JPH09510542A - ファイバ光学的ひずみセンサおよびその製造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 光ファイバ（７）は種々のひずみ状態で変動する伝送特性を示し、Ｓ字形マイクロベンドを備えることができる。この種のファイバを生成するために、それが、ファイバの長手方向に視て小領域内で局部的に加熱され、次いで、加熱領域の両側に位置するファイバ（１）の部分が、ファイバの長手方向に関連して横方向へ、互いに関連して移動される。それは、光ファイバ用の在来の融着接続装置で行うことができる。あるいはまた、レーザを熱源として用いることもできるが、レーザは、類似の伝送特性をファイバに対して推論すべく、長手方向空洞を有する光ファイバを処理するのに特に適している。本方法によって作られた光ファイバはセンサ、例えば歪ゲージとしての使用に適している。

Description

【発明の詳細な説明】 ファイバ光学的ひずみセンサおよびその製造 発明の分野 本発明は、光ファイバひずみセンサおよび、特にその製造に関するものである 。 背景 各種の機械的諸量に対する光学的センサは、電気的干渉に対して無感応である という明白な利点を有する。従って、光学的構成諸要素、特に様々な種類の光フ ァイバに基づいたひずみセンサやゲージは、最も変動する環境内での測定に適し ている。また、圧力、温度、充てん面および類似の諸量の如き二次的な機械的諸 量をこの種のセンサにより測定することもできる。適切に設計された光ファイバ を含むひずみセンサの場合、光ファイバ自体の一部分を介して測定位置から監視 ユニットへ、更に信号を伝達することができ、それにより、電気信号伝達に比し 、干渉に対する小さい感度が得られる。 従来の技術 米国特許明細書第５１３２５２９号および、１９８９年９月刊行のジャーナル ・オブ・ライトウェーブ・テクノロジー(Journal of Lightwave Technology)、 第７巻第９号、第１３０８頁以降に掲載のジョナサン・Ｄ・ヴァイス(Jonathan D．Weiss)による記事「ファイバ・オプティック・ストレイン・ゲージ(Fiber-Op tic Strain Gauge)」には、支持体へ固定的に付着された端部１９ａおよび１９ ｂ（参照符号は前記特許に関連）と、固定されずにマイクロベンドを備えた部分 １６とを有する光ファイバひずみセンサが開示されている。このファイバの一端 は光源１３へ接続され、他端は光検出器１５へ接続されている。あるいはまた、 一端を光源および検出器の双方に接続し、他端に反射器を備えることもできる。 更に、光ファイバにマイクロベンドを生成すべく、方法および装置が記載され ている（第２図および第３図）。この方法には、「成形リッジ」３９を備えた電 気加熱される２枚のプレート２９ａ、２９ｂ間にファイバが置かれ、その後、永 久的なマイクロベンドが生成されるよう、プレートが互いに押圧されることが含 まれる。ファイバの材料として、望ましくは光学的特性を備えたプラスチックが 用いられるが、光学的特性を備えた市販のガラス繊維や他の在来のファイバを用 いることもできる。 要約 本発明の目的は、商業的に入手可能な光ファイバからファイバの光学的ひずみ センサやゲージを生成する、例えば標準的な機器を用いる簡単な方法を提供する ことにある。 本発明の別の目的は、商業的に入手可能な光ファイバから、簡単な方法でしか も標準的な機器を用いて製造できる、ファイバの光学的ひずみセンサやゲージを 提供することにある。 これらの諸目的は本発明により達成され、その諸特徴は添付請求の範囲に記載 されている。 ひずみセンサとして用いられるべく意図された光ファイバ内へのマイクロベン ドの永久的導入を達成するため、ファイバ接続機の２組のチャックへ光ファイバ が先ず固定的に付着されるが、チャックは互いに整合しておらず、その後ファイ バはその断面で、ファイバ溶接機の電弧またはレーザにより局部的に加熱され、 それにより、ファイバの加熱された場所に永久的なマイクロベンドが導入される 。