JPS58102105A - Optical fiber sensor - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To improve the linearity of a light output with respect to displacement, by using a clad material for the optical fiber, and making the ratio of a core diameter with respect to the fiber diameter including the clad material 0.55- 0.65. CONSTITUTION:Light emitted from a light projecting part is inputted to the light receiving part fiber 10 at the rectangular surface of the light receiving multiple fiber 11 and transduced into a voltage by a light receiving element 12. As for light receiving part fiber 10, a single fiber having the clad part, which has a diameter of 0.55-0.65 times the fiber diameter, most desirably 0.596 times the fiber diameter, is used in a bundled shape.

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はシート状、帯状物体のエツジ変位。[Detailed description of the invention] The present invention relates to edge displacement of sheet-like or band-like objects.

幅測定、イメージ検出用の光ファイバセンナに関するも
のである。This invention relates to an optical fiber sensor for width measurement and image detection.

連続するシート状物体、特に高精度の寸法精度が要求さ
れる磁気テープ類の走行特性等を測定する方法は従来は
＃１１図に示すように、光源１からレンズ２を通して、
平行光線を単−入射光ファイバ３に入れて、単一受光フ
ァイバ４に投光し、受光は光電導素子６と電気囲路（図
示せず）Ｋよりて電圧に変換される。／−）状物体５が
変動すると、センナの開口部の変位が検出される方法で
ある。円形光ファイバと座標系を第２（６）図に示す。Conventionally, the method of measuring the running characteristics of continuous sheet-like objects, especially magnetic tapes that require high dimensional accuracy, is to emit light from a light source 1 through a lens 2, as shown in Figure #11.
A parallel beam of light is input into a single-incidence optical fiber 3 and projected onto a single receiving fiber 4, and the received light is converted into voltage by a photoconductive element 6 and an electric circuit (not shown) K. In this method, when the /-)-shaped object 5 moves, the displacement of the opening of the senna is detected. The circular optical fiber and coordinate system are shown in Figure 2 (6).

半径Ｒｅの光ファイバにおいて、センナの開口部の変位
なＸとし、変位による光出力なＹとして、ファイバに入
射した光が一無損失、かつ均一に光電素子で受光された
とすると、偽西Ｊｏ　　の範囲で。In an optical fiber with radius Re, let X be the displacement of the senna aperture, and Y be the optical output due to the displacement, and if the light incident on the fiber is uniformly received by the photoelectric element with no loss, then the pseudo Nishi Jo In a range.

となシ、これを積分すると。Tonashi, if we integrate this.

一−→２） となる。1-→2) becomes.

従って、　Ｒ５５ｍ１のときの変位Ｘと光出力の関係は
、第２（ｂ）図となる。よりて、変位に対する光出力は
非直線的であることがわかる。このように、従来方法は
、変位に対して、光出力が非直線的である欠点があった
。Therefore, the relationship between the displacement X and the optical output when R55m1 is as shown in FIG. 2(b). Therefore, it can be seen that the optical output with respect to displacement is non-linear. As described above, the conventional method has the disadvantage that the optical output is non-linear with respect to displacement.

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点に鑑み発明さ
れたもので、その目的は変位に対する光出力が極めて直
線性の良い光フアイバ変位センｔを提供するにある。The object of the present invention was invented in view of the above-mentioned drawbacks of the prior art, and the object is to provide an optical fiber displacement center whose optical output with respect to displacement has extremely good linearity.

本発明の特徴をするところは、光ファイバにタララド（
被覆）材を使用し、かつ俵積みにする。そして、最適の
コア中地を０．５５〜０．６５にし。The feature of the present invention is that the optical fiber is
(covering) material and stacked in bales. Then, set the optimal core medium to 0.55 to 0.65.

変位に対して光出力の直線性を極めて嵐〈シたことであ
る。ただし、コア半径比にけ、クラツド材を含めた光フ
ァイバ半径ｌｉｅに対するコア半径（光フアイバ芯材）
Ｒの比である。The linearity of the optical output with respect to displacement has been extremely improved. However, according to the core radius ratio, the core radius (optical fiber core material) with respect to the optical fiber radius ie including the cladding material.
It is the ratio of R.

