JPH09510293A - 歪み及び温度測定が可能な単一の回折格子を用いた埋封型光学センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 埋封型光学センサは、複数の層（１０〜２０）と、ファイバ回折格子（２８）と、を有するオプティカルファイバ（２１）を有している。このファイバは、また、上記層のうちの（１０，１２）の間に配設されている。上記層（１０〜２０）は、フィラメント（２２）と、樹脂（２４）と、を有しており、これらは、それぞれ異なった熱膨張係数を有しているとともに、上記フィラメント（２２）は、上記ファイバ（２１）内の上記回折格子（２８）を取り囲んでいる樹脂リッチ層の形状を通して作用する不等方残留応力を生じさせるように配列されている。上記不等方の横方向残留応力は、上記回折格子（２８）内に複屈折を生じさせて、上記回折格子（２８）が、所定する分だけ分離し、かつ、異なった偏光軸に沿った２つの波長を有する光（３２）を反射させるようにしている。上記波長分離と上記分離の平均波長は、温度及び歪みに対して異なった応答性を有しているため、単一の回折格子を用いても温度と、歪みと、を独立して測定することができる。上記複屈折は、隣接する層（１０，１２）のフィラメント（２２）が、上記ファイバ（２１）の長手方向軸(Z-軸)に対して９０°に配列されている場合に最大となる。

Description

【発明の詳細な説明】 歪み及び温度測定が可能な単一の回折格子 を用いた埋封型光学センサ 技術分野 本発明は、光学的歪み及び温度センサに関し、より具体的には、ブラッグ回折 格子を有している埋封型ファイバを用いた光学センサに関するものである。 背景技術 歪みセンサの分野においては、ブラッグ回折格子といった反射要素を有するオ プティカルファイバを構造体内に埋封することが知られており、これらのものと しては、ともにメルツ(Meltz)等に付与された米国特許第４，８０６，０１２号 、題名“分散され、かつ、空間分解能を有するオプティカルファイバ型歪みゲー ジ”、及び米国特許第４，７６１，０７３号、題名“分散され、かつ、空間分解 能を有するオプティカルファイバ型歪みゲージ”、を挙げることができる。回折 格子を有する上記ファイバは、また、“ファイバセンサ”とも呼ばれている。オ プティカルファイバセンサは、また、複合材料、又は、構造体中に埋封させるこ とが可能であり、上記構造体中での歪み及び／又は温度測定を可能としている。 典型的には、波長幅の広い光源からの光線が上記ファイバ中に入射され、上記 回折格子は、上記光源からの光のうちの狭い波長幅の 部分のみを反射する。上記回折格子の反射波長（すなわち、反射が生じる波長の 極大値をいう）は、上記回折格子のある位置での歪み変化と、温度変化と、の双 方に依存してシフトする。その結果、温度変化に独立して歪みを決定するために は、上記センサは、別の測定デバイス（例えば、別の回折格子部分といった）を 必要としていた。従って、上記配置における単一の回折格子（又は、センサ）で は、温度で補償した歪み測定はこれまで不可能であり、また、歪みで補償した温 度測定も不可能であった。従って、構造体内に埋封されたセンサにおいても、単 一のセンサによる温度及び歪み測定は不可能であった。 従って、温度と歪みの双方が決定可能な、単一の回折格子によって光学的信号 が得られる埋封型オプティカルファイバセンサが望まれていた。 発明の開示 本発明の目的は、単一の回折格子によって温度及び歪みの双方を測定可能な、 埋封型オプティカルファイバセンサを提供することにある。 本発明によれば、埋封型オプティカルセンサは、入射光を規制し、かつ、戻り 光を規制するための光学的導波路と、上記入射光の光路内の上記導波路内に配設 され、第一の横方向軸と、上記第一の横方向軸に垂直な第二の横方向軸と、を有 する少なくとも一つの反射要素と、を有しており、かつ、上記第一の横方向軸と 上記第二の横方向軸とは双方とも、長手方向軸に対して垂直とされているもので あっ て、上記反射要素に対して力を加える横方向歪み手段を有し、上記反射要素内に 不等方横方向歪みを加え、かつ、上記不均等横方向歪みは、上記反射要素内に複 屈折を生じさせるとともに、温度により上記不等方横方向歪みが変化して、温度 による複屈折の変化を生じさせており、上記複屈折は、上記反射要素の第一の偏 光軸に沿った上記反射要素波長の第一ピークを与え、かつ、上記反射要素の第二 の偏光軸に沿った上記反射要素波長の第二ピークを与えるようにされており、上 記第一ピークと上記第二ピークとの間には波長差が存在するために波長間隔が形 成されており、かつ、上記第一ピークと上記第二ピークとの間の中間が平均波長 とされ、さらに、上記波長間隔は、温度と、歪みと、に応答性を有しており、こ れらの応答性は、上記平均波長に対する応答性とは異なっているため、温度測定 と、歪み測定と、を上記単一の反射要素によっても独立して行うことを可能とす るものである。 本発明によれば、さらに、上記横方向歪み手段は、上記反射要素を取り囲んだ 複合構造を有している。さらに本発明によれば、上記複合構造は、上記反射要素 に対して所定のように配列された複数の強化フィラメントと、結合材料と、を有 しており、上記複合構造を互いに保持するようになっている。 さらに本発明に従えば、上記反射要素に隣接する複数の上記フィラメントは、 上記反射要素の上記長手方向軸とは平行とならないように配向されている。さら に、本発明によれば、上記複合構造は、複数の層を有しており、それぞれの層は 、複数の上記フィラメントと、上記結合材料と、を含んでなることを特徴とする 。 さらに、本発明によれば、上記導波路は、オプティカルファイバとされ、かつ 、上記反射要素は、ブラッグ回折格子とされる。 