チャックの、それらが整合されない状態への移行も加熱中に行うことができ、 その場合チャックは初めて整合される。長手方向空洞光ファイバ中のコアのマイ クロベンドを得る方法にあっては、ファイバの局部加熱により長手方向の孔が閉 ざされ、空洞の閉鎖状態により、屈折率の変化や、大抵の場合、コアのマイクロ ベンドも導入される。 一般に光ファイバは、ファイバの異なるひずみ条件でファイバ内に光を伝搬さ せる変動する光の伝送特性を有して生成される。その場合、ファイバは、それが 機械的応力、特に引張応力または圧縮応力または曲げ応力を受けた場合にファイ バ・コア付近での屈折率の局部的変動や局部的変化が生成される領域を備えるこ とができる。好適な場合、この領域は、ファイバのコアのマイクロベンドを含む ことができる。この種の領域の生成に際しては、ファイバが、ファイバ直径の数 倍未満、例えば単一モード形式の石英ガラス標準光ファイバの場合、ファイバ直 径の５倍未満を包含するファイバの長手方向の延長部を有する小領域にわたり局 部的に加熱される。 ファイバの局部加熱に際しては、光ファイバ用の在来の溶接機の電弧、あるい はまた、適当に高い出力を有するレーザ・ビームを用いることができる。その場 合、それぞれ電弧またはレーザ・ビームによって影響される領域は、ファイバの 厚さ全体にわたり、万遍なくファイバ内に延びる。更に、加熱領域の両側のファ イバの部分は、横方向へ、即ちファイバの長手方向に対しほとんど垂直な方向へ 互いに関連して移動される。その場合ファイバ・コアのマイクロベンドはＳ字形 を伴って生成される。 あるいはまた、長手方向空洞光ファイバを局部的に加熱することもできるが、 その場合にはファイバ内の空洞が崩壊し、ファイバ・コアの付近に機械的応力が 引き起こされる。それらによって加熱領域および隣接領域の屈折率の変化が生じ 、それが伝送特性に影響を及ぼす。 図面の簡単な説明 ここで本発明を、非限定的な諸実施例および添付諸図面を参照して、更に詳細 に説明する。 第１ａ図は、在来の自動ファイバ溶接機によるマイクロベンドの生成を図式的 に示し、 第１ｂ図は、在来の自動ファイバ溶接機によるマイクロベンドの生成を図式的 に示し、 第２図は、在来の光ファイバ内で得られたマイクロベンドを図式的に示し、 第３図は、二重コアを有する光ファイバ内で得られたマイクロベンドを図式的 に示し、 第４図は、長手方向空洞ファイバ内で、いかにしてマイクロベンドを達成し得 るかを図式的に示し、 第５図は、コアのマイクロベンドをそこに達成した長手方向空洞ファイバを図 式的に示し、 第６図は、そのひずみが測定される支持体に付着される光学的ひずみセンサを 図式的に示し、 第７図は、マイクロベンドを有し且つ、同じファイバ部片により、異なる２組 の対象物のひずみを検出すべく用いられる光ファイバを図式的に示す。 詳細な説明 第１ａ図には、側部または上部から視た在来のファイバ接続機１の中央部分が 図式的に示されている。それには、図示されていない機構や駆動体装置により、 互いに関連して一般に３座標方向へ移動され得る保持器３に付着されたプレート またはチャック２がある。更に電極５が、電極５の先端間に電弧６を生成すべく 、図示されていない電圧源に接続されている。互いに溶接される２組の光ファイ バの両端を加熱する通常の場合、電弧６は、チャック２間の中央に位置する領域 を通過する。 ひずみセンサの生産のため、ファイバがチャック２間の空間内を通り且つ電弧 ６が生成される電極５の先端間の領域を過ぎるように、単一の在来の光ファイバ ７、例えば石英ガラスのファイバが２組のチャック２間に置かれる。