JPH01318903A

JPH01318903A - 光ファイバを用いた変位センサ

Info

Publication number: JPH01318903A
Application number: JP1103327A
Authority: JP
Inventors: Marc Turpin; マルク・チユルパン; Michele Brevignon; ミシエル・ブレビニヨン; Dominique Rojas; ドミニク・ロジヤ
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1988-04-22
Filing date: 1989-04-21
Publication date: 1989-12-25
Also published as: FR2630537A1; EP0338902A1; FR2630537B1; US4926040A; DE68901681T2; DE68901681D1; EP0338902B1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の背景〕１１へた１本発明は、光ファイバを用いた変位センサに係わり、特
に１０−３に達する相対精度で５０〜１００ｚｚのオー
ダの変位を測定することを可能にする、複屈折光ファイ
バを用いた変位センサに係わる。この種のセンサは、直
線変位の測定にも回転変位の測定にも用いられ得る。

九近」■し２瓜朋− 光ファイバを用いた多くの変位センサが公知である。そ
れらのセンサの殆どは外的であり、即ち１本以上の使用
ファイバは変換要素を構成せず、実質的に情報伝送に用
いられる。光ファイバ中を伝搬される光波の移相を利用
するセンナの様々な構成が提案されており、こ、れらの
構成では干渉計アセンブリ（通常マツハーツエンダー干
渉計）が用いられている。第１図に示した上記のような
センサにおいて、光源１０は偏光束を基準アーム１１及
び測定アーム１２へと発する。アーム１１及び１２は読
み取りシステムと結合されており、これらのアーム１１
．１２が干渉計測定を可能にする。干渉計アセンブリの
アーム１１は基準値を提供するものとして用いられる。

測定アーム１２には変換要素１３が配置されている。測
定アーム１２において光ファイバは通常中断され、変位
を感知する外部システムに結合されている。このような
センサは（数百マイクロメートルの）僅かな変位の測定
に特に適当であると考えられる。干渉計型であってもな
くともよいが別のセンサでは、光ファイバの末端に配置
された感光要素が用いられている（フィゾーマイクロ干
渉計や、伝搬あるいは反射光束に変化を惹起するシステ
ム）。第２図に示したこの種のセンサでは、光源１０は
光ファイバ１４中へ光束を発する。光は、変位を感知す
る要素１５によって光ファイバ１６及び検出器１７の方
へ反射される。しかし、この種のセンサは僅かな変位の
測定にしか用いられ得ない。

本発明は、例えば約１０センチメートルに及ぶ大きい変
位を高い相対精度（例えば１０−”）で測定することを
可能にするセンサに係わる。

そのうえ、このセンナは干渉計測定システムからく例え
ば数百メートル）離曜して配置され得、その際接続ファ
イバに固有の欠陥が測定に影響することはない。

最後に、本発明のセンサは複数個を同一の測定ファイバ
に多重配置することができ、それによって複数の同種の
、あるいは様々な測定を実施することが可能となる。

〔発明の概要〕

従って本発明は、光ファイバを用いた変位センサであっ
て、一偏光軸に従って平面偏光された光を発する光源と、一光源と結合された入力面と、光源の発する光の偏光軸
に一致する複屈折軸とを有し、更に所定の間隔を置いて
配置及び固定された少なくとも２個の結合点を有する複
屈折光ファイバと、−二の光ファイバの可動結合点にお
いて該ファイバの２本の偏光軸間に結合が惹起されるこ
とを可能にする少なくとも１個の可動結合手段と、−光
ファイバにおいて惹起された異なる結合に起因する干渉
の検出を可能にする、光ファイバの出力と結合された解
析手段とを含む変位センサに係わる。

