JPH08219825A - 光ファイバセンサ及びその製造方法 - Google Patents
光ファイバセンサ及びその製造方法Info
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Abstract
バセンサを提供する。 【構成】 電気式ブロアヒーターを用いて、光ファイバ
素線部を曲げる。基板上にその光ファイバを固定するた
めの光ファイバ固定用溝を形成し、その光ファイバ固定
用溝に前記光ファイバを固定する。次に、光学素子挿入
用部を回転式ブレードソーを用いて形成する。その光学
素子挿入用部に偏光子、検光子、磁気光学結晶であるガ
ーネット結晶を挿入して、接着剤で固定して光ファイバ
センサを構成する。この結果、磁界方向に10mmの大
きさの小型の光ファイバセンサを量産性良く作製可能と
なる。
Description
流)、電界(電圧)、温度又は圧力等を光を利用して測
定する、光ファイバセンサ及びその製造方法に関するも
のである。
光通信技術の進歩に伴い、光ファイバセンサや集積化し
た光通信用光部品が、各所で実用化、あるいは実用化を
めざして研究開発されつつある。例えば、光ファイバセ
ンサは、高い絶縁性に加えて、雷等の電磁誘導ノイズに
強い等の優れた特性を有することから、電力用の光ファ
イバ電流センサ(磁気光学効果を利用)や光ファイバ電
圧センサ(電気光学効果を利用)が着実に実用化されつ
つある(例えば、National Technical ReportVol. 38,
No. 2 pp. 255-261(1992), A. H. Rose 他:Optics Let
ters, Vol. 18No. 17 pp. 147-1473(1993), 米国特許
5,202,629 等)。
磁気光学材料の開発も盛んになされている(例えば、O.
Kamada 他:Journal of Applied Physics Vol. 75 No.
10pp. 6801-6803(1994), R. Wolfe 他:Applied Physi
cs Letters Vol. 60 No. 17pp. 2048-2050(1992)等)。
えば、GaAs結晶の吸収量の温度変化を利用したものが提
案されている(K. Kyuma 他:IEEE Journal of Quantum
Electronics Vol. QE-18 No. 4 (1982))。
の導波路途中に各種光学素子を設置した光集積回路(例
えば、特開昭63−60410)や基板上の溝に光ファ
イバを埋め込んで所定の位置に回転式ブレードソーで溝
を形成し、光学素子を挿入した光通信用光部品(例え
ば、K. Siraishi 他: J. Lightwave Tech. Vol. 10No.
12 pp. 1839-1842(1992)、特開平3−63606)があ
げられる。
化、レンズの省略を目的として薄膜偏光子を用いた直線
状光ファイバセンサも検討されている(特開平6−24
2149号公報)。
うな従来の光ファイバセンサ、光部品または光集積回路
は、量産性に適さない構造であるという課題を有する。
即ち、図18に示す従来の光ファイバ磁界・電流センサ
の構造では、光ファイバ、レンズ、偏光子、磁気光学材
料(または電気光学材料)、検光子、ミラー、レンズ等
の光部品を光軸調整しながら、接着剤等を用いて固定・
組み立てを行わなければならず、この為、1台のセンサ
を組み立てるのに多くの時間を必要としていた。
それぞれ5mm角程度の大きさがあり、光ファイバセン
サが小さくならないという課題がある。
式温度センサでは(偏光子・検光子は不要となりその分
小型化が可能であるが)、上記課題に加えて、光学素子
は、垂直方向に非常に細長く、実用上使いにくいという
課題がある。
波路途中に溝を形成し、各種光学素子を挿入する光部品
では、各種光回路パターンを半導体プロセスと同様に、
一度に仕上げる事が可能なため、量産効果は非常に大き
い。しかしながら、光ファイバと光導波路の接続部での
光ロスが大きく、また光導波路作成の為の設備が高価に
なるという課題がある。
を埋め込み、その後に回転式ブレードソーを用いて溝を
形成して、各種光学素子を挿入する光通信用部品では、
光方式温度センサの場合と同様に、直線型の非常に細長
い光部品しか作成する事ができず、光学素子の垂直方向
の小型化が困難である。この結果、光ファイバセンサへ
の応用が難しいという課題がある。
埋め込むため、基板から光ファイバを取り出す部分(光
ファイバ入口近傍、光ファイバ出口近傍)で光ファイバ
が折れやすいという課題がある。
バセンサでは、光部品が小型になるため、光軸調整など
の組立に従来より著しく時間がかかるという課題があ
る。さらに、上記光ファイバ型温度センサや直線型通信
用部品と同様に、直線型の非常に細長い光部品しか作成
する事がでない。この結果、光ファイバ配線を考慮する
と、最低長さ40〜50mmと非常に細長い光ファイバ
センサとなってしまう。直線型の光ファイバセンサを光
方式電流(磁界センサ)に使用する場合、磁界を印加す
る方向と光ファイバの方向は同一である。図17に示す
ような光ファイバセンサシステムにおいて、例えば、こ
のような光ファイバセンサは、磁界を集める鉄心コアの
ギャップ中に配置する事ができず、実用上電線の回りに
配置しての使用が困難であるという課題がある。また、
直線状に非常に長い光ファイバセンサとなるため、光フ
ァイバセンサを収納するケースの大きさも限定されたも
のとなる課題がある。
は、所定の形状に曲げられた光ファイバと、前記光ファ
イバを固定する為の光ファイバ固定用溝を有する基板
と、前記光ファイバの所定の箇所に設けられた光学素子
挿入部に取り付けられた光学素子とを備えた光ファイバ
センサを用いる事である。または、被覆材が剥離された
光ファイバ素線部を有する光ファイバと、前記光ファイ
バ素線部又は前記光ファイバ素線部を含む光ファイバを
固定する為の光ファイバ固定用溝を有する基板と、前記
光ファイバ素線部の所定の箇所に設けられた切断部分で
ある光学素子挿入部に取り付けられた光学素子とを備
え、前記光ファイバ素線部は所定の形状に曲げられて、
光ファイバ素線屈曲部を形成している光ファイバセンサ
を用いる事である。
バ素線部が曲げられて形成している2つの光ファイバ素
線屈曲部により構成される、底部がフラットなU字型で
ある光ファイバセンサを用いる事である。また、望まし
くは、前記2つの光ファイバ素線屈曲部の各々の曲率半
径R(mm)が0.3≦R≦15mmであり、及び/又
は、前記2つの光ファイバ素線屈曲部の各々の光ロスの
大きさが5dB以下である光ファイバセンサを用いる事
である。または、前記2つの光ファイバ素線屈曲部の各
々の曲率半径R(mm)が0.3≦R≦15mmであ
り、及び/又は、前記2つの光ファイバ素線屈曲部の各
々の光ロスの大きさが5dB以下ある光ファイバセンサ
を用いる事である。
素線部が曲げられて形成している2つの光ファイバ素線
屈曲部により構成される、底部がフラットなU字型であ
り、その2つの光ファイバ素線屈曲部の各々について、
各光ファイバ素線屈曲部は、n(n=1,2,3)個の
約90/n度の屈曲角を有する光ファイバセンサを用い
る事である。
状に応じて、前記基板が有する光ファイバ固定用溝が丸
め加工されている光ファイバセンサを用いる事である。
記光ファイバ固定用溝の幅は、前記光学素子挿入部近傍
