JPH10170235A

JPH10170235A - エバネセント光を利用した微小歪検出器

Info

Publication number: JPH10170235A
Application number: JP32691096A
Authority: JP
Inventors: Kohei Nishimoto; 公平西本
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1996-12-06
Filing date: 1996-12-06
Publication date: 1998-06-26

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、微小な歪の検出も可能な検出器を提
供することを目的とする。【解決手段】本発明に係るエバネセント光を利用した微
小歪検出器は、（Ａ）光源（３）と光ケーブル（２）と
加速度検出部（１）と光ケーブル（２）と変換器（４）
を前記順に配置し、（Ｂ）加速度検出部（１）は、光源
用ファイバーコア（ア）と検出用ファイバーコア（イ）
とクラッド（ウ）を一体化した多芯光ファイバー（１
０）により構成し、（Ｃ）エバネセント光によりファイ
バーコア（ア）と検出用ファイバーコア（イ）との間の
距離（ｒ）を計測することにより微小な歪の検出もでき
ることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、微小な歪も検出す
ることができる歪検器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術を図９に示す。従来の技術で
は、図９に示すように、歪による電気抵抗の値の変化を
ブリッジで計測することにより、歪を検出している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の技術に
は、次のような問題がある。（１）図９のような構成では、歪の検出限界は歪ゲージ
の大きさとゲージ率から定まる。（２）そのため、小型のゲージを用いても、精々、数μ
ｍの位置変位計測が限界であった。本発明は、これらの問題を解決することができる検出器
を提供することを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】

（第１の手段）本発明に係るエバネセント光を利用した
微小歪検出器は、（Ａ）光源（３）と光ケーブル（２）
と加速度検出部（１）と光ケーブル（２）と変換器
（４）を前記順に配置し、（Ｂ）加速度検出部（１）
は、光源用ファイバーコア（ア）と検出用ファイバーコ
ア（イ）とクラッド（ウ）を一体化した多芯光ファイバ
ー１０により構成し、（Ｃ）エバネセント光によりファ
イバーコア（ア）と検出用ファイバーコア（イ）との間
の距離（ｒ）を計測することにより微小な歪を特徴とす
る。（第２の手段）本発明に係るエバネセント光を利用した
微小歪検出器は、第１の手段において、（Ａ）加速度検
出部（１）の多芯光ファイバー（１０）の中心には、光
源からの参照光を導く光源用ファイバーコア（ア）を配
置するとともに、検出用ファイバーコア（イ）を光源用
ファイバーコア（ア）を取り巻くように配置し、（Ｂ）
光源（３）には色素レーザーを用い、（Ｃ）変換器
（４）は、光電変換機能と、増幅機能と、演算機能を有
することを特徴とする。

【０００５】すなわち、本発明は、従来の検出器の検出
限界を超えるために、ｎｍ程度の微小変位計測に用いら
れる近接場顕微鏡の基本原理であるエバネセント光を利
用した多芯光ファイバー（１０）を検出部として使用す
ることを特徴とする．したがって、次のように作用す
る。

【０００６】検出部である多芯光ファイバー（１０）内
に配置された光源用ファイバーコア（ア）からのエバネ
セント光を、同じく多芯光ファイバ（１０）内に配置さ
れた検出用ファイバーコア（イ）で検出することによ
り、ファイバーコア（ア）と検出用ファイバーコア
（イ）間の距離（ｒ）が計測可能になる。そのため微小
な歪も計測することができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）本発明の第１の実施の形態を図１
〜図８に示す。図１は、本発明の第１の実施の形態に係
る加速度検出システムの構成図。

【０００８】図２は、本発明の第１の実施の形態の係る
加速度検出部の詳細図。図３は、第１の実施の形態に係
る光ケーブルの接続例を示す図（１）。図４は、第１の
実施の形態の係る光ケーブルの接続例を示す図（２）。

【０００９】図５は、第１の実施の形態に係る光ケーブ
ルの各断面を示す図。図６は、一般的な光ファイバーの
断面図。図７は、Ｙ方向の加速度が加わり変形した加速
度検出部の詳細図。