本発明の様々な構成及び特徴を、添付図面を参照しつつ
以下に例示して説明する。

〔好ましい具体例の説明〕

まず第３図に、本発明による変位センサの一具体例を概
略的に示す。

このセンサは主として、平面偏光を保持する単一モード
光ファイバ２から成り、この光ファイバ２には、複屈折
型である該ファイバ２の２本の伝搬軸、即ち低速伝搬軸
及び高速伝搬軸の間に結合を惹起する２個の結合点へ及
びＢが設けられている。２個の結合点へ及びＢは固定さ
れてファイバ２のセグメントＬＨを規定しており、セグ
メントＬＭは該セグメントＬＨに配置された第三の可動
結合点Ｈの相対位置を決定する測定に用いられ得る。可
動結合点と固定結合点との相対間隔を測定することによ
って、可動結合点の絶対変位を測定することができる。

温度の変動は光ファイバの複屈折を様々に変化させる。

その結果、光ファイバ中を伝搬される偏光波の光路差が
変化し、従って実質的に、連続する２結合点間の距離が
変化する。３個の結合点によって規定される二つの光路
差、即ち隣接光路差及び相補的光路差を測定することに
より、温度に関連する問題点を克服して距離を測定する
ことが可能になる。温度に対して非常に代かな感応性し
か有しない平面偏光保持型ファイバを製造することは可
能である。

ファイバ２のような平面偏光を保持する単一モードファ
イバは、単一モードファイバに固有応力を生じるゾーン
を形成して強度の弾性光学的複屈折を創出することによ
って製造される。この種のファイバの標準的な例は、高
度にドープされた２個のロッドがコアの両側にそれぞれ
配置された構造を有する。ファイバ延伸時、様々なガラ
スは最初粘性で、後から固化する０周囲温度への冷却に
おいて、構造のその他の部分よりはるかに大きい熱膨張
率を有するビーブされたロッドは収縮し、従ってコア領
域を引っ張り応力下に置く。弾性光学効果によって、上
記応力が複屈折を創出する。

コアの横断面が楕円形である複屈折ファイバを製造する
ことが可能である。このファイバでは、複屈折の温度へ
の従属性は比較的小さい。

上述のような複屈折はしばしばビート長しｂ、即ちその
終端において光ファイバの互いに直交する２本のニュー
トラル軸に従った偏光が２にラジアンだけ移相される長
さによって規定される。この長さは一般的には１〜５１
Ｒのオーダである。

ファイバ２は２本のニュートラル軸Ｘ及びＹを有する。

ファイバの伝搬指数に従い、一方の軸、例えばＸは低速
伝搬軸に対応し、他方の軸（Ｙ）は高速伝搬軸に対応す
る。

光源１は平面偏光束を発し、この光源１はファイバ２と
、光がファイバ２の入力でファイバ２の一方のニュート
ラル軸に平行な偏光方向Ｐｙよへ偏光されるように結合
されている。第３図の例では偏光方向Ｐｙｇは、ファイ
バ２の例えば高速伝搬軸である軸Ｙの方向に一致する。

上記のようなファイバでは、所定地点に特別の応力か、
あるいは欠陥が存在すると、ファイバの一方のニュート
ラル軸に従って偏光された光は部分的にファイバの他方
のニュートラル軸に従っても偏光される。これが即ち偏
光の結合であり、この地点を結合点という。結合点から
先では二つの光波列が、２本の複屈折軸に従い異なる速
度でファイバ中を伝搬される。

固定結合点＾及びＢは様々な方法で形成され得る。

適当な一方法では、ファイバを弾性的に捩どり、その後
アーク、トーチあるいはレーザ光源で局所的に加熱する
。捩ｌれは、加熱地点で戻り、即ちニュートラル軸を回
転させることによって局所的結合を実現し、その際結果
としていかなる損失ももたらされず、なぜならファイバ
のコアが中断されないからである。結合点へ及びＢは、
これらの点を適正に位置決めされた固定地点に形成する
、またファイバのコアの連続性を損なわないように形成
する任意の方法で設けることができる。

