２  ＝２πｎ／λ・（α＋β）・ΔＴ・Ｌ２  …（９）
で表され、
第２の光ファイバ８ｂの長さＬ２−ΔＬ＋Ｌ３部分の位相変化Δφ４  は、
Δφ４  ＝２πｎ／λ・（α＋β）・ΔＴ・（Ｌ２−ΔＬ＋Ｌ３）  …（１０）
で表される。
【００２６】
２本の第１及び第２の光ファイバ８ａ，８ｂの光路差による干渉出力変化Δφは、
2004219211.tif 000004
で表される。
そして、円形振動板６ａ，６ｂの各面上の第１及び第２の光ファイバ８ａ，８ｂの差Ｌ３  を
Ｌ３＝−｛α＋β／（α”−α）｝・ΔＬ  …（１２）
としたとき、（１１）式のΔφはΔφ＝０となり、温度変化による干渉出力変化Δφが取り除かれる。
【００２７】
以上のように実施の形態３によれば、円形振動板６ａ側からミラー１０ａまでの第１の光ファイバ８ａの長さと円形振動板６ｂ側からミラー１０ｂまでの第２の光ファイバ８ｂの長さとにΔＬの光路差を設け、円形振動板６ａ，６ｂの線膨張係数と第１及び第２の光ファイバ８ａ，８ｂの線膨張係数と光路差ΔＬとに基づいて、円形振動板６ａ，６ｂの各面上の第１及び第２の光ファイバ８ａ，８ｂに設定される長さの差を決定するようにしたので、実施の形態１，２のようにアクチュエータ９や負の線膨張係数を有する素子３１を用いることなく、温度変化による干渉出力変化Δφを取り除くことが可能になり、構造が簡単で、安価な干渉型光ファイバセンサを提供できる。
【００２８】
なお、前述した各実施の形態では、干渉型光ファイバセンサに円形振動板６ａ，６ｂを用いて説明したが、２本の光ファイバ８ａ、８ｂの長さに差を有する干渉型光ファイバセンサであれば振動板の形状は限定されるものではない。
また、円形振動板６ａ，６ｂを有する干渉型光ファイバセンサについて説明したが、これに代えて、中央部に錘を有する円筒型の干渉型光ファイバセンサに適用してもよい。この場合、錘を境に上部円筒部の外周面に第１の光ファイバ８ａを巻き付け、下部円筒部の外周面に第２の光ファイバ８ｂを巻き付けて用いる。
さらに、円形振動板６ａ，６ｂの間に錘７を有する干渉型光ファイバセンサについて述べたが、この錘７のない干渉型光ファイバセンサに適用してもよい。この場合、円形振動板６ｂの上面部に渦巻状に巻回された第２の光ファイバ８ｂを取り付ける。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、温度検出手段を通じて本センサ内の温度変化を検知したとき、その温度変化に基づく電圧をアクチュエータに印加して伸縮させ、アクチュエータに巻回された光ファイバの長さを変化させるようにしたので、２本の光ファイバによる干渉出力が温度変化によって変化するということがなくなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る干渉型光ファイバセンサの概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態２に係る干渉型光ファイバセンサの概略構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態３に係る干渉型光ファイバセンサの概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１，２  光カプラ、３  光ファイバ、４  センシング部、５  筐体、６ａ，６ｂ  円形振動板、７  錘、８ａ  第１の光ファイバ、８ｂ  第２の光ファイバ、９  アクチュエータ、１０ａ  第１のミラー、１０ｂ  第２のミラー、１１  温度センサ、１２  電源供給部。
【図１】
2004219211.tif 000005
【図２】
2004219211.tif 000006
【図３】
2004219211.tif 000007