(57)【要約】【課題】光ファイバーを用いてジャイロ方位や振動、温度などを計測するには、Ｕ字形やループになったファイバーセンサが必要である。従来は加熱円柱に巻きつけたり、応力を加えたままのループにしていたので、応力歪が残り円弧の精度がばらつく課題があった。【解決手段】予備加熱し柔軟になったファイバー芯線を、同じく呼び加熱した所定の精度と形状を持った金型に設置し加温プレス法で成型して冷却をする。また加温プレス中にセンサの精度を検知して修正ができるように、金型に漏れ光検知穴を設けた。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を通す予熱して柔軟になっている光ファイバーの一部を、金型によって半円状に曲率をつけることを特徴とする光ファイバーセンサ。
【請求項２】
光ファイバーの一部を予熱して柔軟になった部分をＵ字型の半円状に湾曲した内側部分に入る金型１と、ファイバーの湾曲した外側部分を覆うように押さえ込む一つまたは複数に分割した金型部２で構成したことを特徴とする第１図参照の光ファイバーの成型金型治具。
【請求項３】
Ｕ字型に湾曲した光ファイバーセンサの内側部分に入る金型１の片面表面と裏面表面には、ファイバー芯線の半径ｒをもって芯線の半分が入り込む形状にえぐられた溝が直線状に構成され、その溝が金型１の端部にいたる部分は、曲率半径Ｒを持った半円筒状となっており、その半円筒部にもファイバー溝があってそこへ金型表面からの溝が繋がり、円筒の裏面にも作られた直線状半円溝に繋がっていることを特徴とする請求項２の光ファイバーの成型金型治具（第１図（Ａ）参照）。
【請求項４】
Ｕ字型に湾曲した光ファイバーセンサの外側部分を覆うように押さえ込む金型部２は、請求項３の溝に入っているファイバー芯線が通るように半径ｒの半弧状の溝があり、その溝は半径Ｒの半円弧を持っていることを特徴とする請求項２の光ファイバーの成型金型治具（第１図（Ｃ）参照）。
【請求項５】
Ｕ字型に湾曲した光ファイバーセンサの外側部分を覆うように押さえ込む金型部２には、請求項３の溝に入っているファイバー芯線を外側から押さえるように半径ｒの半弧状の溝があり、克つ光ファイバー成型金型１のＲ弧の頂点部で分割された２つの押さえ込み金型からなっていることを特徴とする請求項２の光ファイバーの成型金型治具。
【請求項６】
Ｕ字型に湾曲した光ファイバーセンサのー外側部分を覆うように押さえ込む金型部２は、金型の一面に長方形の穴が削り込まれた構造となっており、深さは半弧状に湾曲したファイバーの芯線中心部の曲率半径Ｒと芯線半径ｒの和より大きくて、穴口の縦はＲ＋２ｒであり横は２ｒである請求項３の光ファイバーの成型金型治具（図２参照）。
【請求項７】
Ｕ字型に湾曲した光ファイバーセンサの外側部分を覆うように押さえ込む金型部２は、光ファイバー成型金型１のＲ弧の頂点部で分割されて２つ金型となり、その内の一方の金型のＵ字湾曲部を除去し、金型の外部からファイバーが見えるような穴溝を持ったことを特徴とする請求項５の光ファイバーの成型金型治具（図３参照）。
【請求項８】
Ｕ字型に湾曲した光ファイバーセンサの外側部分を覆うように押さえ込む金型部のＵ字湾曲部を除去して金型の外部からファイバーが見えるような穴溝を持った金型を用い、加温プレスでファイバーを成型する際に、穴溝を通して漏れてくる光量を観測してファイバーの精度を検知し、加工中の温度や圧力、加圧時間の制御によってファイバー精度を所定の値に再現性良く加工することを特徴とする光ファイバーの検査・修正方法。
【請求項９】
金属平板面にＵ字形の半弧状の溝が掘削され、その溝はファイバー芯線の半径ｒを持つ深さであり、Ｕ字部分の曲率半径は所定の半径Ｒを持った半弧状であり、Ｕ字の直線部の溝は金型の側面まで貫通していることを特徴とした金型であり、同様に溝の付いた金型２枚で構成されたことを特徴とする図４参照の光ファイバーの成型金型治具。
【請求項１０】
上記請求項９の金型のＵ字状屈曲部溝のＲの接線方向に直線状に半円形の穴溝が金型の側面まで貫通し、金型の外縁方向に進むにつれて徐々に広がっていることを特徴として、それと同じ金型が二枚で構成された請求項９の図５参照の光ファイバーの成型金型治具。
【請求項１１】
