JPH0687018B2 - 光ファイバ式変位量検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、２本の光ファイバケーブル端の相対変位を検
出することにより可動物体（被検体）の変位量を測定す
るための光ファイバ式変位量検出装置（以下、単に「検
出装置」とも称する）に関し、特に、光ファイバケーブ
ルの端部を１つの座標軸線に沿ってのみを変位すること
を許し、光ファイバケーブル端の相対変位（変位率）を
検出する優れた感度を有する検出装置に関する。

従来の技術及び発明が解決しようとする問題点 光ファイバは、可動物体の変位量検出法に広く使用され
ている。変位量を測定する１つの方法は、第１光ファイ
バケーブル一端を固定し、第１光ファイバケーブルの一
端と整列した第２光ファイバケーブルの可動の一端に変
位量を測定するべき可動物体（（被検体）を取付け、一
方の光ファイバケーブルの他端の光源を接続し、他方の
光ファイバケーブルの他端に受光器を接続する方法であ
る。可動物体が変位すると、それに取付けられた第２光
ファイバケーブルの可動の一端が変位し、それに応じ
て、２本の光ファイバケーブルの一端と一端の間の光の
連結態様が変化し、その結果として光源から受光器が受
取る光の量が変化する。この光の変化量を測定すること
によって被検体の変位量を測定する。

上記のような変位量検出方法に使用するための光ファイ
バ式検出装置に固有の問題点は、光ファイバケーブルの
端部を３つの座標軸線に関して整列させることである。
Ｘ軸線に沿っての変位量を測定する場合、光ファイバケ
ーブル即ち検出器（センサ）の感度は、両光ファイバケ
ーブルの端部のＸ軸線に沿っての相対位置によって左右
される。両光ファイバケーブルの端部がこのＸ軸線に関
してケーブルの直径以上に不整列になる（ずれる）と、
ケーブルを通して光信号が透過（伝送）されない。セン
サの感度は、両光ファイバケーブルの端部のＹ軸線に沿
っての相対位置によっても左右される。又、光ファイバ
ケーブルを通して伝送される、即ち透過される光の強度
は、両光ファイバケーブルの端部の近接度、即ち、両光
ファイバケーブルの端部のＺ軸線に沿っての整列度によ
って左右される。以上のことに鑑みて、１つの座標軸線
に沿ってのみ変位を許し、その変位に対して高度の感度
を有する光ファイバ式変位量検出装置を開発することが
必要とされるに至った。本発明は、この要望を充足する
ことを企図したものである。

発明の目的及び問題点を解決するための手段 本発明は、第１光ファイバケーブルの一端を抱持する第
１端部分と、第２光ファイバケーブルの一端を抱持する
第２端部分を有する片持式ダブルビーム部材を設けるこ
とによって従来技術に随伴する上述した問題点及びその
他の問題点を解決する。両光ファイバケーブルの端部
は、片持式ダブルビーム部材の対向した両端部分を連結
するウエブ部分（中間部分）によって画定される開口内
に密に近接した状態に保持させる。この片持式ダブルビ
ーム部材は、一方の光ファイバケーブルに対する他方の
光ファイバケーブルの変位を１つの座標軸線に沿っての
み許し、他の座標軸線に沿っての両光ファイバケーブル
間の変位は阻止する。又、本発明によれば、両光ファイ
バケーブル間の光透過面積を限定し、装置の感度を高め
るように各光ファイバケーブルの端部の弦形状の一部分
を閉塞する。ここで、「弦形状」とは、光ファイバケー
ブルの円周の弦と円弧によって画定される形状をいう。

実施例 第１図を参照すると、第１光ファイバケーブル12と、第
２光ファイバケーブル14と、第１光ファイバケーブル12
の一端34と第２光ファイバケーブル14の一端38を互いに
離隔関係に保持するビーム部材16から成る本発明の光フ
ァイバ式変位量検出装置10が示されている。

ビーム部材16は、第１ビーム部分即ち端部分22及び第２
ビーム部分即ち端部分24と、該両端部分を連結する互い
に離隔し平行に対向した板状のウエブ部分（中間連結部
分）18,20を有する片持式ダブルビーム構造である。こ
の片持式ダブルビーム部材16の端部分22,24には、互い
に長手方向に整列した貫通孔26,28がそれぞれ形成され
ている。第１端部分22は、固定部材30に固定されてお
り、第２端部分24が第１端部分22に対してＸ軸線に沿っ
て変位するのを許す。