可動結合点Ｈは、変位を測定したい可動要素に固定され
た結合誘発デバイスによって実現され得る。結合点に等
価である偏光の回転の局所的誘発を可能にするファラデ
ー効果を用いることが有効である。この方法は、無接触
でかつ可逆的であるという利点を有する。ファラデー回
転は電磁石（あるいは永久磁石）によって惹起され、該
磁石のおよそ数百マイクロメートルのギャップによって
、光ファイバに対して平行に伸長する磁場ラインを得る
ことが可能となる。後段に詳述する、本発明で用いる干
渉計反復読み取り法は強力な結合点を必要とせず、即ち
通常の磁場の使用を可能にする。

ファラデー回転角度は、関係 θ＝Ｖ−Ｈ−Ｌによって得られる。シリカのヴエルデ定数■は、波長０
．８４マイクロメートルで２．５Ｘ　１０−’ラジアン
／アンペアのオーダである。１０−３の結合点並びに１
１肩の相互作用長に関し、必要な磁場は１Ｉ＝ｏ、５テ
スラのオーダである。

第５図に、偏光の角度θのファラデー回転を示す。

方向ＥＯ，へ偏光された光波は、磁場ＩＩの影響下に距
離１で角度θだけ回転される。その後偏光波Ｅ１は、フ
ァイバ２の２本のニュートラル軸に従って偏光波Ｅｌ、
と偏光波Ｅ１．とに分割される。

所定のファイバセグメントに可動結合点を設は得る、例
えば機械的あるいは熱的手段等信のいかなる手段も本発
明の範囲内であることが留意されるべきである。

本発明のセンナの機能を説明するために、第３図におい
てファイバ２に四つのゾーンＺ＾、ＺＭ、ＺＢ、ＺＰを
設定した。

光源１はファイバ２中へと光波列を発し、この光波列の
偏光方向ｐｙｉはゾーン２＾の結合点人手前では高速伝
搬軸Ｙの方向に一致する。

結合点へから先では、二つの光波列が２本の複屈折軸Ｘ
及びＹに従い異なる速度で光路に沿って伝搬される。即
ち、ゾーンＺＡで結合点へ通過後は、ＰＩＩＡ。に従っ
て偏光された一次光波列（高速）とＰＸＡＯに従って偏
光された第一の結合光波列（低速）との二つの光波列が
得られる。

上記二つの光波列はゾーンＺＨに達する。複屈折軸Ｘに
従った偏光の伝搬速度は軸Ｙに従った偏光の伝搬速度よ
り小さく、（Ｐｉ／ＡＯに対応する）ＰｙＡ＋に従って
偏光された光波列は（ＰｘＡｏに対応する）ＰｘＡ、に
従って偏光された光波列より先にゾーンＺＨに到達する
。

可動結合点Ｈにおいて、ＰｙＡ＋に従って偏光された一
次光波列に偏光結合が起こり、（高速伝搬軸Ｙの方向に
一致する）Ｐｙｘｏに従って偏光された一次光波列と、
　ＰＸＭＯに従って偏光された第二の結合光波列とが生
じる。

ゾーンＺＢにおいて結合点８手前では、−次光波列（Ｐ
ｙｗ　２　）が第二の結合光波列（ＰｘＮ□）の前方に
位置し、第二の結合光波列（ＰｘＨ２）は第一の結合光
波列（ＰｘＡ２）の前方に位置する。固定結合点Ｂに達
すると、光波列Ｐｙ、Ｉ２は一次光波列Ｐｙｉｏと結合
光波列Ｐｘ３゜とに分割される。

検出器３の入力の直前に位置するゾーンＺＰにおいて、
−次光波列Ｐｙｉ＊は第二の固定結合点Ｂで生じた第三
の結合光波列ＰＸ６３の前方に位置し、第三の結合光波
列ＰＸＢ３は可動結合点Ｈで生じた第二の結合光波列Ｐ
ｘｘｚの前方に位置し、第二の結合光波列Ｐｘｘｓは第
一の固定結合点＾で生じた第一の結合光波列ＰＸＡ３の
前方に位置する。