チャック２ は、通常の如く、融接されまたは単に加熱される光ファイバのための８で表示さ れた案内を有し、それらは、ここに論議される方法の当初の状態において互いに 対向させ且つ整合させて置くことができ、従って光ファイバ７は、基本的にその いかなる曲げも伴わずに一方から他方のチャックへ通過する。次いで電極５の先 端間に電弧６が生成され、それにより、チャック２の前側または端面の間の中央 に位置する光ファイバ７の領域が加熱される。この領域は、ファイバの長手方向 に見て可成り局部的であり、例えば、単一モード形式の標準ファイバの場合、多 くてファイバ直径の約５倍しか包含できない。加熱はファイバ７全体にわたり万 遍なく行われ、ファイバ７の内方部分へ迅速に浸透する。 加熱が十分であり、従って局部的に加熱された領域内の光ファイバ７のガラス が適度に軟化し若しくは半溶融された場合は、保持器３が互いに関連して横に距 離ｄだけ移動され、それによりチャック２も互いに関連して同じ距離ｄだけ横に 移動される。ファイバ７の加熱されない空白部分の剛性と、加熱領域の軟らかさ との故に、第２図に図式的に示す如く、光ファイバのＳ字形式の曲げが生成され る。この加熱および互いに関連する保持器３の移動の後、電極５への電流供給が 中止され、それにより電弧６が消滅する。ここで光ファイバ７は永久的なベンド を導入させるが、それは第２図に示すような形式である。 この生産方法の好適な代替法が第１ｂ図に示されている。この場合は、チャッ ク２内の案内８が当初、整合された状態から距離ｄだけ移動され、その後、光フ ァイバ７が一方のチャック２から他方のそれへ延伸するよう、案内８にそれが位 置付けされる。次いで、チャック２の端面間の領域内にファイバの弱い曲げがも たらされる。その後、上記と同様にして電弧を生成すべく、適当な電気的高圧が 電極５に供給される。これにより、ファイバ７の領域が上記の如く局部的に加熱 され、軟らかく且つ塑性になる。光ファイバ７の非加熱領域の弾性のため、加熱 領域４とチャック２の端面との間のファイバ部分は、それぞれのチャック２内の ファイバの隣接部分と整合すべく、真っ直に伸ばされ、それにより加熱領域４内 の材料は、第２図に示されたと同じＳ字形式の形状に曲げられる。 第２図に示す、生成された光ファイバ７のマイクロベンドは、ベンドが、Ｓ字 状の形に構成された２組の弧または湾曲したセグメントから成り、従って加熱領 域の外側のファイバ７の部分が互いにほとんど平行でありながらほぼ距離ｄだけ 横に移動する、という事実を特徴としている。ファイバ７のコア９およびファイ バ・クラッド１１の表面は、ほとんど同じ輪郭を有する。第２図によるマイクロ ベンドの生産に際しては、上述の如くファイバが、ファイバ７のクラッドの直径 の数倍に相当する、例えばファイバ直径より長く、ファイバ直径の５倍より短い 長さを有する領域にわたり、その長手方向に加熱される。光ファイバの平行移動 量ｄは、多くてファイバ直径の１ないし数倍、例えばファイバ直径の３倍未満、 好適な場合にはファイバ直径の１倍未満の程度の、ファイバ直径の０．５〜１倍 を含む範囲の大きさを有する。 二重コアを有する光ファイバには、互いに密接して延伸し、同じクラッドに包 囲される２組の平行なコアが含まれる。コアが同じ形態を有し且つ互いに隣接し て位置すれば、２組のコア間に結合させることができる。この種のファイバは、 第２図に示したファイバと同様にして曲げることができ、それが第３図に示され ている。この場合湾曲部は、２組のファイバ・コア９′を通過する面に関連して 適切な方向に作られる。湾曲部はこの曲げの後、ファイバ・コア９′が同じ面内 に延伸するよう、有利に作ることができる。次いで２組のコアの光学的諸特性が 変更され、２組のコア間の光の結合がそれにより変更される。 光ファイバ内にマイクロベンドを生成する上述の方法はまた、他のファイバ、 例えば長手方向空洞ファイバ７′に対しても用いることができる。この種のファ イバが第５図に図式的に示され、ファイバ・クラッド１１の内側へファイバ・コ ア９と平行に延伸する長手方向空洞１３がそれに含まれる。