【００１０】図８は、軸方向の加速度により全てのコア
間の距離が小さくなった例を示す図である。第１の実施
の形態では、加速度を歪として検出するものについて説
明する。

【００１１】第１の実施の形態は、図１に示すように、
加速度検出部（１）と、光ケーブル（２）と、光源
（３）と、変換器（４）から構成される。加速度検出部
（１）は、図２に示すような構造の多芯光ファイバー
（１０）にわり構成される。

【００１２】光ケーブル（２）は、加速度検出部（１）
の光ファイバーと一体化した光ケーブルである。光源
（３）には色素レーザーを用いる。

【００１３】変換器（４）は、光電変換機能と、増幅機
能と、演算機能を有する。まず、加速度検出部（１）の
構造を説明する。加速度検出部（１）の多芯光ファイバ
ー（１０）の中心には、図１に示すように、光源からの
参照光を導く光源用ファイバーコア（ア）が存在し、そ
れを取り巻くように検出用ファイバーコア（イ）が配置
されている。

【００１４】ここで各ファイバーコア間の距離（ｒ）は
非常に小さいもの（およそ光源光の波長程度）とする。
図３〜図４に、第１の実施の形態に係る光ケーブル
（２）と加速度検出部（１）の接続例を示す。

【００１５】第１の実施の形態では、さまざまな方向の
加速度を検出する為に検出用ファイバコアを複数本配置
しているが、ここでは単純化してＹ方向の加速度のみを
検出する場合を示します。

【００１６】図３に示されるように、光源側では光源用
ファイバーコアのみ、変換器側では検出用ファイバーコ
アのみ接続されていれば機能する。検出部のファイバー
コア間の距離は、前述のように極端に短い為、この検出
部の箇所で接続するのは困難である。

【００１７】そこで、図４のように、接続する部分では
コア間の距離が広く、そこから検出部にかけてコア間距
離が狭くなるような構造にすることが現実的である。第
１の実施の形態では、検出用ファイバーコアが複数本配
置されているが、原理は同じで、図３〜図４に示すよう
に光源側では光源用ファイバーコアのみ、変換器側では
検出用ファイバーコアのみ接続されていれば機能する。

【００１８】図５に、第１の実施の形態に係る光ケーブ
ルの、下記個所の断面を示す。（ａ）光源〜検出部（ｂ）検出部（ｃ）検出部〜変換器図６に、光ケーブル（２）に用いた一般的な光ファイバ
ー（２０）の構造を示す。

【００１９】光ケーブル（２）は、光が通るコア部
（５）と、コア部（５）と異なる屈折率を有するクラフ
ド部（６）と、保護被覆（７）から構成されている。加
速度検出部（１）の光源用ファイバーコア（ア）には、
光源（３）からの単一波長光が導入されている。

【００２０】通常ならば、光源光は加速度検出部（１）
のクラッド（ウ）で全反射され、他のコアには何等影響
をおよぼさないと考えられるが、前述したように本発明
では加速度検出部（１）のコア間の距離（ｒ）が非常に
小さいものになっている。

【００２１】このような場合、エバネセント光と呼ばれ
る現象が現れる。そのため、加速度検出部（１）の光源
用ファイバーコア（ア）を流れる光が、クラッド（ウ）
を超え、検出用ファイバーコア（イ）ににじみ出てく
る。

【００２２】この検出用ファイバーコア（イ）ににじみ
出てきた光を、光ケーブル（２）で伝送し、変換器
（４）で検出し、増幅を行う。検出される光強度（Ｉ
と）光源光強度（Ｉ₀ ）の比は、光の波長（λ）とコア
間の距離（ｒ）の関数である。その関数を式（１）に示
す。

【００２３】Ｉ／Ｉ₀ ＝ｅｘｐ（−２πｎ₁ ｒ／λ） ×［（ｎ₀ ／ｎ₁ ）² ｓｉｎ² φ₀ −１］式（１）ただしＩ検出される光強度Ｉ₀ 光源光強度 λ 光源の波長ｎ₀ コアの屈折率ｎ₁ クラッドの屈折率 φ₀ 入射角ｒ検出用ファイバーコア間の距離ここで加速度検出部（１）にＹ方向に加速度が加わる場
合を考える（図７）。

