JPH09152308A - 変位センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 外部からの振動の影響を受けず、光ファイバ
の微弱な変位が検出できるセンサを提供する。 【解決手段】 コア部の直径が△ａ（ｍｍ）の光ファイ
バ１の一端にレーザー光源２を設け、その他端からＬ
（ｍｍ）離れた位置に、直径が１０Ｌλ／△ａ（ｍｍ）
（λはレーザー光源の波長（ｎｍ））以下の受光部３Ａ
を有する受光体３を設ける。光ファイバ１をマルチモー
ド光ファイバとし、レーザー光源２と光ファイバ１の間
にシングルモード光ファイバ５を介在させること及び／
又は、受光部３Ａと受光体３の間に光ファイバ６を介在
させることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、産業機械の安全装
置、地震計、ハイドロホン、加速度センサなどとして利
用することのできる変位センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、光ファイバの一端に光源を設け、
他端に受光体を設けた光ファイバ式の変位センサが知ら
れている。

【０００３】この方式は、外力により、光ファイバが曲
げられることによる光透過率が変化することを利用し
て、光ファイバの変位の有無を検出するものである。

【０００４】ところが、この場合、光ファイバをかなり
大きく曲げないと変位の有無が検出できず、微小変位の
検出が行えないという感度上の問題があった。

【０００５】また、光ファイバを曲げ過ぎると、光ファ
イバが損傷する等の問題があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、か
かる従来の問題点を解消し、光ファイバの微弱な変位が
検出できる変位センサを提供することを課題とするもの
である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記課題を
解決するために鋭意検討を重ねた結果、レーザー光源に
よるスペックルパターンを光ファイバに適用することを
考え、本発明を完成するに至った。

【０００８】即ち、本発明は、（１）コア部とクラッド
部からなり、コア部の直径が△ａ（ｍｍ）である光ファ
イバの一端にレーザー光源を設け、該光ファイバの他端
からＬ（ｍｍ）離れた位置に、直径が１０Ｌλ／△ａ
（ｍｍ）（λはレーザー光源の波長（ｎｍ）を示す）以
下の受光部を有する受光体を設けたことを特徴とする変
位センサ、（２）光ファイバをマルチモード光ファイバ
とし、レーザー光源と該マルチモード光ファイバの間に
シングルモード光ファイバを介在せしめたことを特徴と
する上記（１）記載の変位センサ、及び（３）受光部と
受光体の間に光ファイバを介在せしめたことを特徴とす
る上記（１）又は（２）記載の変位センサである。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明を説
明する。図１は、本発明の変位センサの一例を示す概略
側面図である。

【００１０】図１において、１は光ファイバ、２はレー
ザー光源、３はフォトダイオード、フォトトランジスタ
などの受光体、３Ａは受光体３の受光部、４は遮光板で
ある。

【００１１】本発明は、レーザー光によるスペックルパ
ターンが光ファイバの変動に応じて変化する現像を利用
したものである。ここで、スペックルパターンとは、レ
ーザー光の散乱によるランダムな位相を持つ波面の重ね
合わせられた結果生じた斑点模様をいう。

【００１２】なお、レーザー光によるスペックルパター
ンについては、Ｊ．Ｃ．Ｄａｎｉｔｙ：Ｌａｓｅｒ Ｓ
ｐｅｃｋｌｅ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｐｈｅｎｏｍ
ｅｎ，ａ Ｓｅｃｏｎｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ（Ｓｐｒｉｎ
ｇｅｒ Ｖｅｒｌａｙ，Ｂｅｒｌｉｎ，１９８４）に記
載されている。

【００１３】光ファイバ１のコア径△ａが光源の波長λ
より十分大きいとき、斑点の大きさは、光ファイバ端面
（出射光側）から受光体３までの距離をＬとするとほぼ
Ｌλ／△ａの大きさとなることが知られている。

【００１４】ここで、光ファイバ１が変位したとき、光
ファイバ１内を伝送する光の光路が変化するため、スペ
ックルパターンに変化が生じる。

【００１５】そこで、受光体３の受光部３Ａをスペック
ルパターンの斑点の１０倍以下の大きさにすることによ
って、光ファイバの変動を検出することができる。

【００１６】本発明においては、受光体３の受光部３Ａ
の直径が１０Ｌλ／△ａ（ｍｍ）以下であることが必要
である。ここで、△ａ（ｍｍ）は光ファイバ１のコア部
の直径、Ｌ（ｍｍ）は光ファイバ１のレーザー光源２設
置部とは反対側の端部から受光体３までの距離、λ（ｎ
ｍ）はレーザー光源の波長を示す。