固定部材（固定された部材）30は、第１端部分22の貫通
孔26と整列した孔32を有している。第１光ファイバケー
ブル12は、固定部材30の孔32を通して挿通されてビーム
部材16の第１端部分22の孔26内に堅く抱持され、該ケー
ブルの一端34は、ビーム部材16のウエブ部分18と20の間
の開口36内に位置づけされる。同様にして、第２光ファ
イバケーブル14は、ビーム部材16の第２端部分24の孔28
に挿通されて該孔内に堅く抱持され、該ケーブルの一端
38は、ビーム部材16の開口36内に位置づけされる。ビー
ム部材16の孔26と28とは、Ｙ軸線に沿って整列してお
り、それぞれの光ファイバケーブルの一端34と38も同様
に整列している。両光ファイバケーブル12,14の一端34
と38の間の離隔間隔はできるだけ小さくなるように維持
する。この間隔は、0.254〜0.508mm（0.001〜0.002in）
とした場合に好結果が得られることが判明している。

第１光ファイバケーブル12の他端40は、光源42に接続
し、第２光ファイバケーブル14の他端44は、受光器46に
接続する。

作動に当っては、ビーム部材16の第２端部分（可動ビー
ム部分）24をＸ軸線に沿っての変位量の測定すべき可動
物体即ち被検体（図示せず）に取付ける。可動物体がＸ
軸線に沿って変位すると、可動物体と一緒にビーム部材
16の端部分24も変位し、その結果として第２光ファイバ
ケーブル14の一端38を第１光ファイバケーブル12の一端
34に対しＸ軸線に沿って変位させる。第２光ファイバケ
ーブル14の一端38のＹ軸線及びＸ軸線に沿っての変位
は、ビーム部材16の構造によって機械的に拘束される。
光ファイバケーブル12と14の一端34と38とが整列した状
態では、光源42からの光は、光ファイバケーブル12,14
を通り、受光器46によって受取られる。測定精度の反復
性（即ち測定精度のむらを排除すること）を維持するた
めの、光ファイバケーブル12と14の一端34と38の整列の
校正は、ビーム部材16の端部分22又は24をＸ軸線に関し
て調節することによって行うことができる。

以上の説明から明らかなように、ビーム部材16の可動の
第２端部分24に取付けられた可動物体（被検体）がＸ軸
線に沿って変位すると、光ファイバケーブル12と14の一
端34と38の間の光の連結態様が変化する。従って、受光
器46によって受取られる光の量は、Ｘ軸線に沿っての可
動物体の変位量の関数である。

上述した本発明の検出装置においては、慣用の光ファイ
バ式変位量検出装置の場合と同様に、その感度は光ファ
イバケーブルの一端34と38の両座標軸線Ｘ及びＹに関し
ての整列度に大きく依存する。光ファイバケーブル12の
一端34と光ファイバケーブル14の一端38とが不整列状態
にあるところを示す第２図を参照して説明すると、Ｘ軸
線に関しての不整例量は△Ｘで示され、Ｙ軸線に関して
の不整列量は△Ｙで示されている。両ケーブルの両ケー
ブルを通しての相対光透過率は、光ファイバケーブル12
又は光ファイバケーブル14の総断面積に対する光透過面
積Ａの比率として定義される。ここでいう「透過」とは
光透過のことである。従って、「相対透過率」とは、
「相対光透過率」のことであり、「透過面積」とは、
「光透過面積」のことである。光ファイバケーブル12と
14の一端34と38の間に不整列が存在しない場合、該両ケ
ーブルを通しての相対透過率を１とし、相対感度を最大
限の２で表わすこととする。実際の使用に当っては、両
光ファイバケーブル端の不整列量△Ｘ及び△Ｙは累積公
差によって光ファイバのコアの半径Ｒの最大限1.5倍に
も達することがあり、その結果、第４図に示されるよう
に、感度が0.5未満に低下する。この場合、従来の光フ
ァイバ端整列装置ではしばしば感度不十分で性能を阻害
されることが判明している。又、不整列量△Ｙがある特
定の値である場合、最大限（又は最大限に近い）感度を
得るには両光ファイバケーブル端のＸ軸線に沿っての相
対位置を慎重に調節する必要があることは、第４図から
明らかである。

第１図に示された本発明の検出装置の感度特性を向上さ
せ、Ｘ軸線に沿っての両ケーブル端の不整列の影響を減
少させるために、本発明によれば、第３図に示されるよ
うに、光ファイバケーブル12の一端34の弦形状の一部分
50を閉塞する。同様に、光ファイバケーブル14の一端38
の弦形状の一部分52も閉塞する。これらの２つの弦形状
部分50と52とは、測定すべき変位軸線（Ｘ軸線）に対し
て直角に位置し、ケーブル端34,38の両側に互いに対向
して位置させる。光ファイバケーブル端34,38の弦形状
部分50,52の閉塞は、閉塞すべき部分に吸光性／光反射
性フィルムを被覆することによって行うことができる。
これらの弦形状部分50,52を閉塞した場合、光ファイバ
ケーブル端34,38との間の変位に応じて変化する透過面
積Ａの変化度合が、第２図の場合（ケーブル端が閉塞さ
れていない場合）よりも急激になる。従って、光ファイ
バケーブル端の一部分を閉塞することにより検出装置の
感度を増大させることが理解されるであろう。