における前記光ファイバ固定用溝と同じ幅か又はそれよ
りも広い幅である光ファイバセンサを用いる事である。
さらに望ましくは、前記光学素子挿入部近傍を除いた前
記光ファイバ固定用溝の幅は、前記光ファイバの直径の
1.03〜5倍である光ファイバセンサを用いる事であ
る。
イバ素線又はプラスチック光ファイバ素線を用いて作ら
れた光ファイバセンサを用いる事である。
方向の幅Lg(mm)は前記光ファイバの開口数NAに
対して、0<NA×Lg≦0.55の関係を有する光フ
ァイバセンサを用いる事である。
又は金属・有機ポリマー混合物被覆が施されている光フ
ァイバセンサを用いる事である。さらに望ましくは、前
記金属被覆又は前記金属・有機ポリマー混合物被覆の金
属は、少なくともニッケル、銀、金、白金、銅又はアル
ミの内の1種類以上の金属を用いて作られている光ファ
イバセンサを用いる事である。
するガーネット結晶又は電気光学効果を有する誘電体結
晶若しくは液晶材料が用いられた光ファイバセンサを用
いる事である。また、前記光学素子に、主面が長方形で
ある偏光子及び/又は検光子が用いられた光ファイバセ
ンサを用いる事である。
ファイバを所定の形状に曲げ、前記光ファイバを固定す
る為の光ファイバ固定用溝を有する基板に、前記光ファ
イバを固定し、前記光ファイバの所定の部分に光学素子
挿入部を形成し、その光学素子挿入部に光学素子を取り
付ける方法を用いる事である。または、光ファイバにお
ける所定領域の被覆材を剥離し、その剥離された光ファ
イバ素線部を所定の形状に曲げ、前記光ファイバ素線部
又は前記光ファイバ素線部を含む光ファイバを固定する
為の光ファイバ固定用溝を有する基板に、前記光ファイ
バ素線部又は前記光ファイバ素線部を含む光ファイバを
固定し、前記光ファイバ素線部の所定の部分に光学素子
挿入部を形成するため、その所定の部分を切断し、その
切断された光学素子挿入部に光学素子を取り付ける方法
を用いる事である。
しては、軸付き砥石及びグラインダーを用いて、前記所
定の形状に応じて、前記光ファイバ固定用溝を丸め加工
することである。
しては、電気式ブロアヒーターを用いて、前記光ファイ
バ素線部を前記所定の形状に曲げる方法を用いる事であ
り、多成分系光ファイバ素線を用いて前記光ファイバを
作製し、温風の温度が450〜600℃である電気式ブ
ロアヒーターを用いて、その光ファイバの光ファイバ素
線部を前記所定の形状に曲げる製造方法を用いる事であ
る。または、プラスチック光ファイバ素線を用いて前記
光ファイバを作製し、温風の温度が80〜250℃であ
る電気式ブロアヒーターを用いて、その光ファイバの光
ファイバ素線部を前記所定の形状に曲げる製造方法を用
いる事である。
しては、前記光ファイバ素線部又は前記光ファイバ素線
部を含む光ファイバの固定に、少なくとも、セラミック
接着剤、ハンダ、低融点ガラス又は樹脂接着剤のうちの
1種類以上を用いることである。
めに、前記光ファイバ固定用溝の作製方法として、サン
ドブラストを用いるか、エッチングを用いることであ
る。また、金型成形方法を用いて、前記光ファイバ固定
用溝を有する前記基板を作製する光ファイバセンサの製
造方法を用いる事である。
て、加工速度が0.01〜1mm/secである回転式
ブレードソーを用いることであり、また、前記回転式ブ
レードソーに用いられる刃の砥粒の粒度が、#200〜
#4000である製造方法を用いることである。
マー混合物被覆を形成する方法として金属ペースト塗布
を用いる事であり、また、前記光ファイバ素線部に金属
被覆を形成する方法として少なくとも銀鏡反応、メッキ
又は蒸着の内の1種類以上を用いる事である。
より小型で量産性に優れた光ファイバセンサが作成可能
である理由を以下に説明する。
イバ固定用溝)は例えば回転式ブレードソーで大量に又
自動化して作成可能である。また、サンドブラストやエ
ッチングを用いる事により、光ファイバ固定用溝のパタ
ーニング形状を任意に設定する事が出来るので、屈曲構
造を有する複雑な溝も容易に形成可能となり好適であ
る。これら回転式ブレードソーやサンドブラスト装置、
エッチング装置は通常市販されているものでよく、製造
設備も安価なものとなる。基板上に設けられた光ファイ
バ固定用溝の交差部で光ファイバ素線屈曲部を固定する
溝を構成できる。さらに光ファイバ固定用溝の交差部を
軸付き砥石及びグラインダーで丸め加工することにより
光ファイバ素線部の曲げ半径を大きくした場合にも基板
への固定が可能となり好適である。(ここで、光ファイ
バ素線部とは光ファイバの被覆材を剥離した部分を、ま
た光ファイバ素線屈曲部とは光ファイバ素線を所定の形
状に曲げた部分である。)回転式ブレードソーを用いて
光ファイバ固定用溝を構成する場合、サンドブラストや
エッチング法を用いる場合より、溝パターンの任意性は
劣るが、溝幅の精度が良いので好適である。また、光フ
ァイバ固定用溝は、基板としてセラミック基板やエンジ
ニアリングプラスチック基板を用いた場合、量産性のよ
い金型成形で非常に量産性よく作成する事が可能であり
好適である。
溝に光ファイバ素線部を固定する。そして偏光子・検光
子や光変調用材料(磁気光学結晶や電気光学結晶、温度
により光吸収が変化するGaAs結晶など)等の光学素
子を光路の間に設置する。このために、光ファイバを基
板の一部と一緒に光ファイバ素線部を切断して光学素子
挿入用溝を作製し、光ファイバが切断された部分(光学
素子挿入部)に前記偏光子、検光子、磁気光学素子など
の光学素子を挿入して固定する。このとき、光学素子挿
入部を含む光学素子挿入用溝は、用いる光学素子の厚み
よりごくわずかに大きな幅で切断する。回転式ブレード
ソーを用いれば溝幅のばらつきを約10μm以下に抑え
る事が可能であり、従ってこの溝に光部品を挿入するの
みで、光学素子の傾きによるビームずれもほとんどな
く、その結果従来非常に時間がかかっていた光軸調整が
まったく不要となる。さらに使用する光学素子の有効ビ
ーム径も光ファイバ素線よりわずかに大きなものであれ
ばよく、光学素子(偏光子、検光子、磁気光学材料、電
気光学材料など)の小型化にも有効である。従って、本
発明では光部品の小型化と光軸無調整による製造方法の
簡素化を同時に実現することが可能となる。また本構成
による光ファイバセンサでは、基板上の光入射部近傍及
び光出射部近傍で光導波路と光ファイバとの結合部が無
いため、従来の光導波路部品で問題であった光導波路と
光ファイバとの結合光ロスは問題とならない。
する事により、光ファイバセンサの光学素子に垂直な方
向への長さを小さくする事が可能となる。光ファイバ素
線部の曲げ構造としては、光ファイバ素線部の所定の形
状が2つの光ファイバ素線屈曲部より構成された底部が
フラットなU字型形状とすることにより、光ファイバセ
ンサを小型にでき好適である。さらに、光ファイバセン
サを光ファイバ磁界・電流センサに応用した場合、磁界
をセンサヘッド部に集めるための鉄心コアのギャップ間
隔を小さくする事が可能となり、光ファイバセンサの高
感度化に非常に有効となる。鉄心コアギャップを小さく
する事により外部磁界の影響も低減する事が可能となり
センサの高精度化も同時に行う事ができる。光ファイバ
素線の曲げ半径は、作成する光ファイバセンサのサイズ
及びそれに許される光ロスの許容範囲で決まってくる。
光ファイバ素線屈曲部の曲げ半径R(mm)が0.3≦