本発明は、従来の埋封型オプティカルファイバ歪みセンサ及びオプティカルフ ァイバ温度センサを著しく改善することができるが、これは、単一の回折格子に よって温度と歪みとを決定することのできる信号を与えることを可能とし、従っ て温度変化などを補償するための回折格子や、その他のセンサの数を低減させる ことができる。この様にして、所望する補償点において上記温度を測定できるこ とから、温度補償歪み測定装置の一体性を向上させることができる。この結果、 本発明によれば、上記それぞれの回折格子による温度測定、温度補償された歪み 測定、又は、単一回折格子による歪みと温度との分離測定等が可能となる。 本発明の上記目的及びその他の効果、特徴及び特徴については、後述する詳細 な説明と、添付の図面の記載と、によってより詳細に説明する。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の埋封型オプティカルファイバセンサの一部切り欠図であり、 オプティカルファイバが埋封された積層構造体として製造された強化フィラメン トを有する複数の層を示している。 図２は、本発明の層の断面を、側面を一部を切り欠いて示した図であり、複数 の上記強化フィラメントと、上記複数のフィラメント間の樹脂とを示したもので ある。 図３は、本発明の複数の層の横断面を示した図であり、これらの 層は、上記オプティカルファイバの上記長手方向に対して垂直に配列された強化 フィラメントを有しているとともに、樹脂リッチ層も示されている。 図４は、構造体内に埋封される前のセンサ透過プロファイルを、波長に対して プロットしたグラフを示した図である。 図５は、図４に示したファイバセンサを、本発明に従い上記ファイバに垂直、 かつ、隣接して重ね合わされた層状のフィラメントを有する構造体中に埋封した 後の上記センサ反射プロファイルを、波長に対してプロットしたグラフである。 図６は、本発明の別実施例として、強化フィラメントを有する複数の層の断面 を示した側面図であり、埋封されたオプティカルファイバの上記長手方向軸に沿 って、強化フィラメントが配向されているのを示した図である。 図７は、構造体中に上記センサを埋封する以前のファイバセンサについての透 過プロファイルを波長に対してプロットしたグラフである。 図８は、図７に示したファイバセンサを、本発明に従い上記ファイバに平行、 かつ、隣接して重ね合わされた層状のフィラメントを有する構造体中に埋封した 後の上記センサ反射プロファイルを、波長に対してプロットしたグラフである。 図９は、本発明に従い上記埋封ファイバに隣接する上記複数の層が取り得る種 々の角度と、対応する上記ファイバの横断面と、形成される“目”形状の樹脂リ ッチ領域を示した上面図である。 図１０は、本発明に従い、規格化したアスペクト比と、上記ファ イバの複屈折と、を上記埋封ファイバに隣接する上記複数の層の角度に対してプ ロットしたグラフである。 図１１は、本発明の複数の層を一部切り欠いて示した斜視図であり、オプティ カルファイバが埋封された積層構造が製造されている別実施例を示した図である 。 図１２は、ブラッグ回折格子の反射率曲線のグラフであり、上記ピーク波長分 離と、ピークと、温度及び歪みによる平均波長シフトと、を示した図である。 図１３は、埋封型オプティカルファイバセンサの平均波長変化を、構造体に加 えた温度に対してプロットした図であり、本発明により高い直線性が得られてい るのが示されている。 図１４は、本発明の埋封型オプティカルファイバセンサの平均的な波長シフト を、加えられた構造的歪みに対してプロットしたグラフであり、高い直線性が得 られているのが示されている。 図１５は、本発明の上記埋封型オプティカルファイバセンサのピーク波長分離 を、構造体に加えた温度に対してプロットしたグラフであり、二つの直線状の応 答部分が示されている。 図１６は、本発明による埋封型オプティカルファイバセンサのピーク波長分離 を、構造体に加えた歪みに対してプロットしたグラフであり、実質的に構造的な 歪みに対しては依存しないことが示されている。 図１７は、本発明による不等方横方向歪みを生じさせるための通常の実施例を 示したものである。 発明の最良の実施態様 図１には、埋封型オプティカルファイバセンサをしてしているが、このオプテ ィカルファイバセンサは、複数の層１０〜２０（詳細は後述する）と、上記複数 の層１０と１２との間に埋封されている非複屈折オプティカルファイバ２１と、 を有している。上記ファイバ２１は、単一空間モードを有するゲルマニア−ドー プの直径約６ミクロンのシリカコアと、シリカクラッディングを有しており、そ の全外径（コア及びクラッディング）は、約１２５ミクロンである。所望により 、これ以外のファイバ組成及びサイズも使用することができる。また、バッファ コーティングを有するファイバ、又は、バッファコーティングを有さないファイ バも、所望により使用することができる。上記ファイバ２１のコアは、ブラッグ 回折格子といった少なくとも一つの反射要素を有しており、これについては、前 述したメルツ等による複数の米国特許に開示のものと同様である。 上記複数の層１０〜２０は、それぞれグラファイト製の断面が円形の強化フィ ラメント２２を有しており、このフィラメントは、所定の方向において上記複数 の層１０〜２０内に埋封されている。それぞれの層１０〜２０内の上記複数のフ ィラメント２２は、実質的に互いに平行にされている。上記フィラメント２２の 間は、工業的に知られている熱硬化性エポキシ樹脂等のポリママトリクス２４領 域である。所望により他の材料もフィラメントとして使用可能であり、また、別 の熱硬化性ポリママトリックス材料も上記フィラメント間の領域には使用するこ とができる。例えば、上記フィラメント２２としては、ガラス、織物（例えば、 ナイロン、布）、又は、そ の他の材料から製造されていても良い。また、この層は、上記の他、KEVLAR（登 録商標）等、ファイバーガラス強化ポリマ樹脂や、その他の材料から製造されて いても良い。