JP4299839B2

JP4299839B2 - 光ファイバセンサー

Info

Publication number: JP4299839B2
Application number: JP2006019060A
Authority: JP
Inventors: 山本　　彰; 伸一二階堂; 宣悦山崎
Original assignee: Fujikura Ltd; Obayashi Corp
Current assignee: Fujikura Ltd; Obayashi Corp
Priority date: 2006-01-27
Filing date: 2006-01-27
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2021-07-17
Also published as: JP2006194891A

Description

本発明は、光伝達における位相差を利用した光ファイバセンサーに関する。

光ファイバは、光学ガラスで形成されたコアと呼ばれる芯材の外側にクラッドと呼ばれる被覆材が配置された二重構造であって、コアの方がクラッドにくらべて光の屈折率が高いため、一端から入射された光が屈折率の低いクラッドとの界面で全反射しながら、コア内を伝送していく性質を有しており、かかる性質を利用して、医療機器や照明のみならず、情報伝達のための通信ケーブルとして広く利用されている。

ここで、光ファイバの周囲に振動が生じたり軸ひずみが生じたりすると、光の伝搬位相に変化が生じることが知られており、かかる位相変化を例えば光ファイバリング干渉計を用いて検出すれば、上述した振動を検知する振動センサあるいはひずみセンサとして用いることができる。

特開平０８−３３９７１９号公報特開２０００−２２１３５６号公報

しかしながら、上述したように通信用光ファイバを用いて軸線方向のひずみを計測する技術も開発されてはいるが、かかる技術では、動的であれ静的であれ、光ファイバの軸線方向に直交する方向のひずみを検知することはできないという問題も生じていた。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、軸線方向に直交する方向のひずみを検知することが可能な光ファイバセンサーを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る光ファイバセンサーは請求項１に記載したように、線状部材の断面内に屈曲状中空空間を形成するとともに、該屈曲状中空空間の内周面に少なくとも所定の接触点にて接触するように光ファイバを前記屈曲状中空空間に挿入してなり、前記屈曲状中空空間を、局部的には曲がりくねった状態で全体としては前記線状部材の軸線に沿って設けられた中空空間とするとともに、前記線状部材を、その軸線方向に直交する方向成分を持つ動的又は静的な外力が作用したときに前記光ファイバに軸ひずみが生じるようにプラスチック系材料その他の弾性材料で形成し、前記屈曲状中空空間を螺旋状中空空間とし、該螺旋状中空空間の内周面に前記光ファイバを全長にわたり接触させるようにしたものである。

請求項１の発明に係る光ファイバセンサーにおいては、その軸線方向に直交する方向成分を持つ動的又は静的な外力が作用した場合、かかる動的又は静的な力は、屈曲状中空空間の内周面との接触点を介して光ファイバに作用する。

すなわち、光ファイバには、上述した接触点にて上述した外力と釣り合う反力が作用し、大きな曲率を持った曲げ変形、すなわち軸ひずみが生じることとなる。

線状部材は、その軸線方向に直交する方向成分を持つ動的又は静的な力が作用した場合に、該力が屈曲状中空空間の内周面と光ファイバとの接触点にて反力を生じ、その反力が光ファイバに作用するように、適度な弾性を有してさえいれば、どのような材料で形成するかは任意であり、例えばプラスチック系材料で形成することが考えられる。

屈曲状中空空間は、局部的には曲がりくねった状態で全体としては線状部材の軸線方向に沿って設けられた中空空間という意味であり、例えば同一平面内でのみ曲がりくねる、いわば蛇行状中空空間とすることも可能であるが、該屈曲状中空空間を螺旋状中空空間とし、該螺旋状中空空間の内周面に前記光ファイバを全長にわたり接触させるようにしたならば、光ファイバセンサーを敷設する際に方向性を考える必要がなくなり、施工が容易になる。

以下、本発明に係る光ファイバセンサーの実施の形態について、添付図面を参照して説明する。なお、従来技術と実質的に同一の部品等については同一の符号を付してその説明を省略する。

（第１参考形態）

図１は、第１参考形態に係る光ファイバセンサーを一部を断面で表示した側面図である。同図でわかるように、本参考形態に係る光ファイバセンサー１は、例えばプラスチック系材料で形成された可撓管２内に光ファイバ３を挿入するとともに、挿入された光ファイバ３を取り囲むように可撓管２内の中空残余空間に複数の粒状体４を充填してなる。

