JPH0229963B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は固体対象物の歪を測定するための装置
に関し、又測定されるべき負荷応力量を定めるた
めに歪に応答する素子として光ガイド構造の偏向
を利用する様になされた装置に関する。 オプチカルフアイバーに於ける微少曲げ損失は
電磁理論を新しいガイド媒体に適用させることに
関心を有する理論家により充分に検討されて来
た。又フアイバー特性に対する曲げの悪影響を避
けたいと考えるフアイバー製造業者によつて実験
的に検討されて来た。 現在の理論の大部分はMarcatili氏による刊行
物、即ちBell System Technical Journal，
1969、第48巻2103〜2161頁に示される初期の作業
に基いている。Maicarili氏は一般的に光ガイド
構造の動揺の影響を検討した。曲がつたガイドを
光が移行することに対して考えられる損失機構は
次のものがある。 (1) 輻射損失（Radiation Loss） 曲がつた径路を移行する光の内の若干はガイ
ドから外部に側方に輻射される。輻射減衰係数
（αr）は次式から計算することが出来る。 αr＝C₁exp（−C₂r） 但し、ｒ＝曲がりの曲率判径 C₁，C₂＝ｒと無関係な常数 (2) モード結合損失（Mode Coupling Loss） ガイドを曲げることはより高次のモードを生
ぜしめ、これは光沢被覆により減衰させ得る。 (3) モード変換損失（Mode Conversion Loss） これは曲線部に入るか、又はそれから離れる
直線ガイドモードに対して生ずる。 微少曲げ損失態様の更に簡単で、経験的な説明
がZeidler氏によりOptics Communications、
1976、第18巻、553頁に記載されている。実験方
式に於て、オプチカルフアイバーの周期的動揺の
影響が検討された。フアイバーに於ける光の減衰
（α）（dB／ｍ）は次の経験的な効率法則により
表はされる。 α＝b₁・△b₂ 但し △：偏形量（μm） b₁，b₂：△と無関係な常数。 b₁の値は小さな週期（曲げ反覆距離0.25mm）に
対する10^-3dB／mμm^-b2から大きな週期（曲げ反
覆距離20mm）に対する10^-16に渉り、b₂の値は多
モードフアイバーに対する２−４から単モードフ
アイバーに対する４−６の範囲に渉つている。米
国特許第3602037号は液流量計に於ける細いガラ
スロツドの微少偏向を測定し液流即ちロツドに作
用している小さな動きを求める装置を記載してい
る。この液流量計に対する提案はロツド内に入射
される光ビームが壁からの反射での吸収を利用し
ている。このロツドは真直で、ロツドよりも高い
屈折率を有する光吸収性の被覆を与えられてい
る。この液流計はロツドの偏向を求めるために装
置即ちロツドを両様に通過する光の反射形態を利
用している。この設計は特に計器を比較的に鋭敏
ではない様にさせる散光のレベルを増加し、光強
度とロツドの変形との間に非線型関係を与える。
これは限界された範囲の偏向に対して作動し、フ
アイバー光学装置の組合はせを使用するには適し
ていない。ロツド自体以外の対象物の引張応力を
測定することは困難であり妥当な感度で曲げの剪
断応力の測定に適する様にすることのみが可能で
ある。 本発明の目的は固体対象物に於ける歪、特に引
張歪を測定するための装置を提供することであ
り、その装置は設計が比較的簡単で標準的なスト
レインゲージと交換することが出来るものであ
る。本発明はオプチカルフアイバーの感応度を通
常の考え方とは反対に曲げに対して増加させるこ
とを求めるものである。 固体対象物の歪に応答する本発明の装置は、曲
線的な光ガイド構造で所定の屈折率の媒体と、こ
