(57)【要約】【課題】  簡易な構造で、製造が容易で、測定感度が高い曲げ損失型光ファイバセンサを実現する。【解決手段】  光ファイバ１２は、部分的に細くした括れ１２ａを具備する。括れ１２ａを挟むように、光ファイバ１２は、括れ１２ａの片側でベース１４の起立部１４ａに固定され、括れ１２ａの反対側で、ベース１４上に光ファイバ１２の軸方向に可動に設置されるスライダ１６に固定されている。スライダ１６は、ベース１４に固定されたストッパ１８，２０により、光ファイバ１２を切断しない程度に可動範囲を制限されている。スライダ１６は、コイルバネ２４により起立部１４ａから離れる方向に付勢される。伝達棒２８が、計測対象物の変位により、受け台２６を介してスライダ１６を起立部１４ａに向けて駆動する。これにより、光ファイバ１２は、括れ１２ａで曲がり、曲げ損失が増加する。【選択図】  図１
2007024527.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
部分的に細くなった括れ部（１２ａ，１１２ａ）を具備する光ファイバ（１２，１１２）と、
計測物理量に応じた曲げを当該括れ部（１２ａ，１１２ａ）に与える曲げ付勢手段（１６，２６，２８；１１６，１１８）
とを備えることを特徴とする光ファイバセンサ。
【請求項２】
当該曲げ付勢手段が、
当該括れ部（１２ａ）の一側で当該光ファイバ（１２）を固定的に保持する保持部材（１４ａ）と、
当該括れ部（１２ａ）の他側で当該光ファイバ（１２）を固定的に保持し、当該光ファイバ（１２）の軸方向に可動の可動部材（１６）と、
当該可動部材（１６）を所定の初期位置に付勢する付勢部材（２４）と、
当該計測物理量である変位に応じて、当該可動部材（１６）を当該保持部材（１４ａ）に向けて移動させる伝達部材（２６，２８）
とを具備し、
当該光ファイバセンサが変位センサである
ことを特徴とする光ファイバセンサ。
【請求項３】
当該伝達部材が、第１の熱膨張率の第１の部材（２８）と、当該第１の熱膨張率よりも高い第２の熱膨張率を有し、当該第１及び第２の熱膨張率の比に応じて当該第１の部材（２８）よりも短い長さの第２の部材（２６）とからなり、当該第１及び第２の部材が、当該第１の部材（２８）の熱膨張を当該第２の部材（２６）の熱膨張で相殺するように結合されていることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバセンサ。
【請求項４】
当該曲げ付勢手段が、
当該括れ部（１１２ａ）の一方の側で当該光ファイバ（１１２）を固定的に保持する第１のファイバ固定台（１１６）と、
当該括れ部（１１２ａ）の他方の側で当該光ファイバ（１１２）を固定的に保持する第２のファイバ固定台（１１８）と、
当該第１及び台２のファイバ固定台（１１６，１１８）を固定的に保持するベース（１１４）
とを具備し、
当該光ファイバセンサが温度センサである
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５】
当該第１及び第２の光ファイバ固定台（１１６，１１８）が、同じ熱膨張率の材料からなることを特徴とする請求項４に記載の光ファイバセンサ。
【請求項６】
当該ベース（１１４）の熱膨張率が、当該第１及び第２の光ファイバ固定台（１１６，１１８）の熱膨張率とは異なることを特徴とする請求項４又は５に記載の光ファイバセンサ。
【請求項７】
当該曲げ付勢手段が、
当該括れ部（１１２ａ）を挟む第１及び第２保持部（１１４ａ，１１４ｂ）で当該光ファイバ（１１２）を保持するベース（１１４）と、
当該括れ部（１１２ａ）と当該ベース（１１４）の当該第１の保持部（１１４ａ）との間に配置され、当該第１の保持部（１１４ａ）と当該光ファイバ（１１２）とに固着される第１のファイバ固定台（１１６）と、
当該括れ部（１１２ａ）と当該ベース（１１４）の当該第２の保持部（１１４ｂ）との間に配置され、当該第２の保持部（１１４ｂ）と当該光ファイバ（１１２）とに固着される第２のファイバ固定台（１１８）
とを具備し、
当該光ファイバセンサが温度センサである
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８】
当該曲げ付勢手段が、当該括れ部（１１２ａ）を挟む第１及び第２保持部（１１４ａ，１１４ｂ）で当該光ファイバ（１１２）を固定的に保持し、当該計測物理量である温度により伸縮するベース（１１４）からなり、
当該光ファイバセンサが温度センサである
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９】
計測物理量に応じて損失が変化する光ファイバセンサ（１０）と、
当該光ファイバセンサに供給すべき測定光を発生する発光手段（３０，４０，５０）と、
当該光ファイバセンサで当該計測物理量による損失を受けた測定光を受光する受光手段（３２，４４，５４）と、
当該受光手段の出力に従い当該計測物理量を示す情報を演算する演算手段（３４，４６，５６）
を備えることを特徴とするセンサシステム。
【請求項１０】
複数の当該光ファイバセンサ（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）がシリアルに接続されていることを特徴とする請求項９に記載のセンサシステム。