【００１７】受光部３Ａの直径が１０Ｌλ／△ａ（ｍ
ｍ）を越えると、光ファイバの変位を検出できなくな
る。また、受光部３Ａの直径が小さくなると感度が次第
に低下し、λ（ｍｍ）以下では測定不可能になる。

【００１８】受光部３Ａの直径は、受光体３自体の受光
面を１０Ｌλ／△ａ（ｍｍ）以下としてもよいし、図１
に示すように、直径１０Ｌλ／△ａ（ｍｍ）以下の開口
を有する遮光板４やマスクを設けるようにしてもよい。

【００１９】光ファイバ１は、コアとコアよりも屈折率
の低いクラッドとで構成されているものを使用する。コ
ア及びクラッドの材質は、外力に対して変位するだけの
弾性を有していれば、特に限定されないが、光ファイバ
に外力が加わった際に、光ファイバが適度にまがるよう
に構成するうえで、コアが、シリコーン樹脂、アクリル
樹脂からなり、クラッドが、コアの材質よりも屈折率の
低いシリコーン樹脂、フッ素樹脂、エラストマーからな
っているのが好ましい。光ファイバの外径は０．５（ｍ
ｍ）〜５（ｍｍ）が適当である。

【００２０】レーザー光源２としては、例えば、ＨｅＮ
ｅレーザー、半導体レーザー等を用いることができ、出
力は１（ｍＷ）〜１００（ｍＷ）程度、波長は１００〜
２０００（ｎｍ）程度が適当である。

【００２１】なお、上記の変位センサでは、レーザー光
源２や受光体３において外部から受けた振動、変位が光
ファイバ１や受光部３Ａに影響を及ぼし、外乱の原因と
なり易い。

【００２２】そこで、図２に示すように、光ファイバ１
をマルチモード光ファイバとし、レーザー光源２とマル
チモード光ファイバ１との間にシングルモード光ファイ
バ５を介在させることにより、レーザー光源２の部分で
外部から受けた振動、変位がマルチモード光ファイバ１
に影響を及ぼすのを防止することができる。

【００２３】ここで、シングルモード光ファイバとは、
使用波長において伝送可能な伝搬モードの数が一つだけ
のファイバであり、マルチモード光ファイバとは、使用
波長において複数個のモードが伝搬可能なファイバであ
る。

【００２４】すなわち、シングルモード光ファイバ５内
では、ある特定の一つの位相の光だけが伝送されるた
め、例えシングルモード光ファイバ５にレーザー光源２
から振動が加わっても、スペックルパターンは変化しな
いので光ファイバ１が振動の影響を受けることはない。

【００２５】また、光ファイバ１は、マルチモード光フ
ァイバで構成されているため、わずかな変位でもスペッ
クルパターンが変化し、その変化を検出することができ
る。つまり、シングルモード光ファイバ５とマルチモー
ド光ファイバ１の組合せによって振動に強く、しかも微
小な変位の検出が可能となる。

【００２６】また、図２に示すように、受光部３Ａと受
光体３の間に光ファイバ６を介在させることにより、受
光体３の部分で外部から受けた振動、変位が受光部３Ａ
に影響を及ぼすのを防止することができる。

【００２７】ここで、光ファイバ６はシングルモード光
ファイバあるいはマルチモード光ファイバのいずれであ
っても良く、シングルモード光ファイバを使用したとき
は遮光板４は不要となる。

【００２８】なお、図２において、７は暗箱であり、レ
ーザー光を変調した場合は不要となる。シングルモード
光ファイバ５と光ファイバ６は、両方を用いるのが好ま
しいが、どちらか一方のみを用いてもよい。

【００２９】

【実施例】 （第１実施例）図１において、レーザー光源２として半
導体レーザー、出力１５（ｍＷ）、波長７８０（ｎｍ）
を使用した。また、光ファイバ１として、コアがポリメ
チルメタアクリレート（ＰＭＭＡ）クラッドが、フッ素
樹脂からなる外径１．０（ｍｍ）の光ファイバを使用し
た。さらに、直径０．３ｍｍの受光部３Ａを有する遮光
板４の位置は光ファイバ１の出力より５（ｃｍ）離れた
位置に設置し、このすぐ背後に受光体３としてシリコー
ンフォトダイオードを設置し、変位センサを作成した。