R≦15mmで、また光ファイバ素線屈曲部光一箇所当
たりの光ロスの大きさ(光ロスの絶対値)が5dB以下
の時、光ファイバセンサ全体の光ロスの大きさを30d
B以下とする事が可能である。このとき、信号処理回路
にもよるが、光ファイバセンサシステムとしてセンサ信
号を処理する事が可能であり好適である。より望ましく
は光ファイバ素線屈曲部の曲げ半径Rが0.3≦R≦5
mmとする事により光ファイバセンサを小型にできるの
で好適である。またR<0.3mmでは光ファイバ素線
屈曲部の光ロスが大きくなったり、その屈曲部作成の再
現性が得られないので好ましくない。
用溝が交差する直線状溝で構成されている事により、基
板上の溝(光学素子固定用溝も含めて)をすべて回転式
ブレードソーで高精度な加工が可能となり好適である。
さらに、光ファイバ素線屈曲部の屈曲角度が約90/n
度(ここでn=1,2,3)とするか、光交差部を丸め
加工する事により光ファイバ素線屈曲部の曲げ半径を大
きくすることが可能となり、光ロスを小さくできるので
好適である。
光入射部近傍または光出射部近傍の少なくとも片方の部
分において、光ファイバ素線部が被覆材(光ファイバジ
ャケット等)で被覆された状態(光ファイバ心線状態)
で固定される事により、従来問題であった光ファイバ素
線の基板からの取り出し口(光ファイバ入口近傍及び光
ファイバ出口近傍)での折れを防止することが可能とな
り好適である。
幅が、光学素子近傍を除いた、少なくとも光入射部近
傍、光出射部近傍、光ファイバ素線屈曲部近傍のいずれ
かで、その光学素子近傍の溝幅より広くなっている事に
より、光ファイバ素線屈曲部を導入した光ファイバも溝
に固定することが可能となり好適である。さらにこの溝
幅の大きさは、光ファイバ素線の曲げ構造作成精度に依
存するが、少なくとも光入射部近傍、光出射部近傍、光
ファイバ素線屈曲部近傍のいずれかの溝幅が光ファイバ
心線の直径の1.03〜5倍であれば曲げ光ファイバを
前記溝に固定する事が可能となるので好適である。
射部近傍及び光出射部近傍で光導波路と光ファイバとの
結合部が無いため、従来の光導波路部品で問題であった
光導波路と光ファイバとの結合による光ロスが問題とは
ならない。
光ファイバを用いる事も可能であるが、多成分光ファイ
バやプラスチック光ファイバを用いる事により光ファイ
バの曲げ加工を比較的低温で行う事が可能となり好適で
ある。さらに、多成分系光ファイバやプラスチック光フ
ァイバはコアとクラッドの屈折率差を大きくすることが
出来、その結果石英系光ファイバに比べて大きな開口数
の光ファイバを利用可能である。またプラスチック光フ
ァイバは安価であるという特徴がある。
の火炎かアーク放電が使用されていたが、温度制御性に
優れる抵抗加熱型の電気式ブロアヒーターが好適であ
る。これは、特に石英系ファイバより軟化点の低い多成
分系光ファイバやプラスチック光ファイバの加工に好適
である。多成分系光ファイバ素線の場合は電気式ブロア
ヒーターの温風温度が多成分系ガラスの軟化点近くの4
50〜600℃であると再現性よく光ファイバ素線を曲
げ加工することが可能となり好適である。プラスチック
光ファイバ素線では、プラスチックファイバの軟化点近
くの80〜250℃の温風温度で加工すると再現性よく
光ファイバ素線を曲げ加工することが可能となり好適で
ある。
(光の進行方向に対して垂直な溝幅)Lg(mm)と光
ファイバの開口数NAがNA×Lg≦0.55なる関係
を満足するとき、光ロスの大きさを5dB以下にできる
ので好適である。さらにNA×Lgは光学素子挿入溝L
gを小さくする事により限りなく小さく出来るので正の
値であれば良く、従って0<NA×Lg≦0.55であ
れば良い。用いる光ファイバのパラメターは上記条件を
満たしていれば種々の光ファイバを利用出来る。
有する光ファイバを基板上の光ファイバ固定用溝への固
定方法としてセラミック接着剤、樹脂接着剤、半田、低
融点ガラスのいずれかを用いる事が出来る。樹脂接着剤
は比較的低温または室温で光ファイバ素線や光ファイバ
心線を固定出来るので好適である。また無機セラミック
を主成分とするセラミック接着剤は室温硬化も可能であ
り、さらにガラスとの密着がよい。またセラミック接着
剤の膨脹係数は樹脂接着剤のそれよりも小さく光ファイ
バ素線のガラスと同程度にすることが出来るので好適で
ある。ハンダや低融点ガラスは固定の為に樹脂接着剤よ
り高温にする必要があるが、固定の信頼性が高く好適で
ある。また、光ファイバ素線には接着強度の大きなセラ
ミック接着剤、低融点ガラス、ハンダのいずれかが、ま
たジャケットの基板への接着には有機物の接着性に優れ
る樹脂接着剤が併用されていていると、光ファイバの基
板への固定が強固で好適である。さらにこれらを組み合
わせて用いる事も可能である。
子挿入用部を含む光ファイバ挿入用溝形成に回転式ブレ
ードソーを用い、その回転式ブレードソーの刃の砥粒粒
度が#200〜#4000(平均の砥粒粒径60〜3μ
m)、また加工速度が0.01〜1mm/secの時、
光ファイバ切断面の面荒れが小さく、光散乱による光ロ
スが小さく好適である。これより大きな砥粒の刃を用い
たり、これより溝形成速度を増加させた場合、光ファイ
バ素線の切断面が荒れ、光散乱が大きくなるので好まし
くない。上記条件より細かな砥粒(番の大きな砥粒)の
刃を用いたり、また溝形成速度を小さくすることも可能
であるが、この場合生産性が低下するので好ましくな
い。
金属被覆、又は金属・有機ポリマー混合物被覆を施すこ
とにより、光ファイバ素線の曲げによりクラッドモード
に逃げた光も大気中あるいは接着層中に逃すことなく伝
搬させることが可能となる。この結果光ロスの大きさを
小さくする事が可能となり好適である。さらに金属皮膜
または金属・有機ポリマー混合物被覆の金属として少な
くともニッケル、銀、金、白金、銅、アルミの1種類以
上を含む金属を用いることにより、光ファイバ素線表面
の反射率が高くなり、さらに被覆が比較的空気中でも安
定で反射率の経時劣化がなく好適である。
混合物被覆作成方法としては、金属ペースト(特に銅ペ
ースト、銀ペースト、金ペースト)を塗布する事が好適
である。また、光ファイバ素線に金属被覆を作成する方
法としては、銀鏡反応、メッキ、蒸着が可能である。こ
の中でも銀鏡反応の利用は安価に、大量に光ファイバ素
線に金属膜を形成出来るので好適である。
能する光変調材料としては、外部場(電界、磁界、温
度、圧力等)に反応する材料であればいずれの材料でも
良い。特に磁気光学効果を有する材料としてはガーネッ
ト結晶(特に液相エピタキシャル法で作成したBi置換
型ガーネット)を、また電気光学効果を有する材料とし
ては液晶を用いる事により数μm〜数百μmの厚みで変
調素子を構成することが可能であり、光路中にそれらの
素子を配置しても光ロスがあまり大きくならないので好
適である。また電気光学効果を有する誘電体結晶を用い
た場合、結晶の厚みが増加し、光ファイバのギャップが
大きくなるため光ロスの大きさが増加するが、液晶材料
より信頼性が高いので好適である。
の主面(光が透過する面)が長方形である事により、偏
光子や検光子の透過光の偏光方向を外形形状で判断出来
るため、前記素子をガラス基板に固定する時に固定する
偏光方向を速やかに誤りなく決定出来るので好適であ
る。
ファイバ固定用溝を作成し、光ファイバ、光学素子等を