台座に接続した円柱あるいは直径の異なる段差のついた円柱があり、直径の小さい方は半径Ｒ−ｒであり、これをファイバー材料のガラス転移点温度付近に予熱し、同じくファイバーをその材料のガラス転移点温度付近に予熱して円柱を取り巻く用に巻きつけ所定の曲率半径Ｒを持ったＵ字形光ファイバーを作ることを特徴とする図６参照の光ファイバーの成型金型治具およびファイバーセンサの作成方法。
【請求項１２】
請求項１１の円柱を取り巻くファイバーは、一周で終わるのではなく、ネジのように複数回数ファイバーが積み重なって整列できるように整列したことを特徴とする光ファイバーの成型かながた治具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は産業界や医療分野更に一般生活分野で温度や振動、加速度、歪などを計測する際に用いる光ファイバー計測センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
日常生活に限らず、産業界においては各所で温度を計測する必要があるが、一般的には水銀柱／アルコール温度計をはじめ、熱電対や半導体サーミスタを用いたり、放射温度計を使用することもある。遠隔地や電気磁気擾乱環境の中でも正確に温度を測定する方法として、近年光ファイバーを用いファイバー先端から出た光を物質の温度熱膨張による距離を光干渉法で測定する方法などが考案されている。
ファイバーを用いて芯線中を通過する光をファイバーの外部に出さずに温度を測る方法として、ファイバーの一部を円弧状に曲率を付けてそこを通過する光を測定して温度を測定する方法がある。またファイバーのループを作り光の偏波面の変動や位相差を測定して、方向変化を検知するジャイロや加速度を図る加速度計、振動を測る振動計なども出現している（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ  Ｓｅｎｓｏｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｖｏｌ．２  ｐ１１９，  Ｊ，Ｄ，Ｃ．Ｊｏｈｎｅｓ  ｅｔ．ａｌ．  又はＦｉｂｅｒ  Ｏｐｔｉｃ  Ｓｅｎｓｏｒｓ，１９９１．Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ．Ｉｎｃ．  Ｐ９９  Ｌ．Ｍ．Ｊｏｈｎｓｏｎ）。これらの測定器に用いる重要部品として曲率を持つ円弧や半円弧を持つファイバーセンサ部品がある。
【０００３】
光ファイバーには石英ガラスを使用したものと、樹脂を使用したものがある。石英ガラス材料を使用したファイバーには，高速で遠距離まで情報量を多く載せられるシングルモードファイバーと、近距離で比較的容易に機械結合のできるマルチモードファイバーがある。光が通るコアとそれを囲むクラッドから構成されており、シングルモードファイバーのコアは１０から２．５μｍであるのに対してマルチモードファイバーのコアは５０〜１２５μｍであるが、両者とも外径は１２５μｍである。石英ガラスは曲げ強度には弱く最小径は１０〜２０ｍｍ位までである。数ｍｍの曲率半径では常温では破断してしまう。一方樹脂ファイバーは外形も０．８〜２ｍｍがあり、曲げ強度に強く半径５〜１０ｍｍまで曲げることができるが、ファイバー中には歪が多く入り、光の伝播特性は落ちてしまう。そこで計測用に用いるファイバーセンサは、殆どが石英ガラスファイバーである。
【０００４】
ジャイロや振動計などのループ状のファイバーは、曲率半径が数１０ｍｍと大きかったり、ファイバー芯線材料がプラスチックであったりする場合は、応力をかけて円弧状にすることができた。しかし石英などガラスファイバーの場合は数十ｍｍの曲率半径で湾曲すると破断してしまうので、所定の曲率を持つ場合に加熱しながら加工しており希望する形をしたファイバーを再現性良く得ることは大変困難であった。また応力という歪をファイバー中に残したままセンサとすることは、一つ一つの製品に対して均一な歪を作ることが難しく、長い使用期間中の緩和によって歪量が変化し、センサとしての精度が保てなくなるといった問題があった。また張力をかけながら加熱して柔軟になったファイバーを強制的に円弧を付けるとファイバー長が変形してしまい、作るセンサ全てが同じ精度を保つことが大変困難であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ファイバーを円弧に屈曲する際に従来のように応力を持って歪ませたり、ファイバーに加熱をしながら張力を与えて強制的に湾曲部をつける方法における、加工したファイバー特性がばらつくという問題を解決した測定用ファイバーセンサを提供することにある。この発明によって１ｍｍ〜１０ｍｍ以下の曲率を持つ屈曲ファイバーを破損したり歪みを残したりファイバー径を変化させること無く加工することが出来る。このため均一な特性のＵ字形や円形のファイバーセンサを歩留まり良く、精度良くさらに安価に製造することができる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（１）考案の特徴と従来の技術との差異