【００３０】この変位センサを用いて光ファイバ１に変
位を与えたところ、図２Ａに示すような光出力信号が得
られた。さらに、この信号を比較回路等公知の信号処理
回路にて二値化した結果、図２Ｂに示す二値化信号が得
られた。この二値化信号のパルス数をカウントすること
により変位量が得られる。

【００３１】さらに、この二値化信号を適宜な信号処理
回路にて処理すれば、速度、加速度も得られる。従っ
て、以下の第３実施例で示すような加速度センサ、ある
いは第４実施例で示すような地震計等への応用が可能で
ある。

【００３２】（第２実施例）次に本発明に係る第２実施
例を図３を用いて説明する。図３において、レーザー光
源２としてＨｅＮｅレーザー、出力１０（ｍＷ）、波長
７８０（ｎｍ）を使用した。また、光ファイバ１とし
て、コアがポリメタアクリレート（ＰＭＭＡ）クラッド
が、フッ素樹脂からなる外径０．５（ｍｍ）の光ファイ
バを使用した。

【００３３】さらに、直径３０μｍの受光部３Ａを有す
る遮光板４を光ファイバ１の出力より５（ｃｍ）離れた
位置に設置し、受光体３としてシリコーンフォトダイオ
ード設置し、シングルモード光ファイバ５として外径
０．５（ｍｍ）の石英ガラスファイバ、さらに光ファイ
バ６として外径０．５（ｍｍ）のプラスチック光ファイ
バを使用し変位センサを作成した。

【００３４】（第３実施例）本実施例は、図４に示すよ
うに、加速度センサとしての実施例であり、図１の実施
例に、さらにオペアンプによる増幅器、比較器、カウン
タ、演算回路、表示回路を付加している。簡単に本実施
例の動作説明をすると、まず、増幅器により受光体３の
光出力信号を増幅させ、次の比較器（コンパレータ）に
より、増幅器により増幅した光出力信号（図２Ａに示
す）を二値化信号（図２Ｂに示す）に変換する。

【００３５】次に、この二値化信号（デジタル信号）の
パルス数をカウンタにて、一定周期の間カウントすると
変位が得られる。さらに、カウンタの出力（変位値）を
演算器にて処理することにより加速度が得られる。

【００３６】（第４実施例）本実施例は、図５Ａ、図５
Ｂに示すように地震計としての実施例である。光ファイ
バは図５Ａの場合には、わくに張った膜（布等）上には
りつけ、一方向のみに可動するようにし、図５Ｂの場合
には、光ファイバをおもりにつるしたロープに複数回巻
きつけるとともに、おもりと連動するよう設置した。こ
こでは、光ファイバ１は外径１（ｍｍ）のプラスチック
ファイバを使用した。

【００３７】

【発明の効果】本発明の変位センサによれば、簡単な方
法で光ファイバの微弱な変位を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の変位センサの一例を示す概略側面図で
ある。

【図２Ａ】本発明の変位センサにおける光出力信号を示
すグラフである。

【図２Ｂ】本発明の変位センサにおける二値化信号を示
すグラフである。

【図３】本発明の変位センサの第２実施例を示す概略側
面図である。

【図４】本発明の変位センサの第３実施例を示す概略図
である。

【図５Ａ】本発明の変位センサの第４実施例を示す概略
図である。

【図５Ｂ】本発明の変位センサの第４実施例を示す概略
図である。

【符号の説明】

１ 光ファイバ ２ レーザー光源 ３ 受光体 ３Ａ 受光部 ４ 遮光板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コア部とクラッド部からなり、コア部の
   直径が△ａ（ｍｍ）である光ファイバの一端にレーザー
   光源を設け、該光ファイバの他端からＬ（ｍｍ）離れた
   位置に、直径が１０Ｌλ／△ａ（ｍｍ）（λはレーザー
   光源の波長（ｎｍ）を示す）以下の受光部を有する受光
   体を設けたことを特徴とする変位センサ。
2. 【請求項２】 光ファイバをマルチモード光ファイバと
   し、レーザー光源と該マルチモード光ファイバの間にシ
   ングルモード光ファイバを介在せしめたことを特徴とす
   る請求項１記載の変位センサ。
3. 【請求項３】 受光部と受光体の間に、光ファイバを介
   在せしめたことを特徴とする請求項１又は２記載の変位
   センサ。