固定して、複数の光センサ部を作成した後、基板を切り
分ける事により、光ファイバセンサの製造効率を飛躍的
に高めることができるので好適である。
しつつ説明する。
力系統に適用した時のシステムの構成を示す図である。
ここで、電線170に流れる電流により発生した磁界が
鉄心コア171(材料は用途により異なる)により集め
られる。コアギャップに発生した磁界強度を光ファイバ
センサ(光磁界センサ)177を用いて測定する事によ
り、電線に流れる電流の大きさや位相を知る事ができ
る。鉄心コア171のギャップ中に発生する磁界の大き
さは、電線170に流れる電流の大きさが同一の場合で
も、ギャップ間隔が小さいほど大きくなる。図14に鉄
心コア(材質:珪素鋼)のギャップ間隔を種々変化させ
てコアギャップ中に発生する磁界を測定した結果を示
す。従来の光ファイバセンサヘッドをセットするために
はコアギャップ間が20mm前後必要であり、このギャ
ップを例えば10mmまで小さくできれば電流検出感度
は2倍、5mmまで小さくできれば4倍以上にする事が
可能となる。
バについて、光ファイバの曲げ半径R(mm)と光ロス
の関係を示す。光ファイバの曲げ角度はいずれもほぼ9
0度である。これより、光ファイバの開口数NA及び屈
曲部の曲げ半径Rは、0.3≦R≦15mmの範囲で光
ロスの大きさ(光ロスの絶対値)を約5dB以下とする
事が可能である(但し、NAが小さい場合ほど光ロスを
小さくするために大きな曲げ半径とする必要がある)。
信号処理回路の性能にもよるがここで用いた信号処理回
路では、光ファイバセンサの全光ロスの大きさが30d
B以下の時、センサ出力の信号処理が可能であった。偏
光子、検光子、磁気光学材料の合計光ロスの大きさが約
10dB、屈曲部2カ所の合計光ロスの大きさが10d
B以下、光ファイバ光路中に光ファイバ素線を切断し
て、光学素子挿入部を作製するための光学素子挿入用溝
(溝数1〜3)を設ける事による合計光ロスの大きさが
最大5dB(溝1個の場合)〜15dB(溝3個の場
合)、これらの光ロスの大きさの合計は最大25dB〜
35dBとなる。このとき光学素子挿入用溝(以後、本
発明における光学素子挿入部を含んだ溝のことを光学素
子挿入用溝という。)の数と溝幅及び屈曲部の曲げ半径
の大きさの選択により光ロスの大きさを30dB以下と
することが可能であった。さらに、光ファイバセンサを
小型化する必要から光ファイバの曲げ半径としては最大
15mm以下、より小型の光ファイバセンサが必要な場
合は5mm以下とした。また、R<0.3mmでは光フ
ァイバの加工が困難であり、光ファイバ素線を再現性よ
く曲げる事が困難であった。
に固定した各種NAの光ファイバを回転式ブレードソー
で切断して光学素子挿入用溝を作製し、その間に屈折率
マッチングオイル(屈折率1.5)を満たして、光ファ
イバのギャップによる光ロスを評価した結果を示す。こ
こで光学素子挿入用溝にマッチングオイルを満たすの
は、光ファイバ端面から出たビームの広がり角を素子を
挿入する場合と同一にするためである。また、ガーネッ
ト等の屈折率が1.5より大きな材料(ガーネット基板
の屈折率は1.9、Bi置換型ガーネット膜の屈折率は
2.2〜2.5)を挿入した場合は、ビーム広がり角は
より小さくなり光ロスは小さくなる傾向にある。この結
果より、光ファイバのNAと光学素子挿入溝の幅Lg
(光学素子挿入溝の光が進行する方向の幅と同じであ
り、その単位はmmである。)がNA×Lg≦0.55
の範囲で光ロスの大きさを約5dB以下に押さえる事が
可能となり、光ファイバセンサとして十分用いる事がで
きる。ここで、NA×Lgの値は光部品の厚みLgを薄
くすれば限りなく0に近づける事が可能であり、従っ
て、0<NA×Lg≦0.55であれば光学素子挿入溝
1個当たりの光ロスを5dB以下とすることが可能であ
った。上記条件を満足すれば他のパラメターはどのよう
な光ファイバを用いる事も可能であった。
の加工条件として、ここでは回転式ブレードソーの砥粒
の粒度が#200〜#4000(平均の砥粒粒径60〜
3.0μm)を、溝加工速度は0.01〜1mm/se
cを用いた。この範囲以外でも可能であるが、その場
合、光ファイバ素線の切断面の面荒れが大きくなり光散
乱ロスが大きくなったり、切断速度が小さくなりすぎて
実用上問題であった。
一個のセンサを作製した場合を示すが、複数個のセンサ
を同一基板上に作製する事も可能であった。
実施例による光ファイバセンサを示す図である。図2〜
図4はその製造方法を示す図である。まず図2を用いて
光ファイバ素線の曲げ方法を示す。最初に、図2(a)
の光ファイバ心線20から図2(b)のように光ファイ
バ心線表面のジャケット及び緩衝層等を取り除き、コア
及びクラッドからなる光ファイバ素線21とする(ただ
しこのとき、光ファイバクラッド表面に緩衝層の密着を
よくする表面処理剤等が付着していても良い)。次に、
図2(c)に示すように電気式ブロアヒーター(抵抗加
熱型)201を用い図のような角を所望の曲率半径に丸
めたステンレス製またはセラミック製の型202に沿わ
せて光ファイバを曲げる。このとき、通常の石英系光フ
ァイバでは、高温のガスバーナの火炎かまたはアーク放
電を用いていた。しかし、多成分光ファイバやプラスチ
ック光ファイバにはこれらの方法では温度が高すぎて、
光ファイバ素線が途中で溶断または燃焼してしまい、型
202に沿って曲げることが困難であった。そこで、温
風の温度を制御性よくコントロール出来る電気式ブロア
ヒーターを用た。多成分光ファイバ素線では450〜6
00℃、プラスチックファイバでは80〜250℃の軟
化点近傍の温度の熱風を用いて再現性よく光ファイバ素
線を曲げることが可能であった。以下に光ファイバの開
口数0.4、コア径200μm、ファイバ素線径250
μmの多成分光ファイバを用いた場合についてより詳細
に説明する。光ファイバ素線屈曲部26の曲げ半径R
は、曲げを作成する型202の曲率を調整することによ
り任意の値に設定することが可能であるが、光ロスと光
ファイバセンサの大きさとのかねあいから0.3〜15
mmの範囲が、より小型化するためには0.3〜5mm
の範囲で再現性よく光ファイバ素線を曲げることができ
た。光ファイバの曲率半径が0.3mmより小さい場合
は、光ロスの大きさが5dBを越え、しかも光ファイバ
を再現性よく曲げる事が困難であった。
一部を示す。基板の材質としてはここではガラスまたは
セラミックの基板を用いた。次に、回転式ブレードソー
を用いて光ファイバ固定用溝38を形成した。この場
合、光ファイバを切断することは無いので、溝形成速度
は1mm/sec以上の、また回転式ブレードソーの刃
の砥粒粒度を#200以下の(砥粒の粒径の大きな)物
を用いて、高速で加工することが可能である。この光フ
ァイバ固定用溝38を形成した基板に光ファイバ素線3
1を固定する。図4に光ファイバセンサの組立プロセス
全体を示す。図4(a)、(b)は図3に示した光ファ
イバ固定用溝を形成した基板に光ファイバを固定するま
でを示す図である。図4(b)に示すように、光ファイ
バを曲げ加工したことによる光ファイバの形状精度低下
を補償するためと、光ファイバ素線屈曲部46の曲げ半
径を大きくした場合でも光ファイバが光ファイバ固定用
溝48に固定出来るようにするため、光入射側及び光出
射側の光ファイバ固定用溝の幅を光ファイバ心線の1.