以下本発明を図面を参照して詳ａｔ／Ｃ説明するＪＩＩ
５図は１本発明に使用されるクラツド材の光ファイバを
俵積みしたマルチファイバの配列を示したものである。Hereinafter, the present invention will be explained in detail with reference to the drawings.JII
FIG. 5 shows a multi-fiber arrangement in which optical fibers made of clad material used in the present invention are piled up in bales.

マルチファイバの開口部の変位なＸとして。As the displacement of the multi-fiber aperture, x.

７７４２１個を俵積みし、２段積をＮ−１とするファイ
バ半径なｌｌｏとして、コア半径をＲとする絡４図は、
ファイバ３個（ｎ−５）を２段（＃−１）に俵積みした
マルチファイバにおいて、ファイバ半径ｆｌｏが一定で
９コア半径Ｒが異なる場合の変位量Ｘと光量の関係を（
２）式をもとに求めたものゼある。これから、コア半径
Ｒによって、光量と変位の関係は変化することが分かる
。第４図から、光入力に一定のとき、Ｒ−１では、変位
に対する光出力は大きいが、　Ｒ−０，６の方が変位に
対する光量変化の直線性が良いことが分かる。77421 pieces are piled up in bales, the two-stage stack is N-1, the fiber radius is llo, the core radius is R, and the diagram 4 is as follows:
In a multi-fiber in which 3 fibers (n-5) are piled up in two stages (#-1), the relationship between the displacement amount X and the light amount when the fiber radius flo is constant and the 9-core radius R is different is expressed as (
2) There are some results obtained based on the formula. From this, it can be seen that the relationship between the amount of light and the displacement changes depending on the core radius R. From FIG. 4, it can be seen that when the optical input is constant, the optical output with respect to displacement is large in R-1, but the linearity of the change in light amount with respect to displacement is better in R-0 and R-6.

今、光量変化の直線性を表わす指標として。Now, as an indicator to express the linearity of changes in light intensity.

誤差″４Ｃを（５）式のように定義する。The error "4C" is defined as in equation (5).

’−Ｙｔ　　　・・・・・・・・・・・・・−・・・（
５１但し、Ｙｔはマルチファイバの全光量であり。'-Yt ・・・・・・・・・・・・・・・(
51 However, Yt is the total light amount of the multi-fiber.

ｄは変位Ｘにおける光量Ｙと、０からＹｔＫ向って、変
位Ｘに比例して、直線的に増加するＩＬＩ的光量との差
である。d is the difference between the light amount Y at the displacement X and the ILI light amount, which increases linearly in proportion to the displacement X from 0 to YtK.

誤差率−の計算法を第５図によって詳述する俵積みされ
たーマルチファイバの一部は第５図に示すように、規則
的に配列されている。従りてその中の任意のファイバの
組１ｈ　、Ｆ麿における基本的誤差率８′を計算すると
とＫよシ、マルチ７フイバ全体の誤差率蔓が求められる
。基本的誤差率８′を計算するには、マルチファイバ開
口部の考察範囲をファイバＦｌの中心から７テイｆｉＦ
Ｉの中心まで考えればよく、ファイバＦ１の中心を原点
Ｏとする。マルチファイバの開口部変位Ｘは、コア半径
比Ｋｗａ７５と同様、ファイバ半＠Ｒ―で、（４）式の
ように無次元化して Ｌ　−−・・・、、、、−・−・・−・・・・・・・−
（４）ｅ 開口比りと呼ぶ。上記の考察範囲においては。A method for calculating the error rate will be explained in detail with reference to FIG. 5. As shown in FIG. 5, a part of the stacked multi-fibers is regularly arranged. Therefore, if we calculate the basic error rate 8' for an arbitrary fiber set 1h among them, the error rate curve for the entire multi-7 fibers can be found. To calculate the fundamental error rate 8', the range of consideration for the multifiber aperture is 7 points fiF from the center of fiber Fl.
It is sufficient to consider up to the center of I, and let the center of fiber F1 be the origin O. Similarly to the core radius ratio Kwa75, the multi-fiber opening displacement・・・・・・・・・−
(4)e It is called the aperture ratio. Within the scope of the above consideration.

コア半径比Ｘ及び開口比りは、１よシ小さい正数値な堆
る。The core radius ratio X and the aperture ratio are positive values smaller than 1.

光量がファイバコアの開口面積に比例するとすれば、光
量変化の直線性を表わす基本的誤差率Ｃ′は開口比ＬＫ
対するファイバコアの開口面積の直線性に置換できる。If the amount of light is proportional to the aperture area of the fiber core, the basic error rate C' representing the linearity of the change in the amount of light is the aperture ratio LK
This can be replaced by the linearity of the opening area of the fiber core.