【請求項１１】
当該演算手段が、ＯＴＤＲ測定装置（４６）であることを特徴とする請求項１０に記載のセンサシステム。
【請求項１２】
更に、当該光ファイバセンサを透過した光を反射して当該光ファイバセンサに戻す反射器（５８）を具備することを特徴とする請求項９に記載のセンサシステム。
【請求項１３】
当該光ファイバセンサが請求項１乃至８の何れか１項に記載の光ファイバセンサであることを特徴とする請求項９乃至１２の何れか１項に記載のセンサシステム。
【請求項１４】
計測物理量に応じて損失が変化する複数の光ファイバセンサ（１０−１〜１０−４）と、
当該複数の光ファイバセンサ（１０−１〜１０−４）のそれぞれを透過した光を反射して当該光ファイバセンサに戻す複数の反射器（６８−１〜６８−４）と、
測定光を発生する発光手段（６０）と、
当該測定光を分割し、分割された各測定光を当該複数の光ファイバセンサのそれぞれに供給する光分波器（６６−１〜６６−３）と、
当該反射器により当該各光ファイバセンサを往復した当該測定光を受光する受光手段（７０）と、
当該受光手段（７０）の出力に従い、複数の光ファイバセンサ（１０−１〜１０−４）における当該計測物理量を示す情報を演算する演算手段（７２）
とを備えることを特徴とするセンサシステム。
【請求項１５】
当該光分波器が、シリアルに接続された複数の２分岐光カップラからなることを特徴とする請求項１４に記載のセンサシステム。
【請求項１６】
当該光ファイバセンサが請求項１乃至８の何れか１項に記載の光ファイバセンサであることを特徴とする請求項１４又は１５に記載のセンサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバを用いて変位又は温度を測定する光ファイバセンサ及びセンサシステムに関し、より具体的には、光ファイバの曲げ損失を検出して変位又は温度等を測定する光ファイバセンサ及びセンサシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高架道路、トンネル、橋梁及びプラント等の構造物や、地滑りなどの効果的なモニタリングの要求から、各種の歪測定用ファイバセンサが開発されている。これらのファイバセンサには、ブリルアン散乱の変化を検出する分布型センサ、歪量を波長変化で検出するＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ）型センサ、及び、光ファイバの曲げ損失を検出するセンサがある。
【０００３】
ブリルアン散乱を利用したセンサは、光ファイバ自体の物性を測定に使うため特殊なセンサヘッドを必要とせず、光ファイバを敷設した範囲の全てをモニタできる利点がある。しかし、局所的な変位を高精度に計測することはできない。
【０００４】
ＦＢＧ型センサは、非常に高感度で、１０ｐｍの校正精度が可能といわれている。しかし、歪量を波長変化として測定するので、非常に高価であり、これが普及の妨げになっている。
【０００５】
曲げ損失型ファイバセンサは原理と構成が簡単であり、安価に製造できる。しかし、一般に感度が低く、局所的な微小変位の測定が難しく、用途が限られる。この方式によるセンサの感度は、変位に対して曲げ損失がどの程度起こるかによる。当然、小さな変位で大きな曲げ損失の起こるほうが、感度の良いセンサとなる。例えば、光ファイバのマイクロベンディングを利用した歪センサを、フランスのＯＳＭＯＳ社（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｏｓｍｏｓ-ｇｒｏｕｐ．ｃｏｍ／ｅｎｇ／ｉｎｄｅｘ．ｊｓｐ）が製品化している。同社のセンサは、光ファイバを三つ編みにした構造になっており、伸縮に伴いマイクロベンディング損失が変化するようになっている。三つ編みにしてあるセンサ部分の長さは０．１〜１０ｍが必要で、この長さ範囲の構造物の歪を測るのに適している。感度としては、３ｄＢの損失を生じさせるのに３．７ｍｍの変位を必要とする。
【０００６】
また、特許文献１及び特許文献２には、マクロベンディング（緩やかな曲げ）による損失を利用したセンサが開示されている。この方式では、コア径の異なる長さ２〜１０ｍｍのファイバをシングルモードファイバの途中に融着接続して、曲げ損失が大きくなるようにしてある。このセンサの感度として、曲げ半径２０ｍｍで１．５ｄＢの損失が起こることが特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開２００３−２１４９０６公報
【特許文献２】特許第３１８０９５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
曲げ損失型ファイバセンサの感度を向上すれば、安価に高性能なセンサを実現できる。
【０００８】
本発明は、検出感度の高い曲げ損失型の光ファイバセンサ及びセンサシステムを提示することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る光ファイバセンサは、部分的に細くなった括れ部を具備する光ファイバと、計測物理量に応じた曲げを当該括れ部に与える曲げ付勢手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係るセンサシステムは、計測物理量に応じて損失が変化する光ファイバセンサと、当該光ファイバセンサに供給すべき測定光を発生する発光手段と、当該光ファイバセンサで当該計測物理量による損失を受けた測定光を受光する受光手段と、当該受光手段の出力に従い当該計測物理量を示す情報を演算する演算手段を備えることを特徴とするセンサシステム。