03〜5倍となるようにした。光ファイバ素線の基板へ
の固定には樹脂接着剤、セラミック接着剤、ハンダ、低
融点ガラスを用いて固定することが可能であった。通常
ガラスには直接ハンダ付け出来ないが、インジウムハン
ダと超音波ハンダゴテを用いるとハンダ付け可能であっ
た。また、これらの複数の接着剤を同時に用いる事も可
能であった。図4(c)に示すように光ファイバを基板
に固定した後、偏光子、検光子、磁気光学材料等の光学
素子を挿入するための光学素子挿入用溝47を形成す
る。このとき、回転式ブレードソーの刃は砥粒の粒度が
#200〜#4000のを用い、溝形成速度は0.01
〜1mm/secで行った。また光学素子挿入用溝の幅
Lgは0.51mmである。次に形成した光部品挿入用
47に溝にガラス偏光板からなる偏光子43、検光子4
5、及びガーネット結晶44を挿入した。また、ガーネ
ット結晶44としては(GdCa)3(MgZrGa)5
O12基板上にエピタキシャル成長させたBi置換型ガー
ネット膜(BiYGdLa)3(FeGa)5O12を用い
た。最後に樹脂接着剤でそれらを固定した。ここで各光
学素子の厚みはそれぞれ0.5mmである。また偏光子
の偏光面と検光子の偏光面は互いに45度傾くようにセ
ットしてある。
mmの時磁界方向の光ファイバセンサの基板幅を10m
mとする事が、また曲げ半径3〜5mmでは磁界方向の
基板幅を15mmとする事ができた。
イバセンサの磁界・電流センサとしての特性を示す。横
軸は交流電流による発生磁界であり、縦軸はセンサの変
調度(図5(a))及びその非誤差(図5(b))であ
る。
ある。
磁界範囲において±2%以下の、また30〜250(O
e)の範囲において±1%以下の非誤差特性が実現出来
た。さらに、この光ファイバセンサの温度特性は−20
〜80℃の温度範囲で±2%と良好であった。この時、
この光ファイバセンサの光ロスは、R=0.3mmの場
合−28dB、R=5mmの場合−23dBであった。
4、検光子45による光ロスが合計−10dBである。
偏光子・ガーネット結晶・検光子の光学素子挿入溝(溝
幅:Lg=0.51mm、3ヶ所)による光ロスが合計
約−9dB、そして曲げ半径が0.3mmのとき光ファ
イバ素線の屈曲部46による光ロスが2カ所で合計−3
dB、残りは屈曲部に接着剤を塗布したときに、クラッ
ドモードで伝搬する光が光ファイバ外に逃げてしまう為
の光ロス(約−6dB)であった。また曲げ半径が5m
mの場合、屈曲部における光ロスは2カ所で合計−1d
B、屈曲部に接着剤を塗布したときに、クラッドモード
で伝搬する光が光ファイバ外に逃げてしまう為の光ロス
が−3dBであり、他の部分の光ロスはR=0.3mm
の場合と同様であった。なお、本実施例の用いた信号処
理回路では−30dBの光ロスがある場合においても磁
界(電流値)の測定が可能であるが、SNの関係よりで
きるだけ小さな光ロスの大きさを実現する事が望ましか
った。
を図6を用いて説明する。光ファイバ素線の屈曲部66
を固定するための溝構造としては、光入力側、及び光出
力側の光ファイバ固定用溝68に対して45度傾けて溝
を形成する。これに図6に示すように45度の角度で片
側2ヶ所、合計で4ヶ所曲げた曲げ光ファイバをセット
し、固定する。ここで、光ファイバ素線の固定には、室
温硬化型セラミック接着剤(主成分Al2O3,SiO2
)を用いた。また接着強度をより大きくする場合は1
00℃前後の温度で熱処理を行った。次に実施例1と同
様に偏光子、検光子、ガーネット結晶を挿入するための
光学素子挿入用溝67を形成した。次に、偏光子63、
検光子65、ガーネット結晶64を挿入し、樹脂接着剤
を用いて固定した。接着剤としては屈折率が約1.5の
光硬化型接着剤を用いた。このとき、図のように回転式
ブレードソーを用いた直線状の光ファイバ固定溝68で
光ファイバの実効的な曲げ半径を大きくする事が出来
(光ファイバセンサは大きくなるが)光ファイバ屈曲部
の光ロスを小さくできる特徴がある。実効的な曲げ半径
が5〜15mmのとき光ファイバセンサの光ロスは−2
4〜−22dBであった。またこのセンサの変調度は
0.18%/Oeであり、また非誤差も実施例1とほぼ
同様であった。さらに、このとき磁界方向の光ファイバ
センサ基板の幅は、25mm(実効的曲げ半径5〜10
mm)または35mm(実効的な曲げ半径が10mm〜
15mm)であった。なお、ここでは光ファイバの曲げ
角度は1ヶ所に付き90/2、即ち45度であったが、
90/3、即ち30度の曲げを用いても同様に光ファイ
バセンサを作成可能であった。この時、片側3ヶ所で3
0度づつ合計で90度光路を曲げることができた。ま
た、n≧4では光ファイバ固定用溝を作成するために基
板の方向を何度も回転させる必要があり、その作業に非
常に時間を必要とした。
を用いて説明する。基板に光ファイバ固定用溝を形成す
るまでは図3と同様である。次に光ファイバ固定用溝の
交差する部分を軸付き砥石及びグラインダーを用いて丸
め加工を行った。この加工は例えば粒度#200の砥石
(平均粒径60μm以上)を用いる事が可能であり、一
カ所の加工に要する時間は30〜60秒と短時間であっ
た。この光ファイバ固定用溝の交差部の丸め加工によ
り、光ファイバ固定用溝幅をそれほど大きく広げなくと
も、大きな曲率半径(R=3〜15mm)をもった曲げ
ファイバを利用することが可能となり、光ファイバセン
サの光ロスを−25〜−21dBと小さくすることが可
能であった。
を図8を用いて説明する。光入射部近傍801、及び光
出射部近傍802の溝幅は、光ファイバ心線径の1.0
3〜5倍とした。曲げ半径は0.3〜5mmであった。
その他の構成は実施例1と同様である。この結果、光フ
ァイバジャケット部分も溝に固定された構造となり、基
板のファイバ入口近傍808や光ファイバ出口近傍80
9で光ファイバ素線が折れる事がなくなり、機械的強度
の大きな光ファイバセンサが実現出来た。
取り付けは、光ファイバジャケットまで接着強度の大き
な熱硬化型の樹脂系接着剤を用いた。このときの光ファ
イバセンサとしての特性は光ロス−27dB〜−24d
Bであった。外部磁界に対する光出力の変調度は0.1
7%/Oeで、かつ比誤差特性も実施例1と同様であっ
た。
を用いて説明する。光ファイバ素線はセラミック接着剤
を、またジャケット部の固定には樹脂接着剤を用いた。
偏光子93、検光子95は厚み0.2mmのガラス偏光
板を用い、またガーネット結晶94は基板側を0.4m
m研磨してBi置換型ガーネット膜と基板(研磨の残り
部分を含めて)の厚み合計が0.1mmとなるようにし
て作成した。次に偏光子と検光子の偏光面が互いに約4
5度傾くようにしその間にガーネット結晶94を挟み込
んで接着硬化した。これを素子挿入用溝97に挿入して
図9のような形で接着硬化した。このとき、光入射部近
傍901及び光出射部近傍902の溝幅は光ファイバ心
線の1.03倍〜1.5倍、屈曲部の曲げ半径は0.3
〜1.5mmとした。このとき、磁界方向の基板の幅は
5mm(基板サイズは25mm×5mm×1.5mm)
と小型化することが出来た。またこの光ファイバセンサ
の光ロスは−24〜−21dBであった。外部磁界に対
する光出力の変調度は0.17%/Oeで、かつ比誤差