再び第４図を参照して説明すると、このグラフは、光フ
ァイバケーブル端の一部分に閉鎖加工を施さない場合の
装置の相対変位（変位率）と相対感度との関係を示す。
第４図から分かるように、感度は、不整列量△Ｙが小さ
いほど大きく、図に示されるどの不整列量△Ｙの場合に
も、感度は、Ｘ軸線に沿っての変位量が増大する過程で
最大値の点を通る。

第５図は、光ファイバケーブル端の一部分に閉鎖加工を
施した場合の装置の相対変位（変位率）と相対感度との
関係を示すグラフである。この場合は、各光ファイバケ
ーブル端34,38の半径の二分の一が閉塞されている。即
ち、H/Rで表わされる閉塞率Ｋ_Ｂは0.5である。ここで、
Ｒは光ファイバケーブルの半径、Ｈは閉塞された部分の
半径方向の厚みである。第５図と第４図を比較すること
によって、変位量△Ｙがどの値の場合にも、閉塞加工を
施した光ファイバケーブルにおいても、施さない光ファ
イバケーブルにおいても、最大感度は同じであるが、閉
塞加工を施した光ファイバケーブルの感度は、閉塞加工
を施さない光ファイバケーブルの感度よりもＸ軸線に関
しての整列度に左右される度合いがはるかに小さいこと
が分る。従って、光ファイバケーブル端の一部分を閉塞
した場合は、光ファイバケーブル12,14を通してのどの
光透過率の場合においても十分な感度が得られるので、
Ｘ軸線に沿っての両光ファイバケーブル端の相対位置を
特に調節する必要がない。

両光ファイバケーブル端の一部分を閉塞することによっ
て感度は改善されるが、即ち、感度が変位軸線（Ｘ軸
線）に関しての両光ファイバケーブル端の整列度合によ
って影響される度合が大幅に減少されるが、閉塞加工さ
れていない光ファイバケーブル端の光透過率対相対変位
率の関係を示す第６図と、閉塞加工された光ファイバケ
ーブル端の光透過率対相対変位率の関係を示す第７図を
比較すれば分かるように、閉塞加工された光ファイバケ
ーブル端の光透過率は減少する。しかしながら、両光フ
ァイバケーブル12,14の一端34,38の一部分を閉塞するこ
とによって透過される（伝送される）光のレベルは低下
するが、その透過される光のレベルは、大抵の慣用の受
光器が感知し得る最低感度限界値を十分に越えているの
で問題はない。特に、不整列量△Ｙが大きい場合は、閉
塞加工された光ファイバケーブル端と、閉塞加工されて
いない光ファイバケーブル端の光透過レベルは殆ど同じ
である。更に、両光ファイバケーブル12,14の一端34,38
の一部分を閉塞すると、第７図に見られるように、ケー
ブル端34と38の相対変位に対する光透過率の関係が線形
化される（直線関係となる）。このように直線関係が存
在することは、微小な変位を感知するための線形装置を
開発することを可能にするという利点が得られる。その
ような線形装置の応用分野として考えられるのは、圧力
トランスジューサや加速度計などである。

上述したように、両光ファイバケーブル12,14の端部34,
38の一部分を閉塞することによって光透過率は低下する
が、相対変調は相当に高くなる。このことは、端部に閉
塞加工を施されていない２本の不整列光ファイバケーブ
ルの相対変位と相対変調との関係を示すグラフである第
８図と、端部の弦形状部分を閉塞した２本の不整列光フ
ァイバケーブルの相対変位と相対変調との関係を示すグ
ラフである第９図を比較すれば明らかである。