本発明の主要な特徴は曲げにくく破断し易いガラス光ファイバーの一部をひずみを与えず小さな曲率で円弧状に再現性良く加工したセンサを得ることである。この円弧状ファイバーを得るには、石英ファイバーを予めガラス転移温度付近に加熱し、別途同様温度に加熱した金属成型金型治具の中にファイバーをプレスし冷却後取り出すいわゆる加温金型プレス成型法を用いることになる。本方法を用いると無歪で小さな曲率をもったファイバー屈曲部を再現性良く加工することが容易に行え、さらに一部の光がファイバーから漏れて芯線中を透過する量の変動がなくなり、透過して戻る光量は温度の変化に対応したものだけに限定されることになる。
【０００７】
加工されたファイバーが所定の特性を持っているかどうかを検査したり、加工中に特性を修正できるような検出は、プレス型の途中から円弧の接線方向に設けてある穴を通じて取り出す光を観測することで実施できる。この屈曲した円弧状の部分はプレスの冷却後は塑性変形して形状を保つので、型から取り出して周辺をプラスチックや金属で保護加工をする際も、ガラス転移点温度以下で作業をする限り影響を受けることが無い。従来の円弧状に屈曲した光ファイバーを得るときに、歪を残して屈曲しただけのものや、張力を与えながら加熱して得られることとは異なり、加熱した金型中で屈曲を行い冷却後取り出す光センサは、再現性の良い所定の特性値に制御されたものとなり歩留まりが上がることになる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
実施例１
図１は本発明を使用した光ファイバー加工成型金型治具の実施例を示す図である。これはファイバーを所定の曲率半径Ｒに形成する金型として、光ファイバーの湾曲した内側部分に入る金属板１の片面表面１２と裏面表面１３には、ファイバー芯線の半径ｒをもって芯線の半分が入り込む形にえぐられた溝１１が直線状に構成され、直線状の溝１１が金型１の端部１４にいたる部分は、曲率半径Ｒを持った半円柱状となっておりその曲面にも溝１５があってそれにつながり、又金属板１の裏面１３の直線状半円溝１１に繋がっている構造をしている。
第１（Ａ）図はＵ字に加工するための内側に挿入する金型金属板１とファイバーを外側から押さえつける金型２の組み合った図を示すもので、金型金属板１の表面に光ファイバー芯線が半分だけうずまって入る半径ｒの円弧溝１１と、芯線を希望する曲率半径Ｒに湾曲するようにするための湾曲する部分１５と、誘導及び引き出し部の芯線を直線状に加工固定する溝１１から構成されている。
【０００９】
第１図（Ｂ）は第１図（Ａ）の９０°廻った表正面から見た成型金型治具１の図で、面１２の中央にファイバー芯線が入る溝１１があり、曲率半径Ｒ部分に掘削された溝に繋がる。
一方ファイバーの加工中に円弧の外側から押さえ込む成型金型治具を示したのが第１（Ｃ）図である。
この金型部２の外形は完全直方体であるが、内部の空洞２３には、第１（Ａ）図の溝１１に入っているファイバー芯線が通るように半径ｒの半弧状の溝２１があり、その溝は半径Ｒの弧を持っており、克つ光ファイバー成型金型１のＲ弧に入ったファイバー芯線を抑える効果をもつ。
この金型はあらかじめファイバーのガラス転移温度付近に予熱されており、同じく予熱された芯線が概略第１図１の金型に納まった状態にしておいて、その外側から金型２を向かい合わせる方向に加圧し、芯線を所定の形状に固定したままガラス転移以下の軟化点温度以下に降下させて固定加工するものである。
この押さえ込む金型２は、図３にあるように、Ｒ弧の頂点部で分割された２つの金型２４および２５にしても良い。分割した割り金型を作る利点は、押さえ込み金型内部の空洞部分に、ファイバー芯線を通す穴やＵ字型加工と言う複雑な金型構造を作らねばならぬので、分割した方が金型作製の加工が容易になるからである。