特性も実施例1と同様であった。図17に示す電流セン
サシステムとしてこの光ファイバセンサを用いた場合、
磁界方向のセンサの幅が5mmと小さいので用いる鉄心
コア171のギャップを小さくする事ができ、電線17
0に流れる電流に対する感度は従来の光ファイバセンサ
の約4倍であった。また、実施例4と同様に光ファイバ
ジャッケトまで基板に固定したため機械的強度の大きな
小型の光ファイバセンサとなった。なお、ガーネット基
板を完全に取り除いてガーネット膜のみを用いた光ファ
イバセンサの特性も、基板をわずかに残した上記の場合
と同様の特性が得られた。
複数の光ファイバセンサを作成し、その後に基板を切り
離す事により、同時に多数個の光ファイバセンサを作成
する製造方法を図10、11を用いて説明する。図10
に示すように、回転式ブレードソーを用いてガラス基板
1009上に多数個(10個)用の光ファイバ固定用溝
1008を作成した。この場合、各々の基板に光ファイ
バ固定用溝を作成する場合にくらべて、一度大型の基板
を回転式ブレードソーのステージにセットするだけで、
後は自動的に加工出来るので著しく生産性を向上でき
る。次に、この基板を図11に示すように、屈曲部を有
する曲げ光ファイバ1100を接着固定する。基板への
曲げ光ファイバ1100の固定は熱硬化型樹脂接着剤を
用いるため10個分の光ファイバを1度に固定すること
が可能である。この後、光学素子固定用溝1107を作
成する。ここに実施例5と同様に偏光子1103、検光
子1105、そしてガーネット結晶1104を1セット
(厚み合計0.5mm)として接着固定する。これと同
様のものを光学素子挿入用溝の10ヶ所にそれぞれ接着
固定する。最後に点線部分で切断して、光ファイバセン
サ10個分を同時に完成する事ができた。以上の製造方
法を用いた結果、同一形状の光ファイバセンサを1個ず
つ合計10個作成する場合に比べて、作成時間を1/3
〜1/5に短縮することが可能であった。
に接着した後にこれを光学素子挿入用溝にセットした
が、実施例1〜3と同様に偏光子、検光子、及びガーネ
ット結晶をそれぞれ別の光学素子挿入用溝に配置して光
ファイバセンサを作成することも可能であった。
センサを作成した場合を示したが、それ以上(またはそ
れ以下)の個数の光ファイバセンサを作成することも可
能であった。また、光ファイバの取り出し方向は2方向
であるが、1方向のみから取り出す(1列に光ファイバ
センサを作成する)ことや4方向から取り出す(正方形
の基板の周回に光ファイバセンサを作成する)事も可能
であった。
トまたは金型成型により基板上の光ファイバ固定溝の形
成に用いた場合の具体的実施例を図12、13を用いて
説明する。ガラス基板上にビニール系フィルムテープ等
のサンドブラストにより削れない材料でマスクをする。
次に、光ファイバ(光ファイバ素線及び光ファイバ心
線)を固定するための溝パターン部分を切りとる。この
基板をサンドブラスト装置にかけて必要な深さ(100
〜1000μm程度)の溝を作製する。基板材料として
は、サンドブラストで削りやすい柔らかいガラスが良
く、パイレックスガラス、鉛ガラス、青板ガラス等を用
いる事が可能であった。またマスクパターンにより曲線
状の加工が可能となるため、回転式ブレードソーの場合
のように直線状溝の交差点で光ファイバを曲げる必要は
なく、光ファイバ素線の曲げ形状と同様の曲率ので溝を
加工出来る。図13は光入射部近傍1301及び光出射
部近傍1302で光ファイバジャケットまで固定できる
ように、光ファイバ固定用溝の幅を光ファイバ心線径よ
り太く設計した場合の例である。光ファイバを基板の光
ファイバ固定用溝に接着剤で固定する。光学素子挿入用
溝1207や1307の形成には回転式ブレードソーを
用いて作製し、その後の偏光子、検光子、ガーネット結
晶を挿入し、最後にこれら光学素子を樹脂接着剤を用い
て固定する。得られた光ファイバセンサの特性は磁界に
対する変調度、直線性とも実施例1と同様であった。
08は、予め大きなサイズのガラス基板に印刷で形成し
たマスクパターンを用いて作成可能であった。その後、
光ファイバセンサに必要な基板のサイズに切断して本発
明の光ファイバセンサ用基板として用いる事ができた。
また実施例6と同様に光ファイバセンサを切断前の大き
な基板に作成し、最後に切り離す事により複数個の光フ
ァイバセンサを同時に作成可能であった。
た場合について示す。セラミック基板、またはフィラー
をいれ膨脹係数を小さくし、かつ機械的強度を高めたエ
ンジニアリングプラスチック等を用いて、金型成型(セ
ラミック基板の場合は焼結過程を含む)で図12、13
と同様のパターンを持つ光ファイバセンサ用基板を作成
する事ができた。これらの基板に形成された光ファイバ
固定用溝に曲げ光ファイバを接着剤で固定する。その後
は実施例1と同様に光ファイバセンサを作成する事が可
能であった。また、一つの基板上に複数個の光ファイバ
作成用溝を作成し、実施例6と同様に同時に複数個の光
ファイバセンサを同時に作成することも可能であった。 (実施例8)以下にエッチングにより基板に光ファイバ
固定用溝を作成する光ファイバセンサの製造方法を図1
3を用いて説明する。BK7ガラス基板に図13に示す
(実施例7と同様の形状の)光ファイバ固定用溝を形成
する。まず、レジストをスピンコート法によりBK7ガ
ラス基板に塗布した後、仮乾燥させる。次に図13に示
す光ファイバ固定用溝を形成するためのパターンを露光
する。この基板を本乾燥後続いて現像する。パターンだ
しが出来たBK7ガラス基板をフッ酸系エッチング液を
用いて5〜15分エッチングすることにより深さ100
〜数百μmの深さの溝を形成することが出来る。この方
法は溝寸法精度はそれほどあがらないものの、同時に多
数枚の基板をエッチングすることにより量産性に優れ、
サンドブラストや回転式ブレードソーを用る場合より2
〜10倍のスピードで光ファイバ用基板を作成可能であ
った。この基板上に作製された光ファイバ固定用溝に曲
げ光ファイバを接着固定し、回転式ブレードソーを用い
て光ファイバ挿入用溝を形成した。ここに偏光子、検光
子、ガーネット結晶を挿入、固定し光ファイバセンサを
作成した。この光ファイバセンサは、実施例1と同様の
特性を示した。 (実施例9)以下に、プラスチック光ファイバを用いた
具体的実施例について述べる。ここで使用したプラスチ
ック光ファイバはNA=0.5、コア径230μm、フ
ァイバ素線径250μmである。光ファイバ素線の曲げ
部を作成するための電気式ブロアヒーターの温風として
は80〜250℃の温風を用い、光ファイバ素線の曲げ
半径は2mmとした。光ファイバの基板への固定は、室
温硬化型樹脂接着剤を用いた。センサの構成は実施例1
及び図1とほぼ同様である。また、このセンサの磁界に
対する変調度、非誤差特性は実施例1と同様であり、光
ロスは−26dBであった。 (実施例10)本発明の光ファイバセンサの電界・電圧
センサへの適用の具体的実施例について示す。センサの
構成は図1とほぼ同様である。ただし、偏光子と検光子
の偏光面は平行である。またガーネット結晶14の代わ
りに、1/4波長板(水晶製で厚み約27μm)とLi