測定すべき物体の変位量が微小である場合、検出精度の
点からは、光透過量の絶対変化量ではなく、光透過レベ
ルの相対変化（変化率又は対数差とも称される）が重要
である。従って、端部の一部分を閉塞した光ファイバケ
ーブルを利用した装置は、従来の装置に比べて著しく高
い感度を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の装置の透視図である。 第２図は、２本の光ファイバケーブルの断面図であり、
Ｘ軸線及びＹ軸線に関しての両ケーブルの不整列を示
し、両ケーブルを通しての光透過面積を示す。 第３図は、端部の弦形状部分を閉塞した場合の光ファイ
バケーブルの断面図である。 第４図は、端部に閉塞加工を施されていない２本の不整
列光ファイバケーブルの相対変位と感度との関係を示す
グラフである。 第５図は、端部の弦形状部分を閉塞した２本の不整列光
ファイバケーブルの相対変位と感度との関係を示すグラ
フである。 第６図は、端部に閉塞加工を施されていない２本の不整
列光ファイバケーブルの相対変位と光透過率との関係を
示すグラフである。 第７図は、端部の弦形状部分を閉塞した２本の不整列光
ファイバケーブルの相対変位と光透過率との関係を示す
グラフである。 第８図は、端部に閉塞加工を施されていない２本の不整
列光ファイバケーブルの相対変位と相対変調との関係を
示すグラフである。 第９図は、端部の弦形状部分を閉塞した２本の不整列光
ファイバケーブルの相対変位と相対変調との関係を示す
グラフである。 10:光ファイバ式変位量検出装置 12,14:光ファイバケーブル 16:ビーム部材 18,20:ウエブ部分（中間連結部分） 22,24:端部分（ビーム部分） 26,28:貫通孔 30:固定部材 32:孔 34,38:光ファイバケーブルの一端 36:開口 40,44:光ファイバケーブルの他端 42:光源 46:受光器 50,52:光ファイバケーブル端の弦形状部分 A:光透過面積

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１光ファイバケーブル（12）と、 第２光ファイバケーブル（14）と、 第１光ファイバケーブルの一端（34）を保持する第１ビ
   ーム部分（22）、及び、第２光ファイバケーブルの一端
   （38）を第１光ファイバケーブルの一端（34）に対して
   離隔関係に保持する第２ビーム部分（24）を有する片持
   式ダブルビーム部材（16）と、 第２ビーム部分（24）及び第２光ファイバケーブルの一
   端（38）が第１ビーム部分（22）に対して１組の座標軸
   線（X,Y,Z）のうちの１つの軸線（Ｘ）に沿って変位す
   るのを可能にするような態様で第１ビーム部分（22）を
   静止状態に保持するための固定部材（30）とから成り、
   第２光ファイバケーブル（14）が第１光ファイバケーブ
   ル（12）に対して該１組の座標軸線（X,Y,Z）のうちの
   他の２つの軸線（Y,Z）に沿って変位するのを阻止する
   ようになされている変位量検出装置であって、 前記第１光ファイバケーブル（12）の一端（34）の一部
   分（50）と、前記第２光ファイバケーブル（14）の一端
   （38）の一部分（52）が、光の透過を阻止するように閉
   塞されており、第１光ファイバケーブル（12）及び第２
   光ファイバケーブル（14）の該閉塞部分（50,52）は、
   それぞれの光ファイバケーブルの円周の弦と円弧とによ
   って画定された弦形状であり、第１光ファイバケーブル
   の一端の閉塞された弦形状部分（50）と、第２光ファイ
   バケーブルの一端の閉塞された弦形状部分（52）とは、
   それらの光ケーブルの一端の両側に互いに対向して配置
   されていることを特徴とする変位量検出装置。
2. 【請求項２】前記第１及び第２光ファイバケーブル（1
   2,14）の内の一方の光ファイバケーブルの他端に接続さ
   れた光源（42）と、他方の光ファイバケーブルの他端に
   接続された受光器（46）を備えている特許請求の範囲第
   １項に記載の変位量検出装置。
3. 【請求項３】前記第１及び第２光ファイバケーブル（1
   2,14）の前記閉塞部分（50,52）は、吸光フィルム又は
   光反射性フィルムによって閉塞されている特許請求の範
   囲第１項又は２項に記載の変位量検出装置。
4. 【請求項４】前記片持式ダブルビーム部材（16）の第１
   ビーム部分（22）と第２ビーム部分（24）との間に位置
   し両者を連結している中間連結部分は、該ビーム部材の
   第１ビーム部分と第２ビーム部分とを連結する互いに離
   隔し、平行に対向した１対の板状部材（18,20）から成
   るものである特許請求の範囲第１〜３項のいずれかに記
   載の変位量検出装置。
5. 【請求項５】前記ビーム部材（16）の第１及び第２ビー
   ム部分（22,24）は、それぞれ、前記第１光ファイバケ
   ーブル（12）の一端（34）及び第２光ファイバケーブル
   （14）の一端（38）を挿通し、取付けるための貫通孔
   （26,28）を有している特許請求の範囲第１〜４項のい
   ずれかに記載の変位量検出装置。
6. 【請求項６】前記ビーム部材（16）の第１ビーム部分
   （22）の前記貫通孔（26）と第２ビーム部分（24）の前
   記貫通孔（28）とは、整列している特許請求の範囲第５
   項に記載の変位量検出装置。