【００１０】
実施例２
図２は、外側から図１の金型治具１に設置された余熱された芯線を外側から抑えて固定する金型２が、金型の一面に長方形の穴が掘られた構造となっており空洞２３が存在する。その深さｄは半弧状に湾曲したファイバーの芯線中心部の曲率半径Ｒと芯線半径ｒの和より大きく、穴口の縦は２Ｒ＋２ｒであり横は２ｒになっている。この金型２で図１の金型１を包むように押さえ込み、内部の芯線の曲率頂点２１を抑えるように加工するものである。
この金型の利点は、実施例１の押さえ込み金型の場合には金型内部の空洞部分に、ファイバー芯線を通す穴やＵ字型加工と言う複雑な金型構造を作ることになるので、もっと工作を容易にすることにある。金属であっても単純な直方体の穴を掘削するのは大変容易である。
【００１１】
実施例３
図３は図２に示した押さえ金型２の内部のＲ字円弧の頂点２１付近に間隙２６を設けたものである。しかも金型２５内部のＲ字円弧の頂点２１から上方向へ、また円弧が終わって直線部に移る点２７の間から正面側の金型外部までは、ファイバー芯線幅２ｒをもって削られた間隙２６ができている。
この間隙２６を通して、Ｕ字型に加工中のファイバーが覗き込めるわけである。
１つの押さえ金型に各種の細かい加工を施す困難さを避けるためには、押さえ金型を分割し、例えば金型２４形状ともう１つの分割金型２５に分けてから必要な場所に間隙を加工しても良い。
この間隙は均一な特性のファイバーセンサを製造する際の特性修正を行なうための検査穴となる。
すなわちファイバーをＵ字加工中に、ファイバーの１端面から透過光を挿入するとＵ字の曲線部では光がファイバー外に漏れてくる。この漏れ光量を間隙２６を通して観測することにより曲率Ｒが設定値からどのくらい離れているかが分かり、加温プレスの温度や時間を再調整することによって希望するファイバーセンサの精度を得ることができるようになる。石英ファイバーセンサの成型加工中にセンサの特性を予知し修正を加えて常に正しい製造品が得られることも、本特許となる加温プレス法によるファイバーセンサ製法の特長である。
【００１２】
実施例４
実施例４の成型金型治具の平面板と断面図を示したのが図４である。
図４では金属平板面３に半弧状の溝３１が掘削され、その溝の深さはファイバー芯線の半径ｒに等しく、Ｕ字部分の曲率半径は所定の半径Ｒを持った半弧状でありＵ字部から直線に繋がった溝は金型３の側端面３２まで貫通していることを特徴とした金型である。
この金型を予めファイバーの軟化点付近間で加熱しておきこの溝の中にあらかじめ予熱して軟化したファイバー芯線を設置し、ペアとなっているもう１枚の同様の金型を組み合わせて押さえプレスを行い温度を徐冷し加工する。この金型を使用すると、余熱され軟化した芯線に特別の力が加わることなく金型とおりに成型加工されるので、出来上がったファイバーの形状に精度の狂いが無く、特性の再現性の良いファイバーが加工できる。
【００１３】
実施例５
実施例５の成型金型治具を示したのが図５である。
金型３のＵ字状Ｒ屈曲部溝頂点３３から接線方向に金型の横面端３４まで直線状に穴溝３５が貫通して存在していることを特徴とする金型が、二枚で構成されている。本特許の穴溝３５はファイバー芯線の一方端から光を導入した場合、屈曲部３３においてファイバー中を通る光線がコアやクラッドから抜け出してＲの接線方向に迷光として漏れ出てくる。この光量が穴溝３５を通して外部に出てくるところを検知し、半径Ｒやフラッドとコアの屈折率界面の揺らぎなどの情報をえることができ、その結果加工しているファイバーの精度を検知できるものである。この検知を行なうことによって、ファイバーのＵ字曲率やクラッドーコア間の界面状況の修正加工を追加することができるようになる。
【００１４】
実施例６
実施例６の成型金型治具を示したのが図６である。
平板でも良いし、円柱でも良い台座４１に繋がって円柱４２があり、この円柱の半径は希望のファイバーループの芯線中心を基準にした曲率半径をＲとすれば、この円柱の半径はＲ−ｒとなる。
台座４１と円柱４２との接続部には曲率ｒの１／４円弧があり、予熱して柔軟になったファイバーをここに巻き付け１８０度回せばＵ字型となり、多数回も巻きつければループセンサができる。
本方法によるファイバーセンサの精度は加熱プレス金型法より劣るが、小さな電気炉やガスバーナーを用いるだけで非常に簡便にセンサを作れるのが特長である。