NbO3 結晶(厚み2mm)を接着剤を用いて張り合わ
せて光学素子挿入溝に固定した。ここで、回転式ブレー
ドソーで幅2mmの幅の広い溝を一度に形成する事が困
難であったので、刃の厚み1mm、砥粒の粒度#40
0、溝形成速度0.1mm/secで2回に分けて行っ
た。このとき形成された溝幅は回転式ブレードソーの刃
のぶれにより2.05mmであった。LiNbO3 結晶
に蒸着した電極から取り出したリード線は、センサ基板
上の電極にハンダで固定した。
8dBであった。またこのセンサの電極間に100Vの
電圧をかけた時の変調度は1.1%であった。 (実施例11)本発明の液晶材料を用いた光ファイバセ
ンサの電界・電圧センサへの適用について示す。センサ
の構成は実施例10とほぼ同様である。偏光子と検光子
の偏光面は平行であり、1/4波長板と液晶セル(厚み
0.4mm)を張り合わせて光学素子挿入溝に固定し
た。また液晶セルからでたリード線は一度センサ基板上
に蒸着した金電極にハンダで固定した。
4dBであった。また、このセンサの電極間に5Vの電
圧をかけた時の変調度は57%であり、これは実施例1
0の無機バルク結晶(LiNbO3 )を用いたセンサの
約百倍の感度の大きさであった。なお、実施例10に比
べて光ロスがあまり小さくならないのは、液晶セルの光
ロスが大きいためであると考えられる。 (実施例12−19)つぎに、光ファイバ素線の屈曲部
での光ロス低減のため光ファイバ素線部に金属被覆また
は金属・有機ポリマー混合物被覆を施して、光ファイバ
センサの光ロスを測定した具体適実施例を(表1)に示
す。
ア径200μm、ファイバ素線系250μm、NA=
0.4の多成分系光ファイバで、曲げ半径は約0.5〜
1mmで実施例5と同様の光ファイバセンサを構成して
その光ロスを評価した。
は、光ロスの低減効果が大きく、また非常に作業が簡単
であるという優れた特性を示す。また、銀鏡反応を用い
た方法は、光ファイバの前洗浄工程が簡単であり、その
結果作業全体が比較的簡単であり、さらに光ロスの低減
効果も大きかった。無電解メッキはメッキ作業は簡単で
あるが、前処理が多少複雑であった。また、無電解メッ
キのみでは十分な厚みのコーティングを施せない場合が
あり、この場合はこれに続いて電解メッキが必要であ
り、作業は複雑なものであった。蒸着による金属コーテ
ィングは平板では容易であるが、曲げのある光ファイバ
では真空中で光ファイバを回転するか、一度真空チャン
バから光ファイバを取り出しその方向を変更し再度蒸着
する事が必要であり非常に複雑であった。しかし、電解
メッキや蒸着においても良好な光ロス低減効果が得られ
た。
イバ素線に金属被覆または金属・有機ポリマー混合物被
覆を施すことが光ロス低減に有効である。
板上にエピタキシャル成長したBi置換型ガーネット結
晶を用いたが、他の磁気光学材料を用いてもよい。
μm、NA=0.4の多成分光ファイバやコア系230
μm、NA=0.5のプラスチック光ファイバを用いた
例を示したが、他のパラメータの光ファイバを用いる事
も可能であった。
しての例を示したが、本光ファイバセンサに外部磁界・
電流、または外部電界・電圧を強制的に印加して、光変
調器や光スイッチとして応用することも可能であった。
また光変調材料として光弾性材料や温度により光吸収量
の変化する材料を用いれば、光ファイバ温度センサや光
ファイバ圧力センサなど、他の被測定量をセンシングす
る光ファイバセンサを作成することが出来る。
では、従来の光ファイバセンサに必要であったレンズ、
レンズホルダー及び全反射ミラー等の光学素子が不要と
なる効果を有する。
にすべての光学素子を配置する為、光軸調整が不要とな
る効果を有する。
来より小型で安価な光学素子を取り付けることができる
長所を有する。
ブレードソー、サンドブラスト、エッチング、または金
型成形を用いて、比較的容易に形成することができる長
所を有する。
に、複数の光ファイバセンサ用パターンを作成し、その
上に光ファイバを固定し、光学素子を取り付けた後、基
板を切り離す事により複数の光ファイバセンサを製造す
るという生産性の高い生産が可能となる。
とにより、光軸方向の大きさを小さくすることが可能と
なり、この光ファイバセンサを光ファイバ電流センサと
して鉄心コアギャップ中で使用した場合、そのギャップ
を従来より小さくすることができ、高感度でかつ外部磁
界の影響の少ない光ファイバセンサを実現できる効果を
有する また、本発明では、光ファイバ素線部に金属または金属
・有機ポリマー混合物被覆を形成することにより、光フ
ァイバセンサの光ロスを小さくすることができ、SNの
良い光ファイバセンサを実現することができる効果を有
する。
素線部を含む光ファイバが固定されるため、光ファイバ
の基板からの取り出し口での折れが発生しにくく、機械
的強度の大きな光ファイバセンサを実現できる長所を有
する。
抗加熱型の電気式ブロアヒーターを用いることにより、
従来困難であった多成分系光ファイバやプラスチック光
ファイバを再現性よく曲げることが可能となる。
板への接着には、接着強度の大きなセラミック接着剤、
低融点ガラス又はハンダのいずれかが使用され、また、
光ファイバ心線部の基板への接着には、有機物の接着性
に優れる樹脂接着剤が併用されている事により、光ファ
イバの基板への固定を強固にすることができ、その結
果、信頼性の高い光ファイバセンサを作成することが可
能となる。
の構成図
す図
部を示す図
体を示す図
ンサの印加磁界に対する出力特性と比誤差特性を示す図
の構成図
の構成図
の構成図
の構成図
サの基板を示す図
サの製造過程を示す図
サの構成図
サの構成図
珪素鋼)のギャップ間隔とギャップ中に発生する磁界強
度の関係を示す図
ァイバ素線の曲げ半径と光ロスの関係を示す図
の大きさの光学素子挿入溝を形成し、その溝にマッチン
グ液を満たした時の、光学素子挿入溝の幅と光ロスの関
係を示す図
した場合の構成例を示す図
ファイバ心線 11、21、31 光ファイバ素線 13、43、63、73、83、93、183、110
3、1203、1303 偏光子 14、44、64、74、84、94、184、110
4、1204、1304、ガーネッ ト結晶 15、45、65、75、85、95、185、110
5、1205、1305 検光子 16、26、36、46、66、76、86、96、1
206、1306 光ファイバ素線屈曲部 17、47、67、77、87、97、1107、12
07、1307 光学素子挿入用溝 18、38、48、68、78、88、98、100
8、1208、1308光ファイバ固定用溝 79 まるめ加工部 201 電気式ブロアヒーター 182、レンズ 186 全反射ミラー 181 レンズホルダー 182 フェルール 170 電線 171 鉄心コア 175 電源部 176 光ファイバ 177 光ファイバセンサ(光磁界センサ) 178 光検出部 179 信号処理部 801、901、1301 光入射部近傍 802、902、1302 光出射部近傍 808 光ファイバ入口近傍 809 光ファイバ出口近傍 39、49、1009、1109 基板
Claims (31)
- 【請求項1】 所定の形状に曲げられた光ファイバと、 前記光ファイバを固定する為の光ファイバ固定用溝を有