の媒体を取り囲む前記屈折率より低い屈折率の媒
体と、前記構造中に光を投射させる装置と、構造
から発出する光のモード伝播特性の変化を解析す
るための装置とを含むものである光ガイド構造
と； この光ガイド構造を固体対象物にとりつけ、対
象物に作用する応力が構造の曲線形態の変化に転
換され投射光の伝播に於て変化を生じ対象物の歪
が求め得る様になる如く維持する装置と； を含むものである。 光ガイド構造の如きウエーブガイドの光学的伝
播特性はウエーブガイドを移行する光の電磁界パ
ターンの形態を意味するものと了解されている。
パターンの変化は光伝播に於ける変化を生じ、こ
れはウエーブガイドを介して伝達された光に於け
る変化、又は構造から側部外方に輻射された光の
変化、又はウエーブガイドに於ける種々のモード
の中で光エネルギーの分布に於ける変化、又はウ
エーブガイドで移行する光パルスの一時的な分散
の変化になる。これらの変化は、伝達された光強
度、側方輻射光、光モードの空間的分布、光パル
スのパルス分散を測定することにより解析され
る。 本発明により使用される光ガイド構造は被覆構
造、又は非被覆構造のいずれともすることが出来
る。非被覆構造の場合には、所定の屈折率の光ガ
イド構造を取り囲む低い屈折率の媒体は例えば空
気、又は他の流体媒体とすることが出来る。しか
し、光ガイド構造が所定の屈折率よりも低い屈折
率の固体媒体で被覆されていることが望ましい。
この様な構造は取扱はれている際、又は基盤に固
定される場合に触れられることに関して比較的影
響されない。 又本発明によるオプチカルストレインゲージは
単モード光ガイド構造を使用する場合も多モード
構造を使用する場合にも作動する。 本発明によるストレインゲージは歪、圧力、微
小な動き等の測定に応用される。曲げが変化され
れば光波の伝播が変化するから本発明を実施する
ためには光ガイド構造の一つの曲部で充分ではあ
るが、一つ以上の曲部が設けられることが望まし
く、又更に、光ガイド構造が週期的に反覆する曲
部を配置されることが望ましい。この様な複数の
曲部は光ガイド構造内に放射される曲の伝播に於
ける変化を増加させ、これは又本発明による光学
的ストレインゲージの感度を増加させる。典型的
に光ガイド構造は少なくとも一つのフアイバー又
は薄いフイルムで、これはガラス又は他の光ガイ
ド材料例えばポリスチレン又はポリメチルメタク
リレートの如き透明プラスチツク材料から作られ
ている。 本発明により構造をとりつけ維持するための装
置は少くとも二つの固定区域又は固定点を含み、
これに光ガイド構造がとりつけられ構造の全般的
な曲形を維持する。固定区域又は固定点は例えば
基盤の二つの別個な部分に設けたスタツド又は突
起部とすることが出来、この二つの部分を光ガイ
ド構造、即ちガラスフアイバーが貫通している。
二つの部分がその突起部と共に相対的に動かされ
る場合にはガラスフアイバーの曲部は捩られ又は
偏向され、従つてフアイバーに投射された光の伝
播特性は変化する。この変化は歪に比例的であつ
て二つの部分の動きの程度を求めるための手段と
して使用される。 本発明により光ガイド構造の製造中に曲がつた
形状で構造を作り、それを基盤に、又は対象物に
直接にとりつけることも出来る。本発明のこの特
定の実施例はフイルム蒸着、エツチング等により
光学的集積回路としての歪測定装置の生産を可能
とする。 媒体（内側媒体）の所定の屈折率は周囲媒体の
屈折率よりも高く、約３×10^-3乃至30×10^-3の程
度であるのが望ましい。 以下図面を参照して本発明を説明する。 第１図、第２図に於て、オプチカルストレイン
ゲージ（光歪計）１０が示されこれはスタツド１
４の二組のシリース１４′，１４″を含む基盤１１
を有し、各シリース１４′，１４″は基盤１１の別