【００２４】加速度検出部（１）は、加わる加速度によ
り変形し、弾性による復原力と釣り合う状態になる。こ
の変形は微小であり、変位と復原力の間には、式（２）
が成り立つ。

【００２５】ｍａ＝ｋ（ｒ−ｒ′）式（２）ただしａ検出する加速度ｍ光ファイバー部の質量ｋクラッドの材料により定まる定数ｒ′ 変形したファイバーコア間の距離式（１）と、式（２）により検出光の強度からＹ方向加
速度を検出することが可能である。

【００２６】図２のように、加速度検出部（１）の光源
ファイバコア（ア）の周りに、複数の検出用ファイバー
コア（イ）を配置することにより、断面平面内の加速度
と、軸方拘の加速度が検出可能になる（図７、図８参
照）。

【００２７】また式（１）から理解されるように、本検
出装置は光源光（実施例では色素レーザー）の波長を変
化させることにより、広いレンジに渡り計測を行なうこ
とが可能である。（第２の実施の形態）第１の実施の形態では加速度検出
を行ったが、本発明は、従来の歪検出器と同様、圧力検
出等にも利用することができる。

【００２８】

【発明の効果】本発明は前述のように構成されているの
で、以下に記載するような効果を奏する。（１）本発明の検出器により微小な歪も検出が可能にな
る。（２）その性能は原理的には近接場顕微鏡と同等であ
り、従来の歪検出器の性能を大きく上回っている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る加速度検出シ
ステムの構成図。

【図２】本発明の第１の実施の形態の係る加速度検出部
の詳細図。

【図３】本発明の第１の実施の形態に係る光ケーブルの
接続例を示す図（１）。

【図４】本発明の第１の実施の形態の係る光ケーブルの
接続例を示す図（２）。加速度検出部の詳細図。

【図５】本発明の第１の実施の形態に係る光ケーブルの
各断面を示す図。

【図６】一般的な光ファイバーの断面図。

【図７】Ｙ方向の加速度が加わり変形した加速度検出部
の詳細図。

【図８】軸方向の加速度により全てのコア間の距離が小
さくなった例を示す図。

【図９】従来の歪検出部器の構成図。

【符号の説明】

１…加速度検出部２…光ケーブル３…光源４…変換器５…コア６…クラッド７…被覆１０…多芯光ファイバーア…光源用ファイバーコアイ…検出用ファイバーコアウ…クラッドＩ …検出される光強度Ｉ₀ …光源光強度 λ …光源の波長ｎ₀ …コアの屈折率ｎ₁ …クラッドの屈折率 φ₀ …入射角ｒ …検出用ファイバーコア間の距離ｒ′…変形したファイバーコア間の距離ａ …検出する加速度ｍ …光ファイバー部の質量ｋ …クラッドの材料により定まる定数Ｒ₁ 、Ｒ₂ 、Ｒ₃ 、Ｒ₄ …電気抵抗

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（Ａ）光源（３）と光ケーブル（２）と加
速度検出部（１）と光ケーブル（２）と変換器（４）を
前記順に配置し、（Ｂ）加速度検出部（１）は、光源用
ファイバーコア（ア）と検出用ファイバーコア（イ）と
クラッド（ウ）を一体化した多芯光ファイバー（１０）
により構成し、（Ｃ）エバネセント光により、加速度検
出部（１）のファイバーコア（ア）と検出用ファイバー
コア（イ）との間の距離（ｒ）を計測することにより微
小な歪の検出もできることを特徴とするエバネセント光
を利用した微小歪検出器。
【請求項２】（Ａ）加速度検出部（１）の多芯光ファイ
バー（１０）の中心には、光源からの参照光を導く光源
用ファイバーコア（ア）を配置するとともに、検出用フ
ァイバーコア（イ）を光源用ファイバーコア（ア）を取
り巻くように配置し、（Ｂ）光源（３）には色素レーザ
ーを用い、（Ｃ）変換器（４）は、光電変換機能と、増
幅機能と、演算機能を有することを特徴とする請求項１
記載のエバネセント光を利用した微小歪検出器。