また、上記フィラメントは、その断面が円形でなくとも良い。上記 複数の層１０〜２０は、また、“プライ”とも呼ばれ、その全体が８つの構造で 構成されており、“レイアップ”（又は、ラミネート若しくは複合構造体）と呼 ばれる。 図１の上記レイアップについては、上記対となった複数の層１０，１２は、直 接互いに隣り合っており、かつ、上記ファイバ２１を取り囲んでいるとともに、 XYZ軸系２３のX-軸に沿って上記複数のフィラメント２２が配列されている。こ のX軸は、光線が進行してゆく上記ファイバの長手方向軸（Z-軸）に対して９０ °とされている。次の対となった層１４，１５は、上記ファイバ２１を取り囲ん でいるとともに、上記Z-軸から＋４５°の角度で配列された上記フィラメント２ ２を有している。上記複数の層１６，１７は、上記Z-軸から−４５°の角度で配 列されたフィラメント２２を有しているとともに、最外部の複数の層１８，２０ は、上記Z-軸に沿って配列されたフィラメント２２を有している。 従って、図１の上記レイアップは、パターン［０，−４５，＋４５，９０］フ ァイバ［９０，＋４５，−４５，０］を有している。上記パターンを、“擬似等 方対称的レイアップ”と呼ぶ。擬似等方対照的レイアップは、良く知られている ように、上記層平面内における高い剛性を有する構造であり（すなわち、面内に おける剛性）、これは、上記構造に加えられる面内での荷重配置には依存しない よ うに固定されている。また、図１の上記レイアップは、“対称的”と呼ばれるが 、これは、上記フィラメント２２の配列が、上記ファイバ２１と、上記複数の層 １０，１２の間の平面と、に対して対称になっているためである。上記レイアッ プが対称な場合には、その結果得られる構造は最もカールが少なくなる。その他 のフィラメント配列及び上記以外の層数も所望により用いることができるが、こ れについては後述する。 図１のレイアップは、どのようなフィラメント配列を有している場合にも種々 の方法によって製造することができる。例えば、上記層１０〜２０は、樹脂２４ を間に予め含浸させたフィラメント２２を有するように、予め形成しておくこと もできる。上記層は、その後、所望のレイアップパターンとして形成することも 可能であるが、この場合には、上記ファイバ２１は、所望する方向に上記所望の 複数の層に対して、位置決めされる。この様な構成体は、その後、密閉型の金型 又は、オートクレーブ内で固化される。又は、乾式織布レイアップでは、密閉式 樹脂−射出成形プロセスを用いて同様にして構成体とすることができる。上記い ずれのプロセスにおいても、上記樹脂は、化学反応が生じる温度にまで昇温され て、上記マトリックスが重合（すなわち、硬化）される。この様にして硬化され 、その後冷却が行われる。 図２には、上記フィラメント２２それぞれが、上記フィラメント２２よりもず っと細い撚られたグラファイトファイバ束（又はストランド）５０とされている のが示されている。上記フィラメント２２は、典型的には、約５から１０ミクロ ンの直径ｄ₁を有しており、 これらは、所定層の全体積に占める強化グラファイトの容量％（例えば５０〜７ ０％）に依存して決定される距離ｄ₂だけ所定層内において互いに隔てられてい る。上記それぞれの層の層厚ｔ₁は、上記フィラメント２２の上記直径ｄ₁とおよ そ等しいか、あるいは、僅かに厚くされる。これ以外の層厚、直径、容量％であ っても所望により使用することができる。また、上記フィラメントは、撚られた 束である必要はないが、固体であることが必要である。 図２は、単一の層についての理想的な場合を示しており、上記積層した複合構 造体では、上記複数の層が、明瞭に規定できるようになっていない。例えば、別 の層からのフィラメントは、上記硬化プロセス中に移動してきて、上記フィラメ ントの間に再配置されることもあるし、上記フィラメント間の上記樹脂２４が、 別の層の樹脂と結合することもあり、この様にして上記複数の層間における明確 な境界が無くなるためである。 再度図１を参照すると、上記層１０、１２の上記強化フィラメント２２は、上 記ファイバ２１に対してそれぞれ９０°で配列されており、上記ファイバ２１と 上記回折格子２８には、大きな不等方横方向在留応力があることがわかる。これ により、上記ファイバ２１と上記回折格子２８には、対応する歪みが誘起される 。用語“横方向”応力とは、本明細書中では、上記ファイバ２１への上記レイア ップの上記X-軸方向と、Y-軸方向への応力を示している（すなわち上記ファイバ ２１の長手方向Z-軸に対して垂直な方向である）。特に、横方向の残留応力成分 は、上記Y-方向である上記層面に対して垂直な方向（すなわち、膜厚方向である ）の他にも、上記層の面内にお いて上記X-軸に沿って存在する。上記それぞれの横方向応力は等しくないことか ら、大きく異なった歪みが上記ファイバ２１には加えられており、上記ファイバ ２１の上記部分と、上記構造体内に埋封されている上記回折格子２８と、に複屈 折を生じさせている。上記複屈折により、上記ブラッグ回折格子は、それぞれの 偏光が異なった反射波長を与える。 我々は、また、ファイバ２１内においてこの様にして誘起された複屈折と回折 格子２８が、温度に依存して変化することを見いだした。この効果は、上記ファ イバ領域の全構造が、上記ファイバ２１の特定部分において、上記X-方向と上記 Y-方向で異なった熱膨張係数を示すためである。この結果、上記複屈折は、温度 とともに変化することになる。上記複屈折は、所定の構造に基づいて較正され、 上記構造体の温度変化、温度で補償された歪みを決定するために使用され、又は 、温度信号と、歪み信号と、の双方を得るために使用される。 ここで図３を参照すると、上記２つの層１０，１２の強化フィラメント２２が 、上記ファイバ２１に平行でない場合には、上記樹脂２４の“目”形状領域４０ が、上記ファイバ２１の周囲に形成される。