【００１１】
本発明に係るセンサシステムは、計測物理量に応じて損失が変化する複数の光ファイバセンサと、当該複数の光ファイバセンサのそれぞれを透過した光を反射して当該光ファイバセンサに戻す複数の反射器と、測定光を発生する発光手段と、当該測定光を分割し、分割された各測定光を当該複数の光ファイバセンサのそれぞれに供給する光分波器と、当該反射器により当該各光ファイバセンサを往復した当該測定光を受光する受光手段と、当該受光手段の出力に従い、複数の光ファイバセンサにおける当該計測物理量を示す情報を演算する演算手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、検出感度が高くて安価な、変位、応力又は温度を計測する光ファイバセンサを実現できる。また、複数地点の物理量を一括して計測できるセンサシステムを簡易な構成で実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は、変位センサに適用した本発明の一実施例の概略構成を示す側面図、図２は、その平面図である。
【００１５】
本発明の一実施例である変位センサ１０は、光ファイバ１２の伝送損失の変化により変位を計測する。応力を変位に変換することで、応力も感知可能である。光ファイバ１２は、部分的に細くした括れ１２ａを具備する。括れ１２ａを挟むように、光ファイバ１２は、括れ１２ａの片側でベース１４の起立部１４ａに固定され、括れ１２ａの反対側で、ベース１４上に光ファイバ１２の軸方向に可動に設置されるスライダ１６に固定されている。スライダ１６は、ベース１４に固定されたストッパ１８，２０により、光ファイバ１２を切断しない程度に可動範囲を制限されている。
【００１６】
光ファイバ１２自体は、例えば、光ファイバ伝送用に使用される単一モード光ファイバからなる。括れ１２ａは、光ファイバ１２を局所加熱しながら、光ファイバ１２を引き伸ばすことで、簡単に製造できる。例えば、一般に市販されている融着装置を使用すればよい。括れ１２ａでは、光ファイバ１２の外径が徐々に細くなり、再び元の外径に戻れば良い。コア径も同様に変化しても良いが、同一径のままでもよい。後者の場合、無負荷時の損失を少なく維持できる。
【００１７】
スライダ１６には、光ファイバ１２の軸と平行なバネ心棒２２が、起立部１４ａに向かって固定されている。バネ心棒２２の他端は、起立部１４ａに穿った孔を遊嵌している。バネ心棒２２の長さは、スライダ１６の可動範囲で、バネ心棒２２が起立部１４ａの孔から外れない程度に設定されている。換言すると、バネ心棒２２は、スライダ１６を光ファイバ１２の軸方向に案内する案内手段とも言える。バネ心棒２２にはコイルバネ２４を巻き付けてある。コイルバネ２４は、常時、スライダ１６を起立部１４ａから離れる方向に付勢するが、その付勢力は、スライダ１６に変位が加わっていない状態（初期状態又は無負荷状態）で光ファイバ１２を直線状態に維持する程度のごく弱いものである。この初期状態では、スライダ１６は、ストッパ１８とストッパ２０の間で静止している。ストッパ２０は、センサ１０を持ち運ぶときなどにスライダ１６の移動を制限する、いわば移動時の安全用である。
【００１８】
本実施例では、熱膨張率の低い材料と、熱膨張率の高い材料を組み合わせることで、周囲温度の影響を低減又は補償する。具体的には、高熱膨張率の長い材料と、低熱膨張率の短い材料とを並置して、一端を相互に結合する。そして、高熱膨張率の材料の他端を感知対象物に接触又は固定し、低熱膨張率の材料の他端をセンサ１０のスライダ１６に接触又は固定するか、又は，逆に，低熱膨張率の材料の他端を感知対象物に接触又は固定し、高熱膨張率の材料の他端をセンサ１０のスライダ１６に接触又は固定する。高熱膨張率の材料と低熱膨張率の材料の長さを、それぞれの熱膨張率に応じて設定することで、感知対象物からセンサ１０のスライダ１６までの変位伝達部の温度依存性を無くすことができる。換言すると、低熱膨張率の長い材料の熱膨張を、高熱膨張率の短い材料の熱膨張で相殺する。
【００１９】
この温度補償のために、本実施例では、スライダ１６の上部に、光ファイバ１２の軸方向に長い溝２６ａを切った、高熱膨張率材料からなる受け台２６を、起立部１４ａに向かって突出するように固定する。伝達棒２８は低熱膨張率の材料からなり、図示しない感知対象物の応力又は変位に応じて、光ファイバ１２の軸方向に移動する。伝達棒２８の一端は受け台２６の溝２６ａ内に入れられ、伝達棒２８の端面が受け台２６に固定される。伝達棒２８の他端は、図示しない感知対象物に接触又は固定される。感知対象物の変位は、伝達棒２８及び受け台２６を介してスライダ１６に伝達される。先に説明したように、受け台２６は高熱膨張率の材料、例えばステンレスからなり、伝達棒２８は、低熱膨張率の材料、例えばＡＢＳ樹脂からなる。ステンレスの熱膨張係数は１．８×１０−５／°Ｃであり、ＡＢＳ樹脂の熱膨張係数は１０×１０−５／°Ｃであるので、伝達棒２８の長さと、受け台２６の伝達棒２８と接する端面とスライダ１６との間の距離の比を１００：１８とすることで、伝達棒２８と受け台２６からなる変位伝達部の、温度による位置変動を防止できる。