光ファイバ３は、一般的に使用されている通信用の光ファイバでかまわない。

複数の粒状体４は、光ファイバセンサー３の外側から作用する低周波振動又はその極限である静的な力によって自ら破砕して高周波音を含む破砕音を発生させ、又は互いに擦れ合うことで高周波音を発生することができるのであれば、その材質や表面の平滑状態は問わないが、例えば、ある程度表面を粗く仕上げられたさまざまな外径を有する複数の金属球や硬質プラスチック球で構成することが考えられる。

本参考形態に係る光ファイバセンサー１においては、該光ファイバセンサーの外側から数十Ｈｚ以下の周波数帯域の振動あるいはその極限として静的な力Ｐが図１のように作用した場合、その低周波振動又は静的な力Ｐが可撓管２を介して作用する。

このとき、複数の粒状体４は、自ら破砕して高周波音を含む破砕音を発生させるか、又は力Ｐと釣り合うように可撓管２内を個別に移動するとともにその際に粒状体４同士が複雑に擦れ合うことによってそれらの表面から高周波音が発生する。

そして、複数の粒状体４は、光ファイバ３を取り囲むように可撓管２内の中空残余空間に充填してあるため、上述した粒状体４からの高周波音は、光ファイバ３に伝達する。

低周波振動又は静的な力Ｐが作用したことを検知するには、例えば光ファイバリング干渉計を用いて光の干渉状態の変化を監視すればよい。

図２は、かかる光ファイバリング干渉計を示した図であり、該光ファイバリング干渉計３１は、光源であるレーザーダイオード３２と、カプラー３３を介して該レーザーダイオードに接続された光ファイバ３４ａ，３４ｂと該光ファイバの先端をつなぐ光遅延素子３５と、カプラー３３に接続されレーザーダイオード３２から光ファイバ３４ａ，３４ｂを経由して戻ってきた光を受光する受光素子であるフォトダイオード３６とからなり、光ファイバ３４ｂを本参考形態に係る光ファイバセンサー１で構成してある。

かかる光ファイバリング干渉計３１においては、レーザーダイオード３２から出射されたレーザー光をカプラ３３を介して分波して光ファイバ３４ａ及び光ファイバセンサー１内を２つの光路(a)及び(b)で別々に伝播させ、該光ファイバ及び光ファイバセンサーの先端に取り付けられた光遅延素子３５を経由して逆向きに戻ってきた２つのレーザー光をカプラ３３で合波した後、これをフォトダイオード３６で検出して光干渉状態を監視する。

このとき、上述した力Ｐが光ファイバセンサー１に作用すれば、上述した粒状体４の作用によって光ファイバ３に高周波振動が作用する。そして、２つの光路長に違いが生じ、一定であった光干渉状態に変化が起こるので、これを監視することで力Ｐが作用したことを知ることができる。

以上説明したように、本参考形態に係る光ファイバセンサー１によれば、可撓管２内に光ファイバ３を挿入するとともに、挿入された光ファイバ３を取り囲むように可撓管２内の中空残余空間に複数の粒状体４を充填したので、外力である低周波振動又は静的な力Ｐは、粒状体４の作用によって高周波振動に変換されるとともに、かかる高周波振動が光ファイバ３に作用する。

そのため、例えば光ファイバリング干渉計を用いれば、光ファイバセンサー１に外力として作用した低周波振動又は静的な力Ｐを高周波振動という形で検出することが可能となる。

本参考形態では特に言及しなかったが、参考発明の光ファイバセンサーは、上述したように低周波振動又は静的な力を検出することができるものであるが、高周波振動については、従前通り、光ファイバで直接検出することができることは言うまでもない。要するに、参考発明の光ファイバセンサーは、周波数帯域に関わらず、静的な力も含めて、外力が作用したことを検出することができる広帯域の振動センサであると言えよう。

また、本参考形態では、その用途について言及しなかったが、外力が作用したことを検出したい状況であれば、どのような部位にも使用することが可能である。

（第２参考形態）

次に、第２参考形態について説明する。なお、第１参考形態と実質的に同一の部品等については同一の符号を付してその説明を省略する。

図３は、本参考形態に係る光ファイバセンサーを一部を断面で表示した側面図である。同図でわかるように、本参考形態に係る光ファイバセンサー１１は、例えばプラスチック系材料で形成された可撓管２内に光ファイバ３を挿入するとともに、挿入された光ファイバ３を取り囲むように可撓管２内の中空残余空間に脆性材料１４を充填してなる。