考察範囲全体のファイバコア開口面積５ｔけＳｔ−πに
３　　　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・−（５）であ−る。従りて、任意の開口比りのときの
理想的ファイバコア開口面積５ｒｔｉ ｓｒ　−ｓｔ＠ｔ　　　・−・・・−・−・・−”−＝
＝　（＋＋ｓ）となる。一方、実際のファイバコア開口
面積はファイ／（ｌ？　１とＦｍの開口されたファイバ
コア面積の和になるが、これらをそれぞれＳ＞、Ｓｍと
する５ｓ−ａ００≦≦１−ｆ（９） １−［α≦１（１０） となる。基本的誤差率ε′は（５）〜（１０）式を使り
てＳＩ＋Ｓ＊−５ｒ Ｉ・−（１１） Ｓｔ として計算できる。その計算結果を第６図に示した。The fiber core aperture area of the entire consideration range is 5t and St-π is 3.
-(5). Therefore, the ideal fiber core aperture area 5rti sr −st@t ・−・−・−・・−”−=
= (++s). On the other hand, the actual fiber core aperture area is the sum of the apertured fiber core areas of phi/(l? 1 and Fm, but 5s-a00≦≦1-f (9) where these are S> and Sm, respectively. 1-[α≦1(10).The basic error rate ε' can be calculated as SI+S*-5r I・-(11) St using equations (5) to (10).The calculation result is It is shown in Figure 6.

基本的−差″４８′は、コア牛囁比Ｋをパラメータとし
、開口比りで示したが、考察範囲全体を通して大きなも
のがない方がよい。よって、開口比ＬＫ対して、最適の
コア半径比Ｋを求めると、第７図に示すように、には０
．５　？　４であυ、このときの基本的誤差率Ｃ′はｇ
′＃０．９５　ｄである。The basic difference "48' is expressed as the aperture ratio using the core ratio K as a parameter, but it is better not to have a large value throughout the entire consideration range. Therefore, the optimum core radius for the aperture ratio LK is When calculating the ratio K, as shown in Figure 7, it is 0.
．． 5? 4 and υ, then the basic error rate C' is g
'#0.95 d.

ところで１俵積みの数Ｎ、及び−列のファイバ数Ｍを考
慮した誤差率Ｉは（１２）式のように。By the way, the error rate I considering the number N of one bale stack and the number M of fibers in the - row is as shown in equation (12).

俵積みの数ＮｌＩＣは関係な（、Ｍ分の１に減少させる
ことができる。The number of bales NlIC can be reduced by a factor of M.

なお９俵積みの数ＮＦｉ光量を増す働きをする。In addition, the number NFi of nine bales stacked works to increase the amount of light.

ＮＳｓ＋Ｎ５ｚ−ＮＳｒ　　Ｓｔ＋５ｔ−５ｒ　　ｒε
−一−］訂−”　　ＭＳｔ　　　”Ｍ　　　（１２）誤
差率Ｉを所定の値に押えるためには、−列のファイバ数
Ｍを増加する必要があるが、基本的誤差率１′を最小に
設計しておけば、ファイバ数Ｍを少なくすることができ
る。NSs+N5z-NSr St+5t-5r rε
-1-]Revision-"MSt"M (12) In order to suppress the error rate I to a predetermined value, it is necessary to increase the number M of fibers in the - row, but the basic error rate 1' is designed to be the minimum. By doing so, the number M of fibers can be reduced.

以上の原理のもとに１本発明の一実施例を第８図に示す
、＃１８図にシいて、（ｇ）のように投光部（図示せず
）から出た受光マルチファイバ１１の矩形面の受光部７
アイパ１０に入シ、受光素子１２によって電圧に変換さ
れる。受光部ファイバ１０はクラッド部を有する単一フ
ァイバ、最も望ましくはファイバ半径（Ｒ−）の０．５
９６倍の半径（イ）か−らなるファイバを俵積した亀の
である。Based on the above principle, an embodiment of the present invention is shown in FIG. 8. As shown in FIG. Rectangular surface light receiving section 7
The light enters the eyeper 10 and is converted into a voltage by the light receiving element 12. The receiver fiber 10 is a single fiber with a cladding, most preferably a fiber radius (R-) of 0.5.
It is a tortoise made of fibers with a radius (A) 96 times larger than that of the previous one.