空洞ファイバ７′の マイクロベンドを作るためには、第４図に図式的に示された装置を用いることも できる。ここには、長手方向空洞光ファイバ７′を局部的に加熱するために作ら れる光ビーム１７を生成すべく、二酸化炭素レーザが用意されている。空洞１７ を囲むファイバ７′のクラッド内に位置する材料が局部的に加熱されると、それ が崩壊し、従って空洞は加熱領域の部分内に保持されない。材料が崩壊すると、 ファイバ７′のクラッド１１の目に見える湾曲部は全く形成されないが、その代 りに、ファイバ・コア９のマイクロベンドが生成され、それが第５図の１７に明 示されている。コアのマイクロベンドは可成り小さく、コアの平行移動量には、 約１０μのコア直径、一般的には例えばコア直径の０．３倍を有する標準的光フ ァイバに対し、普通、コア直径の０．１倍程度の大きさを備えるファイバ・コア の半径のほんの一部分が含まれる。また。第１図に示す形式の通常の溶接機内の 保持器３またはチャック２のいかなる平行移動も伴わない加熱によりファイバの 対応的な局部加熱を生じさせる可能性があり、それにより、加熱領域を通過する 長手方向空洞１３の対応的な崩壊または閉鎖が生起される。 上に記述され且つそこにマイクロベンドを生成させた、少なくともファイバの コア９のファイバ７、７′がそれらの長さの変化、即ちひずみに遭遇すると、コ アおよびクラッドの双方の形態的諸条件が例えばマイクロベンドのひずみ矯正に より変更され、更に、コア９およびクラッド１１における屈折率の分布について 変化がもたらされる。第３図によるマイクロベンドを備えた二重コアを有する光 ファイバのひずみの場合は、引張応力と圧縮応力との比が低減されて、２組のコ ア間の光の結合の変化をもたらすように、湾曲部をひずみ矯正することができる 。 第４図および第５図による長手方向空洞ファイバの空洞の崩壊または閉鎖に際 しては、極端な場合、ファイバ・コア９の目に見える湾曲部が全く得られないこ とが生じ得る。空洞ファイバは更に、それがひずみを受けた場合、ファイバ・コ ア９に隣接する領域に変更された屈折率をもたらすことができる上、この影響を 検出することができる。 支持体または支持材１９のひずみの測定のための、光ファイバ７の用法の図式 的な絵画が第６図に示されている。例えば多数のマイクロベンド２０を有する、 上記のように処理された１個のファイバ７が、支持材１９へ形造られ且つ、塑性 材料、例えばエポキシ系接着剤のような熱硬化性接着剤から成る接着剤層２１に よりかたく付着される。接着剤を塗布する際には、支持材のひずみの、ファイバ への直接伝達を生起するため、ファイバ７と支持体１９の表面との間の層が極力 薄く且つ剛性であることに注意を払うべきである。光ファイバ７の両端は適当な 検出装置に接続される。図示の場合には伝送測定用の設備が用いられ、この場合 それは、光源２３および光検出器２５を含むことができる。適当な波長を有する 光が光源２３からファイバ７を経て発出され、伝送された光は光検出器２５によ り測定される。第６図に示す如く、例えば約１mmの間隔で幾つかのマイクロベン ドを互いに密接して配置することにより、マイクロベンドを有する領域がひずみ を受けた場合、増大された感度が得られる。 また、他の検出方法を用いることもできる。この種の集成装置が第７図に示さ れており、ここではコアのマイクロベンド２０を有するファイバ７′の２個の領 域が、異なる２組の支持材１３′に付着して置かれている。この場合各領域は、 マイクロベンド２０を有する領域の両側で、接着剤ポンプまたはその他何れかの 取付装置２７により、それぞれの支持材へ付着され、従ってマイクロベンドを有 する領域が支持体から分離されることはない。ファイバの一端は、光の送信器お よび受信器の双方として作動するＯＴＤＲ計器２７へ接続される。