個の部分１１′，１１″に列をなして配置されてい
る。各シリース１４′，１４″のスタツド１４は互
の他のシリースに関して二つのシリース１４′，
１４″の間に配置された光ガイド構造、即ちガラ
スフアイバー１５が第２図に示す如く、週期的に
偏向即ち曲げられている。 基盤１１の部分１１′，１１″はねじ１６、ボル
ト又は接着剤等の適宜な手段により歪を測定すべ
き対象物１７に固定されている。この対象物１７
は第１図、第２図に於て、簡単なステンレススチ
ールの片持ちバーとして示され、この例ではその
支持部１８と、何れかの側に支持された鋼球の中
心との間の長さが150mmである。片持ちバーの偏
位は片持ちバーの上部の鋼球１９に当接している
マイクロメーターのねぢ２０により変えることが
出来る。マイクロメーターのねぢ２０はバーの上
方（ゲージに引張歪を生ぜしめるため）、又は下
方（ゲージに圧縮歪を生ぜしめるため）の何れに
もとりつけることが出来る。 片持ちバーの表面に於ける歪εはバーの寸法
（長さｌ＝150mm、高さｈ＝3.29mm）と、偏位量ｄ
とに関連する。 ｄ＝l²・ε／ｈ＝6.84×10³・ε …(1) ゲージ１０に於ける歪はこの式の値よりも高い
値であるがそれはフアイバー１５が片持ロツドの
中立面よりも大分離れてとりつけられているから
である。計算を行うに当り補正係数1.33を使用し
た。 上述の如く、スタツド１４の二つのシリース１
４′，１４″の間でガラスフアイバー１５が週期的
に曲げられて居り、マイクロメーターのねぢ２０
の操作によりこのガラスフアイバー１５が捩られ
ると、スタツド１４の二つの列が互いに相対的に
動かされるから、フアイバー１５に於ける光伝播
が変化する。この変化を基盤１１、更に基盤１１
が固定されている対象物の曲げの程度を求めるた
めの手段として使用することが出来る。この曲げ
の程度は加えられた歪の函数である。 ガラスフアイバー１５に於ける光伝播の変化の
測定を行うための光学的装置は標準的な二重ビー
ム方式で第２図に図解されている。レーザー装置
２１（He−Neレーザー）が波長633nmのレーザ
ービーム２２を生ずる。このレーザービーム２２
をビームスプリツター２３を通過させ、ビーム２
２をビーム２２′，２２″に分離させる。レーザー
ビーム２２′はチヨツパー２４とフアイバー１５
へのフアイバー入射レンズ２５とを通過する真直
な径路を進む。フアイバー１５は第２図に従つ
て、スタツド１４の二つのシリース１４′，１
４″により週期的に曲げられている。部分１１′，
１１″の両者を互いに関して調節することにより
フアイバー１５の週期的な曲げを変化させること
が出来る。二組のねぢ２６，２７が微小操作装置
を形成し、フアイバー１５を光学的装置の残余の
ものに関して取付け、整合を可能ならしめる。 フアイバー１５の一端に一旦入射された平行光
ビーム２２′がフアイバー１５の他端から離れる
と、平行像解析用のレンズ又はレンズ系２８、空
間フイルター２９、ビーム再結合用スプリツトプ
リズム３０、平行像解析用の別レンズ２９′、光
検出器３１に入る。光検出器３１はシリコン光検
出器（例えば光ダイオード）とすることが出来
る。 何組かの同心リング（０−1゜、１−2゜等）から
成る空間フイルターは光出力の形態分布を解析す
るために使用される。光ビーム２２″も又チヨツ
パー２４を通過し、ミラー３２，３３により反射
されて中性濃度フイルター３４を通過してビーム
再結合用のスプリツトプリズム３０に入る。 支持体１８の曲げの変化は形状、従つて週期的
に曲げられたフアイバー１５の歪に影響を与え、
このことはフアイバーの光伝播を変化させる。光
伝播の変化は光検出器３１により監視され、基盤
１１と支持部材１８に作用している歪の変化の程
度を求めるために使用される。 ほぼ50〜150Hzの周波数を有するチヨツパー２