この領域は、固化及び重合プロセス の間に上記強化フィラメント２２が上記ファイバ２１の上に橋掛けし、上記ファ イバ２１の回りに空虚な“目”形状空間が残されることになるためである。この 空間は、その後上記硬化サイクル中に充填されることになる。上記“目”形状領 域４０の上記形状と、寸法と、を決定する要因は次のようになっている。上記フ ァイバ２１と上記隣接した層１０，１２ の上記フィラメント２２の間の角度、上記オプティカルファイバ２１の直径、上 記フィラメント２２のコンプライアンス、固化中に加えた圧力である。 上記オプティカルファイバ２１の異なった熱膨張係数により、上記樹脂２４と 、上記フィラメント２２と、上記レイアップ全体とは、上記複合構造体が硬化温 度から室温にまで冷却されると、上述した不等方横方向在留応力を上記オプティ カルファイバ２１の回りに発生させる。この様な不等方応力は、上記ファイバに 大きな複屈折を生じさせる。上記複屈折は、熱残留応力によるものであるため、 上記構造体の温度が変化すると、複屈折の大きさも変化する。 特に、図４を参照すると、構造体中に埋封する前にファイバセンサは、所定の 波長、例えば1290.79nmの点５２によって示す透過プロファイルを示しており、 これは、単一の極小値を有しているにすぎない。図５を参照すると、図４の上記 センサが、上記ファイバ２１に垂直な隣接したフィラメント２２を有する構造体 中に埋封されている場合（図３参照）、で［同じ］［９０，−４５，＋４５，０ ，０，＋４５，−４５，９０］ファイバ［９０，−４５，＋４５，０，０，＋４ ５，−４５，９０］［同じ］［同じ］［同じ］（上記ファイバの長手方向軸から 測定した角度である）のレイアップを有する場合には、上記反射プロファイルに は、二つの局所的ピーク５４，５６を生じ、その波長分離はｂ₁、例えば0.569nm であり、かつ、第一の反射波長５４と第二の反射波長５６は、それぞれ異なった 偏光に対応している。上記波長分離は、上述したようなファイバの複屈折によっ て引き起こされているものである。 より具体的には、上記ファイバ２１（図３）の周囲の樹脂リッチ領域４０は、 その隣接するフィラメント２２の垂直配置と、上記複合構造体中の他の層ととも に、上記ファイバセンサに対して、横方向残留応力の不等方成分を加える。上記 不等方応力は、その一部は、上記Y-軸に沿った領域と、上記X-軸に沿った樹脂リ ッチ領域４０とで、樹脂体積が不均等であることに起因している。また、所定の 層についての樹脂の体積割合も、上記ファイバに生じる応力集中の要因となって いることも考えられる。上記要因すべてが、上記ファイバ２１の複屈折を最大化 させているものと推定できる。 上記横方向応力は、また、ネット熱膨張係数において、上記面内における上記 フィラメントの長さ分にそった熱膨張係数と、それに垂直な方向の熱膨張係数と では、大きく異なっている（すなわち、それぞれの層内における垂直面内のネッ ト熱膨張係数）が、これは、それぞれ上記複数の層１０〜２０すべてのフィラメ ントが同一方向に対して配向されているわけでないことによる。特に、上記フィ ラメントの熱膨張係数は、上記樹脂の熱膨張係数とは異なっている。 ここで、図６を参照すると、上記ファイバ２１が、隣接したそれぞれの層１０ ，１２のフィラメント２２に平行になるように配列されている場合には、図３の 上記“目”形状の樹脂リッチ領域４０は、本質的に存在しない。これは、上記強 化フィラメントは、向きが異なってはおらず、上記ファイバ２１の回りに実質的 に均一に接しているためである。 特に、図７を参照すると、構造体中に埋封される前は、ファイバ センサは、所定の波長、例えば1284.38nmの点５８で示すように、単一の極小値 をその透過プロファイル中に有している。図８に示すように、図７の上記ファイ バセンサが、上記隣接するフィラメント２２が上記ファイバ２１（図６）に平行 となるような構造で埋封されている場合であて、下記のようにレイアップされて いる場合には、［同じ］［０，＋４５，−４５，９０，９０，−４５，＋４５， ０］ファイバ［０，＋４５，−４５，４５，９０，９０，−４５，＋４５，０］ ［同じ］［同じ］［同じ］（それぞれの角度は、上記ファイバの長手方向軸から 測定した角度である）、上記反射プロファイルは、２つの局所的ピーク５９，６ ０を反射率において有することとなり、この際の微小な波長分離ｂ₂は、例えば 、0.125nmとなっている。 この様な微小な波長分離ｂ₂（図８）は、上記複合構造体中でのそれぞれ別の 層の存在と、上記配列と、によって生じるファイバ中の上記不等方横方向応力に より生じているものである。図５から図８の複屈折の大きな変化は、従って、上 記ファイバに対する上記隣接する層１０，１２それぞれの上記フィラメントの配 列にのみ依存している。このことは、上記ファイバ２１の直接上下にある上記二 つの層の互いの配列と、これに対応する上記“目”形状４０（図３）の形成とが 、上記ファイバの複屈折を生じさせる主要要因となっていることを示している。 図４と図７に示した上記透過プロファイルは、上記回折格子２８を通過した光 線３４（図１）の強度分布と、波長分布と、を示しているものであり、また、図 ５と、図８と、に示した上記反射プロファ イルは、上記回折格子２８によって反射された上記光線３２（図１）の強度分布 と、波長分布と、を示している。 ここで、図９と、図１０と、を参照すると、上記ファイバ２１の上記直径ｄ_f は、上記“目”形状領域４０（図３）の直径ｄ_eと、上記ファイバに対する上記 隣接層１０，１２の種々の異なった配列と比較がなされている。特に、上記フィ ラメント２２が、上記ファイバ２１から，それぞれ６２，６４，６６で示すよう に９０°，４５°，２２．