脆性材料１４は、脆性破壊によって高周波の破砕音を発生するものであればどのような材料でもかまわないが、例えばモルタルやガラスで構成することが可能である。

本参考形態に係る光ファイバセンサー１１においては、該光ファイバセンサーの外側から数十Ｈｚ以下の周波数帯域の振動あるいはその極限として静的な力Ｐが図３のように作用した場合、可撓管２内に充填された脆性材料１４には、その低周波振動又は静的な力Ｐが可撓管２を介して作用する。

このとき、脆性材料１４は、力Ｐによって脆性破壊を生じるが、その際、高周波音を含む破砕音が発生する。

そして、脆性材料１４は、光ファイバ３を取り囲むように可撓管２内の中空残余空間に充填してあるため、脆性材料１４の脆性破壊によって生じた高周波振動は、光ファイバ３に伝達する。

低周波振動又は静的な力Ｐが作用したことを検知するには、第１参考形態と同様、例えば光ファイバリング干渉計３１を用いて光の干渉状態の変化を監視すればよい。

このとき、上述した力Ｐが光ファイバセンサー１に作用すれば、上述した脆性材料１４の作用によって光ファイバ３に高周波振動が作用する。そして、２つの光路長に違いが生じ、一定であった光干渉状態に変化が起こるので、これを監視することで力Ｐが作用したことを知ることができる。

以上説明したように、本参考形態に係る光ファイバセンサー１１によれば、可撓管２内に光ファイバ３を挿入するとともに、挿入された光ファイバ３を取り囲むように可撓管２内の中空残余空間に脆性材料１４を充填してあるので、外力である低周波振動又は静的な力Ｐは、脆性材料１４の作用によって高周波振動に変換されるとともに、かかる高周波振動が光ファイバ３に作用する。

そのため、例えば光ファイバリング干渉計を用いれば、光ファイバセンサー１１に外力として作用した低周波振動又は静的な力Ｐを高周波振動という形で検出することが可能となる。

本参考形態では特に言及しなかったが、本参考発明の光ファイバセンサーは、上述したように低周波振動又は静的な力を検出することができるものであるが、高周波振動については、従前通り、光ファイバで直接検出することができることは言うまでもない。要するに、本参考発明の光ファイバセンサーは、周波数帯域に関わらず、静的な力も含めて、外力が作用したことを検出することができる広帯域の振動センサであると言えよう。

また、本参考形態では、その用途について言及しなかったが、外力が作用したことを検出したい状況であれば、あらゆる状況あるいは部位で使用することが可能である。

（実施形態）

次に、実施形態について説明する。なお、第１、２参考形態と実質的に同一の部品等については同一の符号を付してその説明を省略する。

図４は、本実施形態に係る光ファイバセンサーを示した側面図である。同図でわかるように、本実施形態に係る光ファイバセンサー２１は、例えばプラスチック系材料で形成された線状部材２２の断面内に屈曲状中空空間としての螺旋状中空空間２３を形成するとともに、該螺旋状中空空間の内周面に全長にわたって接触するように光ファイバ３を螺旋状中空空間２３に挿入してある。

本実施形態に係る光ファイバセンサー２１においては、該光ファイバセンサーの外側から動的又は静的な力Ｐが図５のように図４のＣ−Ｃ断面位置に作用した場合、光ファイバ３には、図４のＡ−Ａ断面位置でＰ₁が、Ｅ−Ｅ断面位置でＰ₂がそれぞれ反力として作用する。

そのため、光ファイバ３には、Ａ−Ａ断面位置とＥ−Ｅ断面位置の間隔に応じた曲げ変形、ひいては軸方向ひずみが発生する。

動的又は又は静的な力Ｐが作用したことを検知するには、例えば光ファイバリング干渉計３１を用いて光の干渉状態の変化を監視すればよい。

このとき、上述した力Ｐが光ファイバセンサー１に曲げ変形を生じさせると同時に軸ひずみを生じさせるため、２つの光路長に違いが生じ、一定であった光干渉状態に変化が起こるので、これを監視することで力Ｐが作用したことを知ることができる。