４は三つの実体ブレードを有するチヨツパーデイ
スクを含み、このブレードは三つの中間間隙より
も若干大きい。このことは信号ビームであるビー
ム２２′からの光と、基準ビームであるビーム２
２″からの光が光検出器３１でオーバラツプ出来
ないことを確実とする。このことは、さもなけれ
ばビームのオーバーラツプにより生じ得るノイズ
を減少させ、干渉効果の惧れを避ける。二つのビ
ーム２２′，２２″（信号ビームと基準ビーム）の
スプリツトプリズム３０に於ける再結合と、光検
出器３１上への焦点合はせはダイオードの表面に
渉つての高度の均一な応答性から選択される。基
準ビームの強度は中性濃度フイルターの挿入によ
り信号ビームの強度にマツチされている。 光ダイオード信号は（図示のない）ロツクイン
増幅器により位相感知検出される。単ビーム光学
装置、即ち基準ビームなしのものは全光レベルの
約５％のノイズレベルを与えた。二重ビーム光学
装置はノイズを10^-3に低減した。このことは広汎
な測定を行うための妥当なＳ／Ｎ比と長期間のド
リフト安定性を与えた。実験を下表に従つて、フ
アイバー１５を使用するゲージ１０で行つた。

【表】 ラス
種々のフアイバー１５により以下に示す曲げ半
径の最大値（Rmax）及び最小値（Rmin）を使
用出来た。

【表】 第１図、第２図に示すストレインゲージは20×
10×１mmの大きさである。この寸度はかなり低減
させることが出来、又最終的にはフアイバーの寸
度により制限されることが明らかである。フアイ
バーの寸度は10μmの厚さ程度迄小さくすること
が出来る。従つて、どの様な箔式のストレインゲ
ージ、半導体のストレインゲージと同じ寸度で同
じ設計のオプチカルゲージを作ることが可能であ
る。異なる形態のゲージも勿論作ることが出来
る。フアイバーは所望の輪廓を有するホルダー例
えば薄いエツチした金属シートに保持すること、
プラスチツク材料の二枚のシート間に接着するこ
と、第１図第２図に示す様に一組のピンの囲りに
巻付けること等が出来る。更に、在来のゲージの
形状の大抵のもの、例えばデルタ型、ロゼツト
型、杉綾型、正接型、放射型等を作ることが出来
る。 薄いフイルム面のガイドは集積電子回路の調製
に使用される手法と極めて類似した手法により作
ることが出来る。光は数ミクロンの深さの光ガイ
ド材料の表面層に沿つて伝達され、又数十ミクロ
ンの曲げ半径を容易に作ることが出来る。このタ
イプのゲージはより小さく出来る。（５mm平方）。 第３図は第１図、第２図によるオプチカルスト
レインゲージで行はれた圧縮歪測定の結果を示
す。第３図の横軸に示される歪はマイクロメータ
ーねぢ２０を回転させることにより生ぜしめら
れ、又第１図によりｄを(1)式に導入して計算し
た。光検出器３１の読み値（縦軸）は片持ちバー
１７に加えられた歪について読取りの直接的な依
存性を反映するものである。 所謂「ゲージ係数」はストレインゲージの任意
のものの感度に関しての決定的なパラメーターで
あるから、本発明によるオプチカルストレインゲ
ージのゲージ係数に就いて以下に簡単に触れるこ
ととする。 オプチカルゲージのストレインゲージ係数は次
の様に規定出来る。 Ｋ＝１／ε・dI／Ｉ 但し ε：歪 dI：伝達光の強度変化 Ｉ：伝達光 特定のゲージに対するストレインゲージ係数
は、小さな歪を検出するためのゲージの感度を表
はすから顕著なパラメーターである。市販の抵抗
ゲージ、箔ゲージ、ワイヤーゲージは典型的にゲ
ージ係数２を有し、半導体ゲージはより鋭敏でゲ
ージ係数100を有する。第３図から得られるゲー
ジ係数は250で、このことは本発明のゲージが高
い感度を有することを示すものである。 本発明のオプチカルストレインゲージはかなり