５°で配列されている場合の上記“目”形状は、それ ぞれ６８，７０，７２の形状で示されている。図１と、図３と、に示す配列、す なわち各隣接フィラメントが９０°である配列については、上記“目”形状の直 径ｄ_eは、最大化され、又、上記複屈折もまた、最大化される。逆に、図６に示 す配列については、上記“目”形状の直径ｄ_eは、最小化され、かつ、上記複屈 折もまた、最少化される。 ここで、図１０と、表１と、を参照には、図１０にプロットした規格化したア スペクト差（ｄ_e−ｄ_f）／（ｄ_e−ｄ_f）ｍａｘとフィラメント配列との関係及び 規格化したファイバ複屈折とフィラメント配列との関係が、表１の経験的なデー タから得られることを示す。表１と、図１０と、に示されているように、上記規 格化された複屈折と上記規格化されたアスペクト差とは、互いに関連性を有して いる。 上記の議論は、温度により上記回折格子２８に生じ、かつ変化する横方向応力 についてのものであるが、この議論は、直接上記回折格子２８に生じ、かつ、変 化する複屈折にも関連している。しかし ながら、上記ファイバ２１はまた、温度変化により、上記長手方向軸(Z-軸)に沿 って膨張及び収縮する。このことにより、上記回折格子の間隔（空間的周期）が 変化して、すなわち、平均的な屈折率が変化して、周知のように上記ピーク反射 波長はシフトすることになる。従って、本発明の上記埋封型ファイバセンサでは 、温度変化が、長手方向が変化することによる波長シフトを生じさせるとともに 、温度変化による複屈折の変化が、上記２つの偏光の波長差（分離）の変化とし て現れることになる。 外部から加えられる応力については、上記Z-軸に沿った外部からの引っ張り応 力に関していえば、我々は、上記横方向応力（従って複屈折は生じない）につい ての影響は無視し得るものであることを見いだしている。しかしながら、本発明 は、上記影響が無視し得ない場合であっても、加えられた応力に対する応答性が 温度に対する応答性と同一ではないものの、等しく適用できる。これについては より詳細に後述する。 ここで図１１を参照すると、図１のレイアップに変えて、複数の他のレイアッ プが所望により使用できるとが示されており、これらによっても上記回折格子に 不等方横方向応力を与えることができる。上記隣接した層１０，１２の上記フィ ラメント２２の配列は、所望する複屈折の大きさによって決定される。特に図１ １のパターンは、次のようになっている。「０，＋４５，９０，−４５］ファイ バ［−４５，９０，＋４５，０］である。また、上記ファイバの上下の上記複数 の層のブラケットされた対となった数は、ファイバの複屈折に対して影響を与え る最小の数として示されている。例えば、図１ １レイアップは、上記ファイバの上下において、８対の織布を有していても良く 、この場合には［７以上が同一］［０，＋４５，９０，−４５］ファイバ［−４ ５，９０，＋４５，０］「７以上が同一］のように表される。 図１から図１１を参照すると、良く知られているように、ブラッグ回折格子を 有するファイバが構造体内に埋封され、かつ、センサとして使用される場合には 、上述のメルツ等による米国特許に論じられているように、波長幅の広い、偏光 されていない光線３０が、上記ファイバ２１の一端から入射される。上記回折格 子２８は、所定の波長幅の狭い戻り光３２を反射させて、残りの波長については 、上記回折格子２８を通過させ、光線３４とする。上記戻り光３２は、スペクト ラムアナライザ（図示せず）により分析され、ファイバが埋封されている上記構 造体の歪みと、温度変化と、により引き起こされる波長シフトが決定される。 図１２を参照すると、本発明のレイアップにより生じた上記ファイバ２１の複 屈折により、上記回折格子２８（図１）の上記反射スペクトルが、上記複屈折の 偏光軸に沿った２つの特性を有していることが見い出された。特に、上記複屈折 により、上記ファイバ回折格子２８（図１）は、複屈折誘起ファイバ回折格子２ ８の第一の偏光軸（又は偏光状態）に対応する波長λ_aに中心を有する第一の反 射曲線８０を有する。また、第二の反射曲線８２は、波長λ_bに中心を有してお り、これは、複屈折誘起ファイバ回折格子２８の第一のすなわち、直交する偏光 軸（又は偏光状態）に対応している。 反射率曲線８０，８２における上記反射ピーク波長λ_a，λ_bの間 の波長分離Δλ₁は、それぞれ上記ファイバ２８に誘起された複屈折に対応して いる。従って、上記波長幅の広い未偏光の光線３０（図１）を上記回折格子２８ に入射させた場合には、戻り光３２の最大強度は、実質的には、λ_aと、λ_bと、 とになり、この際、λ_aは、上記第一の偏光軸にそって偏光しており、λ_bは、上 記第二の偏光軸に沿って偏光している。これは、上記回折格子２８の上記複屈折 によるものである。上記偏光軸の配列は、図１の軸２３に沿っている必要はなく 、上記ファイバ回折格子２８内に加えられる応力ベクトルの方向に関連付けられ ている。 上記構造体は、外部から応力及び／又は温度の変化にさらされた場合には、中 心波長すなわち、上記２つのピークλ_aと、λ_bとの中間の平均波長λ_cは、新た な平均波長λ_fにシフトすることとなる。このλ_fは、上記回折格子２８の周期的 間隔が変化しているため（及び上記コアの平均屈折率が変化しているため）、λ_c からはΔλ₃だけ離れている。また、上記２つの波長の間隔は、Δλ₁からΔλ₂ へと変化する。すなわち、第一の偏光軸に対応する上記反射率曲線６０は、新た な中心波長λ_dを有するとともに、それに直交する偏光に対応する上記反射率曲 線８２は、新たな中心波長λ_eを有するためである。我々は、前述した複数のレ イアップについて、平均波長シフトΔλ₃(λ_f−λ_c）に対する温度及び歪み応答 性が、上記波長ピークの間隔Δλ₂−Δλ₁の上記温度及び歪み応答性と異なって いることを見いだした。 