【００２０】
光ファイバ１２の一端には、レーザダイオード又は発光ダイオード等の発光素子３０が配置され、光ファイバ１２の他端には、フォトダイオード等の受光素子３２が配置される。発光素子３０は、連続又はパルス発光して測定光を出力する。発光素子３０は、出力パワー一定に制御されている。受光素子３２は、光ファイバ１２から出力される測定光を電気に変換する。演算装置３４は、受光素子３２の出力電流から変位又は応力に対する光ファイバ１２の損失を計測する。損失と伝達棒２６によりスライダ１６に印加される変位又は応力との関係を予め計測して、演算装置３４のメモリに格納してある。演算装置３４は、予め計測したこの関係と、光ファイバ１２の損失とから、伝達棒２８からの変位又は応力の値を決定する。
【００２１】
本実施例の動作を説明する。感知対象物からの変位（又は応力）が無い初期状態では、スライダ１６は、コイルバネ２４により、ストッパ１８とストッパ２０の間の位置で静止している。演算装置３４は、この時点での受光素子３２の出力電流値を無変位と解釈する。
【００２２】
感知対象物が変位すると、その変位が伝達棒２８及び受け台２６を介してスライダ１６に伝わり、スライダ１６をバネ２４に抗して起立部１４ａに向かって移動させる。スライダ１６の移動により、スライダ１６と起立部１４ａ間の光ファイバ１２が撓み、曲げ損失が発生し、全体の伝送損失が増加する。本実施例では、括れ１２ａがあることにより、ストレートの光ファイバの場合よりも、曲げ損失が顕著に増加する。スライダ１６の微小な移動であっても、受光素子３２に入射する光量が大幅に減少する。この結果、受光素子３２の出力電流も減少する。演算装置３４は、受光素子３２の出力電流値の変化から光ファイバ１２の損失を算出し、その損失を予め測定した関係に照合して、計測結果としての変位量を出力する。
【００２３】
本実施例で、曲げ損失の感度を高めている要因は２つある。括れ１２ａにおけるモードフィールド径（以下、ＭＦＤと称す）の拡大と、微小な曲率の曲げの発生である。
【００２４】
図３は、括れ１２ａの前後の電界強度分布の変化を示す。括れ１２ａでＭＦＤが最大になる。図３では、光ファイバ１２のコア３のみを図示してある。括れ１２ａでは、光の電界強度分布がクラッドに大きく入りこみ、曲げ損失が生じやすい状態となる。
【００２５】
図４は、一般的な単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）について、ファイバ外径とＭＦＤの関係を計算した結果である。コア径を８μｍ、ＮＡ（開口数）を０．１２、波長を１．５５μｍとした。横軸は、ファイバ外径を示し、縦軸は、ＭＦＤ（μｍ）とＭＦＤ／コア径を示す。曲げ損失は、ＭＦＤよりも、ＭＦＤ／コア径に強く依存する。図４からわかるように、ＭＦＤ／コア径は、ファイバ外径８０μｍ以下で急激に大きくなる。ファイバ外径６０μｍにおけるＭＦＤは、コア径の約６倍にもなる。従って、ファイバ外径８０μｍ以下で、効果的な曲げ損失が生じると予想できる。
【００２６】
コア径８μｍ、ＮＡ０．１２の同一の光ファイバに加熱引っ張りにより４種類の外径の括れを作って、効果を実験により確認した。図５は、その実験結果を示す。波長は、１．５５μｍで測定した。横軸は曲げ半径（ｍｍ）を示し、縦軸は曲げ損失（ｄＢ）を示す。括れ１２ａの外径は、１０１μｍ、７５μｍ、６５μｍ及び５６μｍの４つである。括れ１２ａの外径１０１μｍでは曲げ損失は殆ど生じないが、８０μｍ以下では効果的な曲げ損失が得られた。５６μｍでは、２０ｍｍの曲率半径で１２ｄＢもの大きな曲げ損失が得られた。括れ１２ａの生成により、コア径も小さくなっている可能性もある。
【００２７】
図５から、括れ１２ａの外径が小さくなるほど、曲げ半径に対して顕著に曲げ損失が増加することが分かる。括れ１２ａの外径を調節することにより、さまざまな感度をもつセンサを作ることが可能である。
【００２８】
曲げ損失型センサでは、効果的な曲げ損失を起こさせる必要がある一方、直線状態での損失が低いことが要求される。一般に、光ファイバを伝播する光のＭＦＤが変化すれば損失が変化し、ＭＦＤの変化が急激である程、損失の変化も大きくなる。この点、本実施例では、括れ１２ａの前後では、コア径が変化するにしても徐々に変化するので、ＭＦＤの変化も緩やかである。従って、直線状態又は無負荷状態では、損失を生じにくい。例えば、ＭＦＤがｄ１のファイバとｄ２のファイバの結合損失は、
Ｌｏｓｓ＝１０log（２ｄ１ｄ２／（ｄ１２＋ｄ２２））
で算出される。
【００２９】
図５で示した括れ１２ａの外径７５μｍ、６５μｍ及び５６μｍにおけるＭＦＤと、元の光ファイバ１２におけるＭＦＤを上式に当てはめると、損失は各々、-０．３３ｄＢ、−１．０８ｄＢ及び−２．６４ｄＢとなる。実測値はそれぞれ、−０．２１ｄＢ、−０．５７ｄＢｂ及び−１．１０ｄＢであり、ＭＦＤが徐々に変化する効果が認められる。このように、括れ１２ａを利用したセンサ１０は、曲げに対する曲げ損失の変化が大きいが、直線状態での損失が小さい。