即ち、検出器３は上記４種の光波列を受け取る。

検出器３は、互いに異なるこれらの光波列の位置を同時
に検出し、その結果から第二の結合光波列ＰＸＮ　：ｌ
の、第一の結合光波列ＰＸＡ３並びに第三の結合光波列
Ｐｘａｓに対する相対位置を確認する。この相対位置か
ら、２個の固定結合点＾及びＢに対する可動結合点Ｈの
相対位置が得られ、即ち光ファイバセグメントＬＨにお
いて点Ｈを位置決めすることが可能となる。

検出器３は干渉計測定を可能にする。定義により、光フ
ァイバの線形複屈折りはビート長り、（交叉偏光の二つ
の伝搬モード間で２にの移相を実現するのに必要なファ
イバ長）によって得られる。様々なパラメータ同士を結
合する関係はＢ＝ｎｘ　ｎＦ　　ｌ、：＝λ／Ｂであり、式中λは波長、ｎ８及びｎ、は各偏光軸方向の
屈折率である。

可動結合点がＬｂに等しいファイバ長だけ変位すると、
空気中での自由伝搬において干渉計で１本の干渉縞が生
じ、従って１波長のずれが生じることが直ちに知見され
る。

本発明は、（例えば波長の数十倍程度の）低いコヒーレ
ンスを有する光源を具備する。このような光源によって
、ビート長の数十倍程度σ変位を測定することが可能と
なる。

例えば、ビート長Ｌｂ−’ｌａｗの複屈折ファイバでは
、１００本の縞に対応する１００ｚｘの変位が測定され
得る。システムによる縞の読み取りは非常に正確に実施
され得るが、例えば１本の縞の１７１０までを単純に測
定することで、変位に関し１００／１０００　＝　０　
。

ＩＩの精度、即ち１０−’の相対精度が得られる。

センサ測定に必要な３結合点を干渉計測定に関連して可
視化することは、低コヒーレント光源を用いることによ
って実現される。

第４図に、本発明による変位センサの具体例を詳細に示
す。

光源１は平面偏光波Ｐｙをファイバ２中へと発する。

光波ｐｙには、固定結合点＾で第一の偏光結合、次いで
可動結合点Ｈで第二の偏光結合が起こり、最後に固定結
合点Ｂで第三の偏光結合が起こる。上記様々な結合の結
果は、第３図に関して説明したのと同様である。

結合点Ｂ通過後、−次光波列及び結合光波列は、これら
の光波列を検出器３の方へ送るファイバ２′において総
て同一偏光状態に再調整される。即ち、ファイバ２′に
影響しかねない妨害作用は、ファイバ要素２で結合光波
列に生起した遅延には影響しない、ファイバ２′と結合
され、かつ検出器３内部に配置された偏光子４によって
妨害作用は排除され得る。

即ち、偏光子４は、互いに平行な偏光方向Ｐｌ／ｓ４、
Ｐｘ□、Ｐｘ□、ＰＸＡ４を有する４種の光波列を通す
。

これらの光波列は半透明入力ミラー５を具備したマイケ
ルソン干渉計に送られ、ミラー５は偏光子４から入射す
る光をミラー６及びミラー７に送る。

ミラー６及び７で反射された光波列は再びミラー５によ
って、今度は測定アーム９に送られ、このアーム９にお
いて互いに干渉する。測定装置８によつて、２侶のミラ
ー６及び７から反射された光波列同士の干渉が測定され
得る。

ミラー６は半透明ミラー５から入射する光束の方向に並
進し得る。従って、ミラー５及び６を含む光路は様々な
長さを有し得、この長さを調節することによって上記光
波列同士を、干渉を実現するべく一致させることができ
る。第６図において、ミラー６によって送り返された光
波列を線ａ上に、またミラー７によって送り返された光
波列を線す上に示す。

ミラー６から反射された光波列ＰＸＢ４とミラー７から
反射された光波列Ｐｙａ４とが一致し、その結果これら
の光波列は互いに干渉する。

干渉計での光路長の差は、二つの光波列、即ち一次光波
列（ＰｙＢ４）及び結合光波列（Ｐｘ−、）の間に存在
する遅延に関連する。

その他の結合光波列ＰＸＡ　＜及びＰｘ□も同様に位置
決めされる。結合光波列ＰＸＭ４の、光波列ＰＸＡ４及
びＰＸＢ４に対する相対位置は、可動結合点Ｈの固定結
合黒人及びＢに対する相対位置を示す。