以上説明したように、本実施形態に係る光ファイバセンサー２１によれば、線状部材２２の断面内に螺旋状中空空間２３を形成するとともに、該螺旋状中空空間の内周面に全長にわたって接触するように光ファイバ３を螺旋状中空空間２３に挿入したので、外力である静的又は静的な力Ｐは、光ファイバセンサー１に曲げ変形を生じさせると同時に軸ひずみを生じさせる。

そのため、例えば光ファイバリング干渉計を用いれば、光ファイバセンサー１１に外力として作用した動的又は静的な力Ｐを軸ひずみという形で検出することが可能となる。

すなわち、本実施形態に係る光ファイバセンサー２１は、軸線方向に直交する力Ｐが作用したとき、光ファイバ３に曲げ変形を生じさせることで軸線方向ひずみを同時に生じさせ、かくして軸線方向に直交する力Ｐを検出することができるという顕著な作用効果を奏するものであり、光ファイバの軸線方向に沿ったひずみや応力変化しか計測できなかった従来の技術に比べて、産業上、あらゆる用途に適用されることが期待される画期的な光ファイバセンサーであると言えよう。

また、本実施形態に係る光ファイバセンサー２１によれば、螺旋状中空空間２３を屈曲状中空空間としたので、光ファイバセンサー２１を敷設する際に方向性を考える必要がなくなり、施工が容易になる。

本実施形態では、その用途について言及しなかったが、外力が作用したことを検出したい状況であれば、あらゆる状況あるいは部位で使用することが可能である。

また、本実施形態では、線状部材２２の断面内に螺旋状中空空間２３を形成するとともに、該螺旋状中空空間の内周面に全長にわたって接触するように光ファイバ３を螺旋状中空空間２３に挿入することによって、光ファイバセンサー２１による外力検出方向を全方位としたが、これに代えて、屈曲状中空空間を蛇行状中空空間としてもよい。かかる場合には、光ファイバセンサーによる外力検知の方向が一方向に限定されるが、その点を除いては上述と同様の作用効果を奏する。

また、本実施形態では、光ファイバセンサー１をファイバリング干渉計で用いた例で説明したが、本実施形態及びその変形例に係る光ファイバセンサーは、上述した作用を利用することができる限り、あらゆる機器に利用できるものであり、例えばＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectmeter）に利用することができる。かかるＯＴＤＲは、レイリー散乱、すなわち光ファイバに入射した光パルスの波長と同じ波長の光が入射端側で後方散乱光として観測される現象を利用したものであり、かかる構成においては、軸線方向に直交する力Ｐが光ファイバセンサー２１に作用したとき、該作用点において光ファイバ３に曲げ変形が生じて伝送損失が発生する。そのため、力Ｐが作用したことがわかるのみならず、入射光パルスからその受光波までの時間差から力Ｐが作用した位置を知ることも可能となる。

第１実施形態に係る光ファイバセンサーの側面図。第１実施形態に係る光ファイバセンサーを利用したファイバリング干渉計を示した全体図。第２実施形態に係る光ファイバセンサーの側面図。第３実施形態に係る光ファイバセンサーの図であり、(a)は側面図、(b)は(a)のＡ−Ａ線及びＥ−Ｅ線に沿う横断面図、(c)はＢ−Ｂ線及びＤ−Ｄ線に沿う横断面図（Ｄ−Ｄ線に沿う断面図は対称）、(d)はＣ−Ｃ線に沿う横断面図。第３実施形態に係る光ファイバセンサーの作用を示した図。

符号の説明

１、１１、２１光ファイバセンサー
２可撓管
３光ファイバ
４粒状体
１４脆性材料
２２線状部材
２３螺旋状中空空間（屈曲状中空空間）

Claims

線状部材の断面内に屈曲状中空空間を形成するとともに、該屈曲状中空空間の内周面に少なくとも所定の接触点にて接触するように光ファイバを前記屈曲状中空空間に挿入してなり、前記屈曲状中空空間を、局部的には曲がりくねった状態で全体としては前記線状部材の軸線に沿って設けられた中空空間とするとともに、前記線状部材を、その軸線方向に直交する方向成分を持つ動的又は静的な外力が作用したときに前記光ファイバに軸ひずみが生じるようにプラスチック系材料その他の弾性材料で形成し、前記屈曲状中空空間を螺旋状中空空間とし、該螺旋状中空空間の内周面に前記光ファイバを全長にわたり接触させるようにしたことを特徴とする光ファイバセンサー。