【００３０】
上述したように、効果的な曲げ損失を生じさせるためのもう一つの要因は、微小な曲率の曲げである。図６（ａ）は、括れを設けていない光ファイバの直線状態を示し、図６（ｂ）は、縮み方向に外力をかけたときの変形の様子を示す。図７（ａ）は、括れ１２ａを設けた光ファイバ１２の直線状態を示し、同（ｂ）は、縮み方向に外力をかけたときの変形の様子を示す。
【００３１】
図６（ｂ）から分かるように、括れを設けていない場合、光ファイバがほぼ一様に曲がるので、曲率半径が大きい。これに対し、括れを設けた場合、括れの部分で曲率の大きい屈曲が生じるので、僅かな変位に対して大きな曲率半径、即ち大きな曲げ損失を得ることができる。
【００３２】
括れ１２ａにおける局所的な屈曲がどの程度起きるかは、起立部１４ａとスライダ１６との間の光ファイバ１２の長さに強く依存すると考えられる。この意味で、起立部１４ａとスライダ１６の光ファイバ１２が、センサ部となる。図８は、括れ１２ａの外径が７８μｍのファイバを使い、センサ部の長さに対する変位と曲げ損失の関係を調べた実験結果を示す。図８の横軸は変位（ｍｍ）を示し、縦軸は、曲げ損失（ｄＢ）を示す。図８から、センサ部の長さを変えることにより、様々な感度のセンサが得られることが分かる。
【００３３】
図８から、センサ部の長さ１０ｍｍで極度に感度が上がっているようにみえる。これを確かめるために、０．１ｍｍの変位で発生する曲げ損失をセンサ部の長さに対して計測した。図９は、その計測結果を示す。図９で、横軸はセンサ部の長さ（ｍｍ）を示し、縦軸は、曲げ損失（ｄＢ）を示す。図９から明らかなように、センサ部の長さが１０ｍｍで極端に感度が上がり、１００μｍの変位で４．７ｄＢもの大きな曲げ損失が発生している。通常のパワーメータの測定分解能０．０１ｄＢに相当する変位は０．２１μｍであり、図９は、本実施例によりこの程度の微細な測定分解能を得られることを示している。極端に曲げ損失が大きくなった理由は、括れ１２ａで起こる曲率の小さい屈曲がセンサ部の長さ１０ｍｍ以下で起こるためと考えられる。
【００３４】
以上、説明したように、本実施例により、極めて高感度な変位センサを実現できる。また、目的に応じてダイナミックレンジと測定感度を広範囲に調節できる。また、バネ２４の弾性定数を校正しておけば、そのまま圧力センサとして使用できる。また、応力を変位に変換して感知することで、応力センサを実現できる。
【００３５】
伝達棒２６でスライダ１６を押す代わりに、バネ心棒２２の、起立部１４ａ側の端部を、例えばテンションワイヤ等で、引っ張るようにしても良い。このような構成も、請求項にいう伝達部材となりうる。この観点では、本実施例は、張力センサとなりうる。
【００３６】
発光素子３０の出力光を光カップラで複数に分割することにより、複数のセンサ１０に同時に測定光を供給できる。即ち、複数地点の変位を同時に一括して測定できる。
【実施例２】
【００３７】
図１０は、温度センサとして使用される本発明の第２実施例の概略構成を示す側面図である。温度センサ１１０は、第１実施例と同様に、光ファイバ１１２の伝送損失の変化により温度を計測する。光ファイバ１１２は、部分的に細くした括れ１１２ａを具備する。括れ１１２ａを挟むように、光ファイバ１１２は、括れ１１２ａの片側でベース１１４の起立部１１４ａに軸方向に移動可能に保持され又は固定され、括れ１１２ａの反対側で、ベース１１４の別の起立部１１４ｂに軸方向に移動可能に保持され又は固定される。
【００３８】
ベース１１４上で括れ１１２ａと起立部１１４ａとの間にファイバ固定台１１６が置かれ、ファイバ固定台１１６はその一端面で起立部１１４ａに接着されている。同様に、ベース１１４上で括れ１１２ａと起立部１１４ｂとの間にファイバ固定台１１８が置かれ、ファイバ固定台１１８はその一端面で起立部１１４ｂに接着されている。光ファイバ１１２は、ファイバ固定台１１６，１１８に接する全面でファイバ固定台１１６，１１８に接着固定されている。
【００３９】
周囲温度により、ベース１１４に対して相対的にファイバ固定台１１６，１１８が伸長すると、光ファイバ１１２は、括れ１１２ａにおいて軸方向の収縮力をファイバ固定台１１６，１１８から受ける。逆に、周囲温度によりベース１１４に対して相対的にファイバ固定台１１６，１１８が収縮すると、光ファイバ１１２は、括れ１１２ａにおいて軸方向の引張り力をファイバ固定台１１６，１１８から受ける。ベース１１４とファイバ固定台１１６，１１８の熱膨張係数の差は大きいのが望ましい。例えば、熱膨張係数が１．１×１０−６／°Ｃのアンバー合金と、２３．６×１０−６／°Ｃのアルミニウムの組み合わせなどを選択できる。
【００４０】
光ファイバ１１２のセンサ部を保護するために、起立部１１４ａ，１１４ｂにわたる蓋１２０を被せる。蓋１２０は、ベース１１４と同じ素材からなる。
【００４１】
光ファイバ１１２の一端には、発光ダイオード等の発光素子１３０が配置され、光ファイバ１１２の他端には、フォトダイオード等の受光素子１３２が配置される。発光素子１３０は、連続又はパルス発光して、測定光を出力する。発光素子１３０は、出力パワー一定に制御されている。受光素子１３２は、光ファイバ１１２から出力される測定光を電気に変換する。演算装置１３４は、受光素子１３２の出力電流から光ファイバ１１２の損失を計測する。周囲温度と光ファイバ１１２の損失との関係を予め測定して、演算装置１３４のメモリに格納してある。演算装置１３４は、予め測定したこの関係と、受光素子１３２の出力電流から得られる損失とから、周囲温度を決定する。