より具体的には、上記平均波長シフトΔλ₃は、下記式 △λ₃＝△λ_shift＝Ａ_T△Ｔ＋Ｂε△ε ［式１］ によって記述される。 ここで、図１３と、図１４と、を参照することで、我々は、図１１に示した上 記レイアップに対して経験的に、Ａ_T＝９．８２ｘ１０^-3ｎｍ／℃であり、Ｂε ＝１．１７ｘ１０^-3ｎｍ／μεであることを見いだした。 また、温度と歪みとの関数としてのピーク波長間隔（すなわち、分離）の上記 変化は、 （△λ₂−△λ₁）＝△λ_spacing＝Ｃ_T△Ｔ＋Ｄε△ε ［式２］ で表される。 図１５を参照して我々は、経験的に上記図１１のレイアップについては、温度 が２０℃から７５℃の間では、Ｃ_T＝−１．４４ｘ１０^-3ｎｍ／℃であり、温度 が７５℃より高い場合にはＣ_T＝−８．５３ｘ１０^-3ｎｍ／℃であることを見い だした。また、図１１の上記レイアップについては、図１６（詳細は後述する） のグラフの傾きから、Ｄεは、およそ０である。異なった材料、レイアップ、及 び／又は固化プロセスを使用した場合には、上式１と、式２の係数については、 別の値が得られる。従って、上記したレイアップ、材料、及びプロセスの組み合 わせについて、上記それぞれの係数を決定するために較正手続きを実施する必要 がある。 このため、通常本発明では、上記２つの未知数（温度及び歪み）について、上 記式（式１と式２）を解くために、２つの独立した測定を用いる。しかし、図１ １で示した上記レイアップのようにＤεが無視できるものであれば、上記Δλ_{sp acing} は、直接温度変化に比例し、このため、上記温度は、単純に上述した係数 Ｃ_Tの値を用 いて波長間隔の変化測定することによって得ることができる。しかしながら、Ｄ εが、近似的に０でない場合には、上記係数Ｃ_Tは、上記ピーク波長間隔を、歪 みに対してプロットしたデータを温度Ｔの関数とした式に対してカーブフィッテ ィングを行うことによって得られ、その後、上記式（式１と式２と）は、周知の 方法によって、同時に温度及び歪みとについて解かれる。図１３〜図１６までの 上記データを最適化させるいかなる周知の技術であっても、所望に応じて用いる ことができる。 さらにまた、上記ファイバ２１は、上記構造体８の包囲層１０〜２０と緊密に 接着していることを考慮する必要がある。 本発明は、図１から図１１の擬似等方的レイアップを用いて記載を行ってきた が、上記フィラメントについてのいかなるレイアップ構成であっても、上記X-軸 方向のファイバ応力が、上記Y-方向のファイバ応力と異なっていて、上記回折格 子２８に対し、必要な複屈折を生じさせることができるものであれば用いること ができる（上記２つの横方向応力が等しくないことである）。上述したように、 対称的なレイアップは、上記デバイス全体についての上記応力を打ち消すために 用いることができ、この様にすれば上記構造体のカールを避けるようにすること もできる。 図１７を参照すると、上記領域４０は、図３に示すような“目”形状である必 要ではないが、上記ファイバ内に不等方横方向応力を生じさせるようないかなる 形状であっても良い。本発明のためには、媒体Ｍ１が、上記ファイバに対して矢 印９０で示すように垂直な(Y-軸)力を加え、かつ、媒質Ｍ２は、それ自体、又は 、Ｍ１により加 えられる力とともに矢印９２で示されるような実質的に垂直方向(X-軸)の力を加 えており、かつ、９２に沿った上記力が、９０に沿った上記力と等しくはなく、 さらに、これらの力の差が温度とともに変化するようになっていれば良い。さら に、上記ファイバ上の上記媒質９４は、上記ファイバの下側の材質と同一でなく とも良い。さらに、上記媒質Ｍ１は、フィラメントと樹脂によって製造されてい る必要はなく、上記媒質Ｍ２は、樹脂で製造されている必要もない。例えば、上 記媒質Ｍ２は、実際には気体又は液体などの非固体の媒質であっても良い。 また、複屈折が必要な部位は、検出が行われる上記回折格子２８（図１）のみ であり、ファイバに沿った別の部位ではない。この理由は、上記回折格子から戻 る２つの異なった波長の光があっても、上記ファイバ２１以外の部位での複屈折 が無いことが、これらの複数の波長の検出を妨げるものではないためである。し かしながら、信号強度を最大とするためには、上記ファイバ（上記構造体の内部 及び外部の双方について）は、偏光面が保存できるファイバであるとともに、上 記構造体内に適切に配列されていることが好ましい。図１と図１１とに示した実 施例では、構造体内の上記ファイバ２１の全領域は、上記回折格子領域と同一の 不等方横方向応力の下に置かれ、従って、ファイバの複屈折は、上記構造体内で は上記ファイバ長さにわたって保存されている。 さらに、本発明は、メルツ等の上述した米国特許に開示されているように、連 なった複数の回折格子を有するものとして実施することもできる。さらに、これ とは別に、メルツ等の上述した米国特許 に開示されているように、上記測定は反射ではなく、透過を用いて実施すること もできる。この場合には、上記戻りとして測定する光は、回折格子によって反射 された光ではなく、上記回折格子を透過した光となる。従って、反射波長ピーク を測定するかわりに、透過波長における谷間を観測することになる。透過した光 は、単に反射される光に対して相補的となっているだけであることに留意すべき である。従って、上記それぞれのモードのいづれか、あるいはその双方について 同一の回折格子を用いることができる。 また、ブラッグ回折格子を用いるかわりに、不等方横方向残留応力の下で複屈 折特性を発揮するような、いかなる反射要素であっても使用できる。さらにまた 、ファイバ２１のかわりに、上記回折格子２８へと光を導き、かつ、上記回折格 子２８から光を導くため、いかなる光学的導波路であっても使用できる。また、 上記回折格子（又は、反射要素）２８は、例えば、薄いフィルムデバイスといっ た、いかなる形状の光学的導波路に埋封されていても良い。 