の潜在的能力を有し市販の箔ゲージ、半導体ゲー
ジと同等、又はそれ以上の能力があり、多くの価
値ある利点と興味のある設計可能性を具備してい
る。例えば本発明によるゲージは引張にも圧縮に
も使用出来る。又このゲージは大抵の基盤に対す
る温度補償に容易に適合し、又極度に簡単で安価
な構成手法の魅力を与える。更に、このゲージ
は、特にある応用について多くの利点を有してい
る。これは電磁干渉、地表レベルの移動に影響さ
れず過負荷の保護を必要とせずインターフエイス
の問題が減少されて居り、混信、回路の短絡、開
放、端子の分離の問題がない。ゲージは測定され
る機能から電気的に絶縁されている。又これは不
利、若しくは危険な作業環境にも適している。又
このゲージは保安係統にも理想的である。電気的
火災の惧れもなく、消費エネルギーも少い。又こ
のゲージは寸度と重量を節約するがこれは航空宇
宙関係の適用に重要である。光学的ケーブルを伴
う配線は構造の据付け及びテストを大幅に単純化
し、これは誤りを少くし、経費を低下させる。例
えば波長を多重化する場合にそのような利点が得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるオプチカルストレインゲ
ージの一実施例の斜視説明図。第２図は第１図に
示すゲージと共に使用される二重ビーム光学的装
置の説明図。第３図は第１図、第２図により行つ
た歪測定の結果を示すグラフである。 図面に於て、１０…オプチカルストレインゲー
ジ、１１…基盤、１５…ガラスフアイバー、１７
…対象物、２１…レーザー装置、３１…光検出
器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１の媒体がその第１の媒体よりも低い屈折
   率を有する第２の媒体により囲まれて構成された
   曲げられた光ガイド構造と、前記構造内に光を投
   射するための手段と、構造を通過する光のモード
   伝播特性に於ける変化を解析する手段と、使用の
   場合に対象物に作用する応力が前記構造の曲率の
   変化に変換されて投射光のモード伝播に於ける変
   化を生ぜしめる様に前記光ガイド構造を固体対象
   物にとりつけるための手段とを含む固体対象物に
   於ける歪を測定する装置。 ２ 前記第１項の装置に於て、前記構造は少なく
   とも１つのガラス、又はプラスチツク材料のフア
   イバー要素又は薄いフイルムから成る歪測定装
   置。 ３ 前記第１項又は第２項の何れかの装置に於
   て、前記構造を対象物にとりつけるための手段が
   前記構造の概ね曲がつた形態を維持して光ガイド
   構造を取付けることが出来る少なくとも二つの区
   域を含む前記測定装置。 ４ 前記第１項乃至第３項の内の何れか一つの装
   置に於て、光ガイド構造が曲げられた形態で造ら
   れ、そのガイド構造の製造中に基盤に、又は歪を
   測定すべき対象物に直接に固定される歪測定装
   置。 ５ 前記第１項乃至第４項の内の何れか一つの装
   置に於て、第１の媒体の屈折率が第２の媒体の屈
   折率よりも高く約３×10^-3乃至30×10^-3である歪
   測定装置。。 ６ 前記第１項乃至第５項の内の何れか一つの装
   置に於て、光ガイド構造は固体の第２媒体で被覆
   された第１の媒体を含んでいる装置。 ７ 前記第１項乃至第５項の内の何れか一つの装
   置に於て第２の媒体が流体である装置。 ８ 前記第７項の装置に於て第２の媒体が空気で
   ある装置。 ９ 前記第１項乃至第８項の内の何れか一つの装
   置に於て、光ガイド構造が複数の曲部を有する装
   置。 １０ 前記第９項の装置に於て、光ガイド構造が
   中心線について実質的に対称に配置された複数の
   曲部を有する装置。