【００４２】
ベース１１４をアンバー合金とし、ファイバ固定台１１６，１１８をアルミニウムとした場合の動作を説明する。起立部１１４ａ，１１４ｂ間の内寸を３ｃｍ，ファイバ固定台１１６，１１８の長さを１ｃｍ、ファイバ固定台１１６，１１８の間の間隔を１ｃｍとする。
【００４３】
この寸法条件でセンサ１１０の周囲温度を上昇させると、ファイバ固定台１１６，１１８と光ファイバ１１２の伸びが、括れ１１２ａに曲げを与えるように作用する。しかし、ベース１１４は、固定台１１６，１１８に比べて伸びが小さいので、固定台１１６，１１８に対して相対的に縮むように作用する。石英ファイバの熱膨張係数は５．５×１０−７／°Ｃである。従って、温度上昇により差し引き約０．４４μｍ／°Ｃの変位が発生する。この変位が光ファイバ１１２を括れ１１２ａの部分で屈曲させて、曲げ損失を増加させる。
【００４４】
曲げ損失の増加により、受光素子１３２の入射光量が減少する。演算装置１３４は、受光素子１３２の出力電流の減少に対応する温度を出力する。
【００４５】
図１０に示す構成の温度センサ１１０で実際に温度を計測した結果を図１１に示す。横軸は周囲温度（°Ｃ）を示し、縦軸は曲げ損失（ｄＢ）と曲げ損失（％）を示す。この実験では、ベース１１４を鉄、ファイバ固定台１１６，１１８を樹脂とした。これらの熱膨張係数の差による変位量は、約１．３μｍ／°Ｃである。センサ部の長さ、即ち、ファイバ固定台１１６，１１８間の距離は８ｍｍとした。
【００４６】
図１１に示すように、２０°Ｃの温度上昇（２６μｍの変位）に対して２．５５ｄＢ（４４．４％）の大きな曲げ損失を生じた。受光系の測定分解能０．０１ｄＢを考慮すると、これは、温度で０．０８°Ｃの分解能、変位では０．１μｍの分解能に相当し、極めて高感度である。
【００４７】
本実施例では、本質的に光ファイバ１１２に軸方向に圧縮力を作用させることによる曲げ損失の増加で、温度を計測する。上記実施例では、低熱膨張率の材料と高熱膨張率の材料を組み合わせることで、温度上昇で光ファイバ１１２に圧縮力を作用させることができ、かつまた、初期温度で光ファイバ１１２を無負荷状態にできる。
【００４８】
例えば、温度低下を測定する場合には、ファイバ固定台１１６，１１８を省略し、光ファイバ１１２をベース１１４の起立部１１４ａ，１１４ｂに固定しても良い。起立部１１４ａ，１１４ｂで光ファイバ１１２をベース１１４に固定せずに，括れ１１２ａとその周囲を除いて、ベース１１４を光ファイバ１１２に固着しても良い。この場合、ベース１１４の熱収縮により括れ１１２ａの部分で曲げが発生する。この曲げによる損失増加で温度低下を計測でき、初期温度で光ファイバ１１２を無負荷状態にできる。熱収縮による長さの変化が大きいほど、曲げ損失が大きくなり、温度検出感度が向上する。
【００４９】
発光素子１３０の出力光を光カップラで複数に分割することにより、複数のセンサ１１０に同時に測定光を供給できる。即ち、複数地点の温度を同時に一括して測定できる。
【実施例３】
【００５０】
上記実施例では、光ファイバ１２，１１２を透過する光量で光ファイバ１２，１１２の損失を測定したが、後方散乱光の光強度を測定することでも、光ファイバ１２，１１２の損失、特に、光ファイバ１２，１１２の括れ１２ａ，１１２ａの部分の損失を測定できる。これを利用すると、センサ１０，１１０をシリアルに配置して、複数箇所の変位又は温度を一括して測定できる。
【００５１】
図１２は、図１に示すセンサ１０を使って、複数箇所の変位等を一括して測定するシステムの実施例の概略構成図を示す。図１と同じ構成要素には同じ符号を付してある。
【００５２】
発光ダイオード等の発光素子４０は、パルス発光して測定光を出力する。その測定光は、光カップラ４２を介して光ファイバ１２に入力する。光ファイバ１２の光軸上には複数のセンサ１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，・・・が配置されている。各センサ１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、図１に示すセンサ１０と同じ構成からなる。各センサ１０ａ，１０ｂ，１０ｃの伝達棒２８の先端は、感知対象物に固定されている。
【００５３】
光ファイバ１２の後方散乱光は、その一部が光カップラ４２により分岐されて、受光素子４４に入射する。受光素子４４は、光カップラ４２からの後方散乱光を電気に変換する。公知のＯＴＤＲ（Optical Time DomainReflectmetry）技術に従い、受光素子３２の出力電流値の時間変化は、光ファイバ１２の軸方向での損失の変化を示す。演算装置４６は、受光素子３２の出力電流値の時間変化から各センサ１０ａ，１０ｂ，１０ｃの括れ１２ａにおける損失を決定する。そして、演算装置４６は、演算装置３４と同様に、決定された損失から、各センサ１０ａ，１０ｂ，１０ｃが感知した変位等を決定する。
【００５４】