第４図の干渉計には可動ミラー６が設置されている。し
かし、干渉計の少なくとも１個のアームにおいて光路長
を可変とし得るいかなる手段を用いることも適当であろ
う。

従って、本発明の変位センサには平面偏光を保持する単
一モード光ファイバの緒特性が用いられており、これら
の特性は、制御され、かつ長手方向に分配された偏光結
合点の存在に関連するものである。変位の測定は、干渉
計での読み取りによって行なわれる。

基本的なセンサは、（光ファイバにとって）内的な２個
の結合点によって規定された複屈折単一モード光ファイ
バセグメントと、このセグメントに配置された１個の可
動結合点とから成る。外的な可動結合点は無接触であり
、例えばファラデー効果によって実現される。読み取り
は干渉計で行なわれ、使用光源は低いコヒーレンスを有
する。光源の光ファイバ２中でのコヒーレンス長が互い
に隣り合った２個の結合点の間隔を下回るべきであると
いう点が重要である。殊に、可動結合点Ｈの変位の測定
においては、光源１のコヒーレンス長が可動結合点Ｈと
鎖点Ｈに近い方の固定結合黒人あるいはＢとの可能な最
小間隔より小さいことが適当であろう。

第４図に示したような、可動結合点Ｈが２個の固定結合
点Δ及びＢ間で変位する変位センサを実現するためには
、２個の固定結合黒人とＢとの間隔は光源の、可動結合
点Ｈが変位可能であるべき最大距離によって増大された
コヒーレンス長の２倍を上回るべきである。

その際、可動結合点Ｈが結合黒人及びＢ間に配置されて
いるものと仮定したことに留意しなければならない。し
かし、本発明は、結合点Ｈが結合点＾及びＢ間に配置さ
れていないセンサとしても用いられ得る。その場合、固
定結合黒人とＢとの間隔、並びに可動結合点Ｈと鎖点Ｈ
に近い方の固定結合点（八あるいはＢ）との間隔は光源
のコヒーレンス長を上回るべきである。

可動結合点の固定結合点に対する相対位置を干渉計で読
み取ることによって、変位を測定し、かつ使用ファイバ
の複屈折に温度が影響する場合にはその影響を排除する
ことが可能となる。

第７区に示すように、本発明のセンサは直線変位センサ
として用いることができる。ファイバ２は固定結合黒人
とＢとの間で直線状である。ファイバ２の点Ｈにおいて
結合を惹起するデバイス４は、矢印２の方向に直線状に
移動され得る。即ち、本発明のセンサは直線変位を測定
する。

本発明のセンサはまた、第８図に示すように回転変位セ
ンサとしても用いられ得る。ファイバ２は固定結合黒人
とＢとの間で曲線状である。ファイバ２の点Ｈにおいて
結合を惹起するデバイス４は、ファイバ２の中心軸線に
沿って矢印Ｚの方向に移動され得る。即ち、本発明のセ
ンサは、必要であれば回転角度で表され得る回転変位を
測定する。

第９図に示すように、本発明のセンサは複数個の可動結
合点を含むセンサとしても用いられ得る。

この場合、光ファイバ２には幾つかの固定結合点＾、Ｂ
、　Ｃ，Ｄ、　Ｅが設けられ得よう。これらの固定結合
点によって規定された各ファイバ部分はただ１個の可動
結合点Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３を有し、あるいは更に固定結合
点り及びＥによって規定された部分のようにＭ４及びＭ
５といった複数個の可動結合点を有することも可能であ
ろう。