【００１５】
【発明の効果】
以上に説明したように急激な応力を与えると折れやすく、また光の伝播特性が変化してしまう光ファイバーにたいして曲率半径の小さなＵ字形または円形に加工する際に、従来の張力を与えながら加熱柔軟化したファイバー芯線を円筒に巻きつけたり、応力を残したまま固定して作成する従来のセンサに比べて加熱中に石英ファイバーをプレス加工成型するので、曲げ応力で破断することが無く、ファイバーの収縮伸張や歪の残存などが無く正確なＲ形状を再現性良く作成することが可能である。そのために、センサとして使用したときの精度と再現性が優れ、作業者の個人差によるセンサ形状のばらつきが無くなる。
また成型加工中にファイバーからの漏れ光が観測できるのでファイバー特性を観測修正することが可能になり、出来上がった製品の精度を常に均一にすることができる。
この金型成型加工法は、曲線部が必要とされる各種の光ファイバーセンサすべてに利用可能であり、熱と可塑性を勘で調整しながらセンサを作る職人芸にとってかわることができ、更に上に述べたような優位性が発揮される。
【００１６】
この具体的な利用法としては例えばファイバーを半径数十ｍｍのループにして使用する偏波面や位相差検知を利用した変位計、加速度計、位置制御ジャイロ振動計また微少な曲率Ｒを持ったＵ字形センサを用いてひずみ計、温度計、などがあり、本発明を用いることによって新しい光ファイバー計測の分野において、正確で安価なセンサを提供できることになる。ファイバーセンサ計測は電磁ノイズに影響されることなく、遠隔地の現象を精度よく観測できる特徴を持つので従来の電圧や電流を使用する電気電線使用のセンサとは比べものにならないほど利用価値が大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｕ字型の半円状に湾曲した光ファイバーを製作する際に、Ｕ字の内側部分に入る金型と外側から押さえ込む形を図示したファイバー成型金型治具。
第１図（Ａ）Ｕ字の内側部分に入る金型と外側から押さえ込む金型を横から見た図
第１図（Ｂ）Ｕ字の内側部分に入る金型を分解して正面から見た図
第１図（Ｃ）  Ｕ字ファイバーを外側から押さえ込む金型を分解して正面から見た図
【図２】Ｕ字の内側部分に入る金型と外側から押さえ込む金型で請求項７の金型。
【図３】空隙を持った押さえ金型で請求項８の金型。
【図４】Ｕ字型の半円状に湾曲した光ファイバーを製作する平板型の成型金型の平面と断面図。
【図５】Ｕ字型の半円状に湾曲した光ファイバーを製作する平板型の成型金型で、ファイバーを通過する光が漏れ出して来るところを検知できる金型。
【図６】Ｕ字型やループ状のファイバーセンサを製作する円筒状金型。
【符号の説明】
１：Ｕ字の内側部分に入る金型
１１：ファイバー芯線が半分埋まるような半径ｒの半弧状の溝
１２：金型１の側面正面
１３：金型１の側面  裏面
１４：金型１の円筒状になった端部
１５：曲率半径Ｒを持った円筒部分に付けられたＵ字型溝
２：外側から押さえ込む金型
２１：金型２に作られたファイバー芯線が半分埋まるような半径ｒの半弧状の溝
２３：金型１が入り込む空間
ｄ：穴の深さ  ｄ＞Ｒ＋２ｒ
ｗ：穴の縦幅  ｗ＝２Ｒ＋２ｒ
２５：金型の前正面部分。
２６：Ｕ字形ファイバーの円弧が外部から見えるように穿った間隙（ハッチ部）。
幅はファイバー直径２ｒ以上である。
２７：押さえ金型２５の内部にあるＵ字曲率の円弧が終わって直線になる部分。
３：金型の台座
３１：ファイバー芯線が半分埋まるような半径ｒの半弧状の溝
３２：半弧状の溝３が金型側面に出る場所。
ＲはファイバーがＵ字型に曲がる曲率半径
３３：Ｕ字型円弧の頂点位置
３５：加工中のファイバーが外部からのぞき見られるような穴溝
４１：台座。平板でも良いし、円柱でも良い。
４２：台座４１に繋がっている円柱。希望のファイバーループの芯線中心を基準にした曲率半径をＲとすれば、この円柱の半径はＲ−ｒとなる。
４３：台座４１と円柱４２との接続部についている曲率ｒの１／４円弧。
４４：予熱された円柱４２に巻きつけた、やはり予熱されて柔軟になったファイバー。
【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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