さらに、上記隣接する複数のフィラメントの配列は、上記ファイバ２１の長手 方向軸に関連して論じてきたが、本発明において重要なのは、上記回折格子内で の複屈折であり、このような配列を、上記回折格子（又はその他の反射要素）の 長手方向軸について行うことが必要とされることである。 また、本発明においては、上記構造体中に埋封される前には全く複屈折を有し ないファイバを用いるかわりに、複屈折率ファイバを使用することもできる。こ の場合には、本発明により誘起される上記複屈折は、上記ファイバに本来ある複 屈折を強めるか、又は、弱 めるかすることになる。 さらにまた、上記構造体中には、所望により１つ以上のファイバを用いること もできる。また、本発明は、上記ファイバ、あるいは複数のファイバを内部に埋 封した構造体を設計する技術としても利用できて、小型の“パッチ”センサも製 造でき、この場合には、このレイアップは、温度及び／又は歪みを別々に検出す る別の構造体に取り付けられるようになっている。 さらには、それぞれの層のフィラメントが互いに平行になっているのではなく 、２次元の織布、すなわち、上記層内において少なくとも２方向にフィラメント が延びているものがそれぞれの層について使用されていても良く、これによって 、上記ファイバの断面積における不等方的な垂直及び横方向のネット熱膨張係数 を与えるようにされていても良い。これとは別に、３次元織布を使用することも でき、この場合には、フィラメントは、単一の層内では２次元的に延びていると ともに、層間にも延びているものであってこれにより、上記回折格子２８には、 互いに交差した横方向応力が生じるようになっている。 本発明は、フィラメントの間に樹脂を有する層を用いて記載を行ってきたが、本 発明は、不等方的な互いに垂直な横方向のネット熱膨張係数を、上記ファイバの 断面において生じさせるような、いかなる組成物を有する層についても等しく用 いることができる。 また、本発明は、ファブリペロー型干渉器として構成されている２つ、若しく はそれ以上の反射要素の対にも利用でき、また、米国特許出願番号第０８／０６ ９，２３１号、題名“能動型マルチポイ ントファイバレーザセンサ”にも開示されているように、複屈折配置を使用した レーザキャビティとしても利用することができるが、この場合も、上記複屈折は 、本発明によって誘起されているものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヴァンヌッチ，アントネッロ イタリア，ローマ イー−00198，21，ヴ ィア ジョバンニ パチーニ (72)発明者 シニョラッツィ，マリオ イタリア，チャンピーノ イー−00043, 10，ヴィア ピ．ロンバルド (72)発明者 フェラーロ，ピエトロ イタリア，ナポリ イー−80124，11，ヴ ィア カバレッジェリ ダオスタ (72)発明者 インパラート，サバート インセーラ イタリア，グラニャーノ イー−80054, ５，ヴィア エッセ．ニコラ デイ ミリ (72)発明者 ヴォート，クラウディオ イタリア，ナポリ イー−80131，66，ヴ ィア シモーネ マルティーニ (72)発明者 タンフィー，ジェイムズ アール. アメリカ合衆国，コネチカット 06073, サウス グラストンベリー，ヒッコリー ドライブ 21 【要約の続き】 バ（２１）の長手方向軸(Z-軸)に対して９０°に配列さ れている場合に最大となる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 入射光を規制し、かつ、戻り光を規制するための光学的導波路と、 前記入射光の光路内において前記導波路内に配設され、前記入射光の一部を反 射するようになっているとともに、第一の横方向軸と、前記第一の横方向軸に垂 直な第二の横方向軸と、を有する少なくとも一つの反射要素と、を有しており、 かつ、前記第一の横方向軸と前記第二の横方向軸とは双方とも、長手方向軸に対 して垂直であり、 前記反射要素に対して複数の力を加えて、前記反射要素内に不等方横方向歪み を加えるようになっている横方向応力手段と、を有しており、 前記不等方横方向歪みは、前記反射要素内に複屈折を生じさせるとともに、温 度により前記不均等横方向歪みが変化すると、前記複屈折が変化するようになっ ており、 前記複屈折は、前記反射要素の第一偏光軸に沿っている前記反射要素波長の第 一ピークを与え、かつ、前記反射要素の第二の偏光軸に沿った前記反射要素波長 の第二ピークを与え、 前記第一ピークと前記第二ピークとの間には波長差が存在することによって波 長間隔が形成されていて、かつ、前記第一ピークと前記第二ピークとの間の中間 が平均波長とされ、 さらに、上記波長間隔は、温度と、歪みと、に応答性を有していて、この応答 性は、上記平均波長に対する応答性とは異なっている ため、温度測定と、歪み測定と、を上記単一の反射要素によっても独立して行う ことが可能な埋封型光学センサ。 ２． 前記横方向応力手段は、前記反射要素を包囲する複合構造体であることを 特徴とする請求項１に記載の埋封型光学センサ。 ３． 前記複合構造体は、前記反射要素に対して所定の配置を有している強化用 のフィラメントと、前記複合構造体を互いに保持している結合材料と、を有する ことを特徴とする請求項２に記載の埋封型光学センサ。 ４． 前記フィラメントは、第一の熱膨張係数を有しており、かつ、前記フィラ メントの間の前記結合材料は、前記第一の熱膨張係数とは異なっている第二の熱 膨張係数を有していることを特徴とする請求項３に記載の埋封型光学センサ。 ５． 前記反射要素に隣接した前記フィラメントは、前記反射要素の長手方向軸 とは平行でない方向に配列されていることを特徴とする請求項３に記載の埋封型 光学センサ。 ６． 