このように、本実施例では、１本の光ファイバ１２上にシリアルにセンサ１０を配置することで、複数の点の変位等を一括して測定することができる。
【００５５】
図１２に示す構成は、図１０に示す温度センサ１１０にも適用可能である。即ち、１本の光ファイバ１１２上にシリアルに図１０に示す温度センサ１１０を配置することで、複数の点の温度を一括して測定できる。
【実施例４】
【００５６】
光ファイバ１２，１１２の一端に反射器を配置し、測定光がセンサ１０，１１０を往復するようにしてもよい。これにより、感度が２倍になる。
【００５７】
図１３は、そのように変更した実施例の概略構成ブロック図を示す。発光ダイオード等の発光素子５０は、連続又はパルス発光して測定光を出力する。その測定光は、光カップラ５２を介して光ファイバ１２に入力する。光ファイバ１２の上にはセンサ１０が配置されている。センサ１０の伝達棒２８の先端は、感知対象物に固定されている。
【００５８】
光ファイバ１２の反対端は、適当な反射率の反射器５８で終端されている。従って、センサ１０を減衰した測定光は、反射器５８で反射され、再度、センサ１０に入射する。センサ１０に再入射した測定光は、センサ１０で再度、減衰し、光カップラ５２に入射する。光カップラ５２は、センサ１０からの反射測定光の一部を受光素子５４に供給する。受光素子５４は、光カップラ５２からの測定光を電気に変換する。演算装置５６は、受光素子４４の出力電流によりセンサ１０からの反射測定光の強度変化を決定する。この強度変化が、光センサ１０における損失を示す。演算装置５６は、決定された損失からセンサ１０が感知した変位等を決定する。
【００５９】
このようにして、本実施例では、光の入出力を一本の光フアイバで行なえる。更には、測定光がセンサ１０を往復するので、感度が２倍になるという利点がある。
【００６０】
センサ１０の代わりに、図１０に示す温度センサ１１０を配置できることは明らかである。
【実施例５】
【００６１】
図１４は、図１３に示す実施例を発展させた実施例の概略構成ブロック図を示す。
【００６２】
発光ダイオード等の発光素子６０は、パルス発光して測定光を出力する。その測定光は、光カップラ６２を介して光ファイバ６４に入力する。光ファイバ６４上には、複数の２分岐の光分岐カップラ６６−１，６６−２，６６−３がシリアルに配置されている。各光分岐カップラ６６−１，６６−２，６６−３で分岐された測定光は、それぞれ、分岐光ファイバ１２−１，１２−２、１２−３，１２−４に入射する。分岐光ファイバ１２−１，１２−２、１２−３，１２−４上には、それぞれ、センサ１０−１，１０−２，１０−３，１０−４が配置されている。各センサ１０−１，１０−２，１０−３，１０−４は、図１に示すセンサ１０と同じ構成からなり、分岐光ファイバ１２−１，１２−２、１２−３，１２−４は、光ファイバ１２に対応する。各センサ１０−１〜１０−４の伝達棒２８の先端は、感知対象物に固定されている。
【００６３】
各分岐光ファイバ１２−１，１２−１，１２−３，１２−４の反対端は、適当な反射率の反射器６８−１，６８−２，６８−３，６８−４で終端されている。従って、各センサ１０−１〜１０−４を減衰した測定光は、反射器６８−１〜６８−４で反射され、再度、センサ１０−１〜１０−４に入射する。センサ１０−１〜１０−４に再入射した測定光は、センサ１０−１〜１０−４で再度、減衰し、光カップラ６６−１，６６−２，６６−３に入射する。光カップラ６６−１，６６−２，６６−３は、センサ１０−１〜１０−４からの各反射測定光を光ファイバ６４に供給する。各反射測定光は、光カップラ６２を介して受光素子７０に入射する。受光素子７０は、光カップラ６２からの反射測定光を電気に変換する。演算装置７２は、演算装置５６と同様に、受光素子７０の出力電流により各センサ１０−１〜１０−４からの反射測定光の強度変化を決定し、強度変化から損失を決定し、決定した損失から各センサ１０−１〜１０−４が感知した変位等を決定する。
【００６４】
発光素子６０から各センサ１０−１〜１０−４までの光ファイバ６４，１２−１〜１２−４を介した距離を互いに異なるようにしておき、予め測定しておく。演算装置７２は、発光素子６０からの測定光の光ファイバ６４への入射から、反射測定光の受光素子７０への入射までの時間から、各反射測定光がどの光センサ１０−１〜１０−４からのものかを識別できる。演算装置７２は、各センサ１０−１〜１０−４からの反射測定光の強度変化から、各センサ１０−１〜１０−４における損失を分離して測定でき、各センサ１０−１〜１０−４における変位を決定できる。演算装置７２には、ＯＴＤＲの測定技術を利用できる。
【００６５】
このようにして、本実施例では、光の入出力を一本の光フアイバで行なえる。更には、測定光がセンサ１０を往復するので、感度が２倍になるという利点がある。更には、複数の地点の変位等を一括して測定できる。
【００６６】
２分岐の光分岐カップラ６６−１〜６６−３をシリアルに接続することで、数ｋｍにわたる長距離の範囲の多地点を一括して測定できる。何れかの光ファイバセンサが故障しても、全部が使用不可になることはない。勿論、各光分岐カップラ６６−１〜６６−３の分岐比と反射器６８−１〜６８−４の反射率を適切に設定する。
【００６７】