受信器部分は 、受信された光の規模を検出し、光ファイバ７′の種々の点、特に２組のマイク ロベンド２０からの逆に拡散された光を識別できる。それにより２組の支持体１ ９′、１９″の各々のひずみを測定できる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ， ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ， ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．種々のひずみ状態で変動する伝送特性を備えた光ファイバを製造する方法 にして、特に領域を有し、機械的応力、特に引張応力または圧縮応力または曲げ 応力をこの領域が受けた場合にファイバ・コア付近での屈折率の局部的変動や局 部的変化が生成され、特にこの領域がマイクロベンドを備えるようにする方法に おいて、多くともファイバ直径の数倍を含むファイバの長手方向の延長部を有す る小領域にわたりファイバが局部的に加熱され、特に延長部がファイバ直径の５ 倍未満であることを特徴とする方法。 ２．請求の範囲第１項に記載された方法において、局部加熱に際し、ファイバ の厚さ全体にわたり万遍なく領域が加熱されることを特徴とする方法。 ３．請求の範囲第１項から第２項までの何れか１項に記載された方法において 、局部加熱に際し、加熱領域の両側のファイバの部分が、Ｓ字形を形成すべく、 ファイバの長手方向に対しほとんど垂直な方向へ互いに関連して移動されること を特徴とする方法。 ４．種々のひずみ条件で変動する伝送特性を備えた光ファイバを生成する方法 において、 ファイバ・コアからのある距離でファイバ・クラッド内のファイバの長手方 向に延伸する空洞を有する長手方向空洞光ファイバが生成されること、および 多くともファイバ直径の数倍を包含するファイバの長手方向の延長部を有す る小領域にわたって空洞ファイバが局部的に加熱され、特に延長部がファイバ直 径の５倍未満であること、を特徴とする方法。 ５．請求の範囲第１項から第４項までの何れか１項に記載された方法において 、電弧により加熱が達成されることを特徴とする方法。 ６．請求の範囲第１項から第５項までの何れか１項に記載された方法において 、特にレーザからの高い強さを有する光ビームにより達成されることを特徴とす る方法。 ７．センサ用としての光ファイバにおいて、ファイバのコアがＳ字形の湾曲部 を含み、且つ、多くともファイバ直径の数倍を包含する湾曲部に隣接するファイ バ部分の平行移動を行い、特に、ファイバの長手方向に対し垂直な方向に見て移 動量がファイバ直径の２倍未満となることを特徴とする光ファイバ。 ８．請求の範囲第７項に記載された光ファイバにおいて、２組のコアを有し、 その各々が湾曲部を備えていることを特徴とする光ファイバ。 ９．請求の範囲第８項に記載された光ファイバにおいて、２組のコアおよび、 特にその、両コアの湾曲部を含む領域がほとんど同じ面内に位置することを特徴 とする光ファイバ。 10．センサ用としての光ファイバにおいて、ファイバ内のコアが、湾曲部に隣 接するファイバ・コアのほとんど真っ直ぐな延長部からの逸脱部の形の湾曲部を 設けられ、その場合逸脱部が、コア半径の半分以下を包含する高さと、クラッド 直径の５倍以下、特に多くともクラッド直径の２倍を包含する長さとを備えるこ とを特徴とする光ファイバ。 11．請求の範囲第１０項に記載された光ファイバにおいて、ファイバが長手方 向空洞ファイバであることおよびファイバ内の長手方向空洞がコアの湾曲部付近 で閉鎖されることを特徴とする光ファイバ。 12．センサとして用いられ且つファイバのコアと平行に延伸する長手方向空洞 を有する光ファイバにおいて、特にクラッド直径の２倍以下を含め、最大でクラ ッド直径の５倍を含むファイバの長さにわたりファイバ内の長手方向空洞が閉鎖 されることを特徴とする光ファイバ。