前記反射要素に隣接した前記フィラメントは、前記反射要素の前記長手方 向軸に垂直な方向に配列されていることを特徴とする請求項３に記載の埋封型光 学センサ。 ７． 前記フィラメントは、前記反射要素を包囲する形状を形成していて、この 形状は、前記第一の横方向軸よりも前記第二の横方向軸に沿って容積が大きくな っていることを特徴とする請求項５に記載の埋封型光学センサ。 ８． 前記形状は、“目”形状であることを特徴とする請求項７に記載の埋封型 光学センサ。 ９． 前記複合構造体は、複数の層を有しており、それぞれの層は、さらに、前 記フィラメントと、前記結合材料と、を有していることを特徴とする請求項３に 記載の埋封型光学センサ。 １０． 前記複数の層はそれぞれ、不等方的、かつ、互いに垂直な面内における ネット熱膨張係数を有していることを特徴とする請求項９に記載の埋封型光学セ ンサ。 １１． 前記反射要素は、前記反射要素の上側が４つの前記層に取り囲まれてお り、前記反射要素の下側はまた、４つの前記層によって取り囲まれていることを 特徴とする請求項９に記載の埋封型光学センサ。 １２． 前記層のうち少なくとも一つはフィラメントを含有しており、このフィ ラメントは、前記層のうちの別の層のフィラメントの方向とは異なっていること を特徴とする請求項９に記載の埋封型光 学センサ。 １３． 前記結合材料が、ポリママトリックスであることを特徴とする請求項３ に記載の埋封型光学センサ。 １４． 前記フィラメントは、グラファイト製であることを特徴とする請求項３ に記載の埋封型光学センサ。 １５． 前記フィラメントは、グラファイトストランドを有していることを特徴 とする請求項３に記載の埋封型光学センサ。 １６． 前記導波路は、オプティカルファイバであることを特徴とする請求項１ に記載の埋封型光学センサ。 １７． 前記反射型要素は、ブラッグ回折格子を有していることを特徴とする請 求項１に記載の埋封型光学センサ。 １８． 入射光を規制し、かつ、戻り光を規制するための光学的導波路と、 前記入射光の光路内において前記導波路内に配設され、前記入射光の一部を反 射するようになっているとともに、第一の横方向軸と、上記第一の横方向軸に垂 直な第二の横方向軸と、を有する少なくとも一つの反射要素と、を有しており、 かつ、前記第一の横方向軸と前記第二の横方向軸とは双方とも、長手方向軸に対 して垂直であり、 前記反射要素を取り囲み、かつ積層構造体を形成している複数の層を有し、 前記複数の層は、互いに積層された場合には前記反射要素に対して力を加えて 、不等方横方向応力を前記反射要素に対して生じさせるような方法と材料とを有 し、 前記不等方横方向歪みは、前記反射要素内に複屈折を生じさせるとともに、温 度により前記不均等横方向歪みが変すると、前記複屈折が変化するようになって おり、 前記複屈折は、前記反射要素の第一偏光軸に沿っている前記反射要素波長の第 一ピークを与え、かつ、前記反射要素の第二の偏光軸に沿った前記反射要素波長 の第二ピークを与えており、 前記第一ピークと前記第二ピークとの間には波長差が存在することによって波 長間隔が形成されており、かつ、前記第一ピークと前記第二ピークとの間の中間 が平均波長とされ、 さらに、上記波長間隔は、温度と、歪みと、に応答性を有していて、この応答 性は、上記平均波長に対する応答性とは異なっているため、温度測定と、歪み測 定と、を上記単一の反射要素によっても独立して行うことが可能な埋封型光学セ ンサ。 １９． 前記複数の層はそれぞれ面内において互いに垂直、かつ、不等方のネッ ト熱膨張係数を有していることを特徴とする請求項１８に記載の埋封型光学セン サ。 ２０． 前記複数の層は、前記反射要素に対して所定の配列を有している強化フ ィラメントと、前記積層構造体を互いに保持している結合材料とを有しているこ とを特徴とする請求項１８に記載の埋封型光学センサ。 ２１． 前記フィラメントは、第一の熱膨張係数を有しており、かつ、前記フィ ラメントの間の前記結合材料は、前記第一の熱膨張係数とは異なっている第二の 熱膨張係数を有していることを特徴とする請求項２０に記載の埋封型光学センサ 。 ２２． 前記反射要素に隣接した前記フィラメントは、前記反射要素の長手方向 軸とは平行でない方向に配列されていることを特徴とする請求項２０に記載の埋 封型光学センサ。 ２３． 前記反射要素に隣接した前記フィラメントは、前記反射要素の前記長手 方向軸に垂直な方向に配列されていることを特徴とする請求項２０に記載の埋封 型光学センサ。 ２４． 前記フィラメントは、前記反射要素を包囲する形状を形成していて、こ の形状は、前記第一の横方向軸よりも前記第二の横方向軸に沿って容積が大きく なっていることを特徴とする請求項２３に記載の埋封型光学センサ。 ２５． 前記形状は、“目”形状であることを特徴とする請求項２ ４に記載の埋封型光学センサ。 ２６． 前記反射要素は、前記反射要素の上側が４つの前記層に取り囲まれてお り、前記反射要素の下側はまた、４つの前記層によって取り囲まれていることを 特徴とする請求項１８に記載の埋封型光学センサ。 ２７． 前記層のうち少なくとも二つの層のフィラメントは、前記層のうちの別 の層のフィラメントの方向とは異なっていることを特徴とする請求項２０に記載 の埋封型光学センサ。 ２８． 前記結合材料が、ポリママトリックスであることを特徴とする請求項２ ０に記載の埋封型光学センサ。 ２９． 前記フィラメントは、グラファイト製であることを特徴とする請求項２ ０に記載の埋封型光学センサ。 ３０． 前記フィラメントは、グラファイトストランドを有していることを特徴 とする請求項２０に記載の埋封型光学センサ。 ３１． 前記導波路は、オプティカルファイバであることを特徴とする請求項１ ８に記載の埋封型光学センサ。 ３２． 前記反射型要素は、ブラッグ回折格子を有していることを 特徴とする請求項１８に記載の埋封型光学センサ。