する基板と、 前記光ファイバの所定の箇所に設けられた光学素子挿入
部に取り付けられた光学素子とを備えたことを特徴とす
る光ファイバセンサ。 - 【請求項2】 被覆材の無い光ファイバ素線部を有する
光ファイバと、 前記光ファイバ素線部又は前記光ファイバ素線部を含む
光ファイバを固定する為の光ファイバ固定用溝を有する
基板と、 前記光ファイバ素線部の所定の箇所に設けられた切断部
分である光学素子挿入部に取り付けられた光学素子とを
備え、 前記光ファイバ素線部は、所定の形状に曲げられて光フ
ァイバ素線屈曲部を形成していることを特徴とする光フ
ァイバセンサ。 - 【請求項3】 前記所定の形状とは、前記光ファイバ素
線部が曲げられて形成している2つの光ファイバ素線屈
曲部により構成される、底部がフラットなU字型である
ことを特徴とする請求項2記載の光ファイバセンサ。 - 【請求項4】 前記2つの光ファイバ素線屈曲部の各々
の曲率半径R(mm)は、0.3≦R≦15mmである
ことを特徴とする請求項3記載の光ファイバセンサ。 - 【請求項5】 前記2つの光ファイバ素線屈曲部の各々
の曲率半径R(mm)は、0.3≦R≦5mmであるこ
とを特徴とする請求項3記載の光ファイバセンサ。 - 【請求項6】 前記2つの光ファイバ素線屈曲部の各々
の光ロスの大きさは、5dB以下であることを特徴とす
る請求項4又は5記載の光ファイバセンサ。 - 【請求項7】 前記2つの光ファイバ素線屈曲部の各々
について、各光ファイバ素線屈曲部は、n(n=1,
2,3)個の約90/n度の屈曲角を有することを特徴
とする請求項3記載の光ファイバセンサ。 - 【請求項8】 前記所定の形状に応じて、前記光ファイ
バ固定用溝が丸め加工されていることを特徴とする請求
項1又は2記載の光ファイバセンサ。 - 【請求項9】 前記光学素子挿入部近傍を除いた前記光
ファイバ固定用溝の幅は、前記光学素子挿入部近傍にお
ける前記光ファイバ固定用溝と同じ幅か又はそれよりも
広い幅であることを特徴とする請求項1または2記載の
光ファイバセンサ。 - 【請求項10】 前記光学素子挿入部近傍を除いた前記
光ファイバ固定用溝の幅は、前記光ファイバの直径の
1.03〜5倍であることを特徴とする請求項1又は2
記載の光ファイバセンサ。 - 【請求項11】 前記光ファイバは、多成分系光ファイ
バ素線又はプラスチック光ファイバ素線を用いて作られ
たことを特徴とする請求項1又は2記載の光ファイバセ
ンサ。 - 【請求項12】 前記光学素子挿入部の光が進行する方
向の幅Lg(mm)は前記光ファイバの開口数NAに対
して、0<NA×Lg≦0.55の関係を有することを
特徴とする請求項1又は2記載の光ファイバセンサ。 - 【請求項13】 前記光ファイバ素線部は、金属被覆又
は金属・有機ポリマー混合物被覆が施されていることを
特徴とする請求項2記載の光ファイバセンサ。 - 【請求項14】 前記金属被覆又は前記金属・有機ポリ
マー混合物被覆の金属は、少なくともニッケル、銀、
金、白金、銅又はアルミの内の1種類以上の金属を用い
て作られていることを特徴とする請求項13記載の光フ
ァイバセンサ。 - 【請求項15】 前記光学素子に、磁気光学効果を有す
るガーネット結晶を用いることを特徴とする請求項1又
は2記載の光ファイバセンサ。 - 【請求項16】 前記光学素子に、電気光学効果を有す
る誘電体結晶又は液晶材料を用いることを特徴とする請
求項1又は2記載の光ファイバセンサ。 - 【請求項17】 前記光学素子に、主面が長方形である
偏光子及び/又は検光子を用いることを特徴とする請求
項1又は2記載の光ファイバセンサ。 - 【請求項18】 光ファイバを所定の形状に曲げ、 前記光ファイバを固定する為の光ファイバ固定用溝を有
する基板に、前記光ファイバを固定し、 前記光ファイバの所定の部分に光学素子挿入部を形成
し、 その光学素子挿入部に光学素子を取り付けることを特徴
とする光ファイバセンサの製造方法。 - 【請求項19】 被覆材の無い光ファイバ素線部を有す
る光ファイバを所定の形状に曲げ、 前記光ファイバ素線部又は前記光ファイバ素線部を含む
光ファイバを固定する為の光ファイバ固定用溝を有する
基板に、前記光ファイバ素線部又は前記光ファイバ素線
部を含む光ファイバを固定し、 前記光ファイバ素線部の所定の部分に光学素子挿入部を
形成するため、その所定の部分を切断し、 その切断された光学素子挿入部に光学素子を取り付ける
ことを特徴とする光ファイバセンサの製造方法。 - 【請求項20】 軸付き砥石及びグラインダーを用い
て、前記所定の形状に応じて、前記光ファイバ固定用溝
を丸め加工することを特徴とする請求項18又は19記
載の光ファイバセンサの製造方法。 - 【請求項21】 電気式ブロアヒーターを用いて、前記
光ファイバ素線部を前記所定の形状に曲げることを特徴
とする請求項19記載の光ファイバセンサの製造方法。 - 【請求項22】 多成分系光ファイバ素線を用いて前記
光ファイバを作製し、 温風の温度が450〜600℃である電気式ブロアヒー
ターを用いて、その光ファイバの光ファイバ素線部を前
記所定の形状に曲げることを特徴とする請求項19記載
の光ファイバセンサの製造方法。 - 【請求項23】 プラスチック光ファイバ素線を用いて
前記光ファイバを作製し、 温風の温度が80〜250℃である電気式ブロアヒータ
ーを用いて、その光ファイバの光ファイバ素線部を前記
所定の形状に曲げることを特徴とする請求項19記載の
光ファイバセンサの製造方法。 - 【請求項24】 前記固定には、少なくともセラミック
接着剤、ハンダ、低融点ガラス又は樹脂接着剤のうちの
1種類以上が用いられることを特徴とする請求項18又
は19記載の光ファイバセンサの製造方法。 - 【請求項25】 サンドブラストを用いて、前記光ファ
イバ固定用溝を形成することを特徴とする請求項18又
は19記載の光ファイバセンサの製造方法。 - 【請求項26】 金型成形方法を用いて、前記光ファイ
バ固定用溝を有する前記基板を作製することを特徴とす
る請求項18又は19記載の光ファイバセンサの製造方
法。 - 【請求項27】 エッチングを用いて、前記光ファイバ
固定用溝を形成することを特徴とする請求項18又は1
9記載の光ファイバセンサの製造方法。 - 【請求項28】 加工速度が0.01〜1mm/sec
である回転式ブレードソーを用いて、前記光学素子挿入
部を切断することを特徴とする請求項18又は19記載
の光ファイバセンサの製造方法。 - 【請求項29】 前記回転式ブレードソーに用いられる
刃の砥粒の粒度が、#200〜#4000であることを
特徴とする請求項28記載の光ファイバセンサの製造方
法。 - 【請求項30】 金属ペースト塗布により、前記光ファ
イバ素線部に金属・有機ポリマー混合物被覆を形成する
ことを特徴とする請求項19記載の光ファイバセンサの
製造方法。 - 【請求項31】 少なくとも銀鏡反応、メッキ又は蒸着
の内の1種類以上の方法により、前記光ファイバ素線部
に金属被覆を形成することを特徴とする請求項19記載
の光ファイバセンサの製造方法。
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