この実施例では誤差率８を０．１％以下にするため、Ｍ
−１０に設計した。In this example, in order to make the error rate 8 0.1% or less, M
-10.

なお、光電素子はフォトトランジスタ又はフォトダイオ
一ド又はフォトマルチプライヤ等。Note that the photoelectric element is a phototransistor, photodiode, photomultiplier, etc.

所定の性能を有するものなら良い。It is fine as long as it has the specified performance.

このように本発明によれば、動作中又は静止中のシート
状物体５の変位量を光透過式又は光反射式で光ファイバ
を利用した変位センナによシ、検出するため、小形変位
センナ又はリモート変位センナとして使用できる。マル
チファイバの本原理で光量変化によ）検出するため、実
施例では分解能０．５μ罵という高精度で非接触の測定
ができる。As described above, according to the present invention, in order to detect the amount of displacement of the sheet-like object 5 during operation or at rest using a displacement sensor using a light transmission type or light reflection type and using an optical fiber, a small displacement sensor or a light reflection type displacement sensor is used. Can be used as a remote displacement sensor. Since the multi-fiber principle detects the light intensity by changing the amount of light, non-contact measurement can be performed with high precision at a resolution of 0.5 μm in the embodiment.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第１図は、単一ファイバによるシート状物体の変位量を
検出する従来例の概略図、第２図は単一ファイバの場合
の座標系、第Ｓ図はマルチファイバと変位の関係を示す
図、第４図はファイバコア径の異なるマルチファイバの
変位と光量の関係、第５図はマルチファイバと変位の関
係を求めるための詳細図＊＊６図は開口比りと基本的誤
差率の関係、第７図は最適コア半径比を求めるための関
係図、第８図は本発明によるマルチファイバの実施例を
示す図である。 １：光源、　　　　　　２：レンズ。 Ｓ：単−入射光コアイノ（。 ４：単一受光ファイ、バ、 ５：シート状物体、　６：光電素子。 １０；本発明の単一り２ツドフアイノ（。 １１；本発明の受光マルチファイバ（，１２：本発明の
光電素子。 ′ｆ−１胆 才３　図 焚惧へ 才５図 ？６　記 開口比　し 才　７　図 開口比　し ｌｆ’８　図 （久） （ｂ） 手続補正書（方式） ％式％ 発明の名称　光フアイバセンサ 補正をする者 ”’　ｌ’ｔ　−（’、　’；ｌ　４１　　　日　　立
　　装　　作　　所パｉ・　　弓　　生　　　１）　勝
　　茂代　　　理　　　人 補正のχ、を象　図面の第６図 第３７Figure 1 is a schematic diagram of a conventional example of detecting the amount of displacement of a sheet-like object using a single fiber, Figure 2 is a coordinate system for a single fiber, and Figure S is a diagram showing the relationship between multi-fibers and displacement. , Figure 4 is the relationship between displacement and light intensity for multi-fibers with different fiber core diameters, Figure 5 is a detailed diagram for determining the relationship between multi-fibers and displacement** Figure 6 is the relationship between aperture ratio and basic error rate , FIG. 7 is a relational diagram for determining the optimum core radius ratio, and FIG. 8 is a diagram showing an embodiment of a multi-fiber according to the present invention. 1: light source, 2: lens. S: Single incident light core (. 4: Single light receiving fiber, bar, 5: Sheet-like object, 6: Photoelectric element. , 12: Photoelectric device of the present invention. ) % formula % Name of the invention Person who performs optical fiber sensor correction "'l't - (', '; l 41 Hitachi Sosakusho Pai Yumi 1) Shigeyo Katsu Osamu Drawing illustrating χ of human correction Figure 6, Figure 37

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 変位光フアイバセンナにおいて、光ファイバにクラッド
（被覆）材を使用し、かつ俵積みにする際に、コア半径
比、すなわち、クラット材を含めた光フアイバ半径に対
するコア（芯材）半径の比を明５〜０．６５にすること
を特徴とする光フアイバセンナ。In a displacement optical fiber senna, when using a cladding material for the optical fiber and stacking it in bales, it is necessary to clarify the core radius ratio, that is, the ratio of the core radius to the optical fiber radius including the cladding material. An optical fiber senna characterized by having a thickness of 5 to 0.65.