先に述べたように、光源１のファイバ２中でのコヒーレ
ンス長は、ファイバ２の互いに隣り合った２個の固定あ
るいは可動結合点の間隔を下回らなければならない。

本発明のセンサは、変位測定の、例えば１０−３である
優れた相対精度に加え、測定多重化の可能性を有する。

そのうえ、センサ（固定結合黒人とＢとの間に位置する
ファイバ部分）を検出器３（干渉計〉から大幅に（数百
メートル）遠ざけることが可能である。

ここに述べた説明が単なる具体例に関するものであるこ
とはきわめて明らかである。特に、多くの具体例を、単
に説明を理解し易くするために提示した。他の変形例を
本発明の範囲内で実現することは可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は先行技術の例を示す説明図、第３図
は本発明によるセンサの一具体例の概略的説明図、第４
図は本発明によるセンサの一具体例の比較的詳細な説明
図、第５図は偏光のファラデー効果による回転の説明図
、第６図は第４図のセンサのコヒーレンス読み取り機能
の説明図、第７図は直線変位センサとして用いられる本
発明センサを示す説明図、第８図は回転変位センサとし
て用いられる本発明センサを示す説明図、第９図は複数
個の測定点を有するセンサとして用いられる本発明セン
サを示す説明図である。１・・・・・・光源、２・・・・・・光ファイバ、３・
・・・・・解析手段。代理人弁理士　船　　山　　　　式

Claims

【特許請求の範囲】

（１）光ファイバを用いた変位センサであって、−偏光
軸に従って平面偏光された光を発する光源と、 −光源と結合された入力面と、光源の発する光の偏光軸
に一致する複屈折軸とを有し、更に所定の間隔を置いて
配置及び固定された少なくとも２個の結合点を有する複
屈折光ファイバと、−前記光ファイバの可動結合点にお
いて該ファイバの２本の偏光軸間に結合が惹起されるこ
とを可能にする少なくとも１個の可動結合手段と、−光
ファイバにおいて惹起された異なる結合に起因する干渉
の検出を可能にする、光ファイバの出力と結合された解
析手段とを含む変位センサ。
（２）光源が低コヒーレント光束を発することを特徴と
する請求項１に記載のセンサ。
（３）光源が、光ファイバ中でのコヒーレンス長が連続
する２個の結合点の間隔より小さい光束を発することを
特徴とする請求項２に記載のセンサ。
（４）光源が、光ファイバ中でのコヒーレンス長が可動
結合点と該結合点の最も近くに位置する固定結合点との
可能な最小間隔より小さい光束を発することを特徴とす
る請求項３に記載のセンサ。
（５）可動結合点が２個の固定結合点間に配置されてい
ることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
（６）解析手段が、光ファイバから受け取った異なる光
波列を同一解析方向に整列させることを可能にするシス
テムを含み、それによつて、光ファイバの一方のニュー
トラル軸に従って偏光された一次光波列と、光ファイバ
の他方のニュートラル軸に従って偏光された結合光波列
とが同一方向へ向けられることを特徴とする請求項１に
記載のセンサ。
（７）解析手段が可変光路を有するアームを具備した干
渉計を含むことを特徴とする請求項６に記載のセンサ。
（８）可動結合手段が光ファイバにおいてファラデー効
果を生起させる磁場誘発デバイスを含むことを特徴とす
る請求項１に記載のセンサ。
（９）可動結合手段が光ファイバに機械的応力を及ぼす
機械的デバイスを含むことを特徴とする請求項１に記載
のセンサ。
（１０）可動結合手段が光ファイバの局所的加熱を可能
にする加熱デバイスを含むことを特徴とする請求項１に
記載のセンサ。
（１１）可動結合手段が光ファイバの中心軸線に平行な
磁場を誘発することを特徴とする請求項８に記載のセン
サ。
（１２）光ファイバが平面偏光を保持する単一モードフ
ァイバであることを特徴とする請求項１に記載のセンサ
。
（１３）光ファイバが直線状であり、従って可動結合手
段の直線変位が測定されることを特徴とする請求項１に
記載のセンサ。
（１４）光ファイバが曲線状であり、従って可動結合手
段の回転変位が測定されることを特徴とする請求項１に
記載のセンサ。