センサ１０の代わりに、図１０に示す温度センサ１１０を配置できることは明らかである。
【００６８】
配置可能なセンサの数は、例えば、以下のように計算される。受光素子７０から見てｎ番目のセンサ１０−ｎからの反射測定光の損失は、光カップラ６２の分岐損、センサ１０−ｎにおける曲げ損、光分岐カップラ６６−１〜６６−ｎの往復損、及び、光ファイバ１２の往復損の和からなる。
【００６９】
光分岐カップラ６６−１〜６６−３の分岐比を９９：１、最大曲げ損を１０ｄＢ、ファイバ損失を０．２ｄＢ／ｋｍ、光ファイバ１２の距離５０ｍ、反射率調整ミラー６８−１〜６８−４の反射率を１００％とする。この場合、最大曲げ損失が起きた場合に、反射測定光の損失（ｄＢ）は、
−５０−０．１０７×（ｎ−１）
となる。発光素子６０のレーザ出力を０ｄＢｍ、受光素子７０の最低受光レベルを−６０ｄＢｍとすると、最低受光レベルを下回るのは９３番目のセンサである。マージンをみても、５０台以上のセンサを設置できる。受光側のダイナミックレンジが広ければ、さらに台数は増加する。
【００７０】
ＦＢＧ型センサで１ラインに配置可能なセンサ数は実質５〜６個であり、本システムの配置数は１桁以上多く、その分、センサあたりの単価を下げることができる。また、１ラインあたりのセンサの設置可能台数が多いので、敷設時には全ての光ファイバ１２−１〜１２−４にセンサを接続せず、必要に応じて随時、センサを増やすといった実用上の利便性もある。
【００７１】
この試算のように、光分岐カップラ６６−１〜６６−３の分岐比と反射器６６−１〜６６−４の反射率を固定すると、遠方から戻る光ほど弱くなるが、遠方にいくに従って、光分岐カップラ６６−１〜６６−３の分岐比又は反射器６６−１〜６６−４の反射率を調整すれば、各センサから同程度の強度の反射測定光が戻るようにすることもできる。
【００７２】
特定の説明用の実施例を参照して本発明を説明したが、特許請求の範囲に規定される本発明の技術的範囲を逸脱しないで、上述の実施例に種々の変更・修整を施しうることは、本発明の属する分野の技術者にとって自明であり、このような変更・修整も本発明の技術的範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の第１実施例の概略構成を示す側面図を示す。
【図２】第１実施例の平面図である。
【図３】括れ１２ａの前後の電界強度分布の変化を示す模式図である。
【図４】単一モード光ファイバ（ＳＭＦ）について、ファイバ外径とＭＦＤの関係の計算結果を示す図である。
【図５】括れ１２ａの効果を確認する実験結果を示すグラフである。
【図６】括れを設けていない光ファイバに縮み方向の外力をかけたときの変形の様子を示す模式図である。
【図７】光ファイバ１２に縮み方向の外力をかけたときの変形の様子を示す模式図である。
【図８】変位と曲げ損失の関係の実験結果である。
【図９】センサ部の長さと損失の関係の実験結果である。
【図１０】本発明の第２実施例の概略構成を示す側面図である。
【図１１】第２実施例による温度計測結果の一例である。
【図１２】図１に示すセンサ１０を使うセンサシステムの実施例の概略構成部ブロック図を示す。
【図１３】センサシステムの別の実施例の概略構成ブロック図である。
【図１４】センサシステムの更に別の実施例の概略構成ブロック図である。
【符号の説明】
【００７４】
１０：応力変位センサ
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ：センサ
１０−１，１０−２，１０−３，１０−４：センサ
１２，１２−１〜１２−４：光ファイバ
１２ａ：括れ
１４：ベース
１４ａ：起立部
１６：スライダ
１８，２０：ストッパ
２２：バネ心棒
２４：コイルバネ
２６：受け台
２６ａ：溝
２８：伝達棒
３０：発光素子
３２：受光素子
３４：演算装置
４０：発光素子
４２：光カップラ
４４：受光素子
４６：演算装置
５０：発光素子
５２：光カップラ
５４：受光素子
５６：演算装置
５８：反射器
６０：発光素子
６２：光カップラ
６４：光ファイバ
６６−１，６６−２，６６−３：光分岐カップラ
６８−１〜６８−４：反射器
７０：受光素子
７２：演算装置
１１０：温度センサ
１１２：光ファイバ
１１２ａ：括れ
１１４：ベース
１１４ａ，１１４ｂ：起立部
１１６，１１８：ファイバ固定台
１２０：蓋
１３０：発光素子
１３２：受光素子
１３４：演算装置
【図１】
2007024527.tif 000003
【図２】
2007024527.tif 000004
【図３】
2007024527.tif 000005
【図４】
2007024527.tif 000006
【図５】
2007024527.tif 000007
【図６】
2007024527.tif 000008
【図７】
2007024527.tif 000009
【図８】
2007024527.tif 000010
【図９】
2007024527.tif 000011
【図１０】
2007024527.tif 000012
【図１１】
2007024527.tif 000013
【図１２】
2007024527.tif 000014
【図１３】
2007024527.tif 000015
【図１４】
2007024527.tif 000016