位相変調子、位相変調子組体及び光センサ
【課題】高精度な測定が可能な位相変調法を光検波手段として使用した光センサを提供する。
【解決手段】本発明は、引っ張り応力に対する偏波面保持ファイバ内を伝播する光の位相変化の違いを利用し、位相変調子１０、送光用偏波面保持ファイバ２３、コイル状偏波面保持ファイバ光学素子３０に適切な偏波面保持ファイバを使用することにより、高精度な測定が可能な光センサを実現する。
【解決手段】本発明は、引っ張り応力に対する偏波面保持ファイバ内を伝播する光の位相変化の違いを利用し、位相変調子１０、送光用偏波面保持ファイバ２３、コイル状偏波面保持ファイバ光学素子３０に適切な偏波面保持ファイバを使用することにより、高精度な測定が可能な光センサを実現する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバに機械的応力を付与して光学的位相変調を印加する位相変調子、それを用いた光センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、光ファイバに機械的応力を付与して光学的位相変調を印加する位相変調子を用いた光センサには様々な種類の光センサが提案されている。この種の光センサとして、例えば、特開２００６−２０８０８０号公報「光ファイバ振動センサ」（特許文献１）の図１（ａ），（ｂ）に記載のもの、特開平６−２６５３６１号公報「位相変調器及びそれを用いた光回転検出装置」（特許文献２）の図１に記載のもの、特表２００２−５１０７９５号公報「サニャック干渉計に基づく光ファイバ音響センサアレイ」（特許文献３）の図２に記載のもの、特開２００７−４０８８４号公報「反射型光ファイバ電流センサ」（特許文献４）の図１に記載のものが知られている。これらの光センサで使用する位相変調子としては、実公平２−６４２５号公報「光ファイバ型位相変調器」（特許文献５）の図１に記載のものや特開平５−２９７２９２号公報「光ファイバ位相変調器」（特許文献６）の図１〜図６、図８〜図１０に記載のものが使用されている。
【０００３】
しかしながら、従来技術には次のような技術的課題があった。特許文献５の図１に記載の位相変調子を用いた光センサは、圧電素子の周りに偏波面保持ファイバを巻いて位相変調子を構成している。この光センサの位相変調子の場合、圧電素子の伸縮によってそれに巻き付けられている偏波面保持ファイバが長さ方向に伸縮し、その際の偏波面保持ファイバの２つの光伝播軸の伝播定数差の変化によって位相変調を光に印加する。しかしながら、無作為に圧電素子に偏波面保持ファイバを巻き付けたのでは、２つの光伝播軸を伝播する光の伝播光量の差異が大きくなり、巻き付け方によっては１つの光伝播軸のみを伝播させる位相変調子となってしまうこともあり得る。これは、特許第３００６２０５号公報「光ファイバ偏光子」（特許文献７）の図６に記載されたような光ファイバ偏光子や下記の非特許文献１〜非特許文献５に記載されている光ファイバ偏光子のように、円筒状の巻枠に偏波面保持ファイバの光伝播軸の一方を円筒状巻枠の径方向に揃えて巻き付けることでファイバ偏光子が構成され、結果として一方の光伝播軸の光が消光されてしまうからである。そのため、偏波面保持ファイバの２つの光伝播軸の制御なしに円筒状もしくは円柱状の圧電素子に巻き付けられて構成される位相変調子を通過した光は、その有効な光信号光量成分が低減し、位相変調の他に強度変調が生じるなど本来の位相変調機能が低減してしまうといった問題点があり、位相変調子の製作歩留まりの悪化や光センサの測定精度の低下といった問題点があった。
【０００４】
特許文献６の図１〜図６、図８〜図１０に開示されているような位相変調子を用いた光センサは、特許文献５の図１に開示された光センサの発展型であり、光ファイバに外部より機械応力を印加することで位相変調を与える位相変調子を用いている。これらの光センサは、特許文献５の光センサと同様に偏波面保持ファイバの２つの光伝播軸の制御に関しては考慮されていなくて、２つの光伝播軸に光信号成分を伝播させ、その一方に相対的な位相変調を与える場合、偏波面保持ファイバの光伝播軸の向きによって伝播光量が損失し、さらには、偏波面保持ファイバに印加される側圧によっても光量損失が起こり、光強度変調が生じてしまうなどの問題点があり、結果として光センサの測定精度が低下する問題点があった。
【０００５】
光センサでは、上述した位相変調子の他にも、偏波面保持ファイバをコイル状に巻いて構成される部位が数多く存在する。特許文献７の図６に記載されている光ファイバ偏光子はその一例であるが、他にも、特許文献４の図１に開示されている反射型光ファイバ電流センサにおける遅延用ファイバコイル、特許文献１の図１の光ファイバ振動センサにおける振動センサコイル部分１２、特許文献２の図１に記載されている位相変調器及びそれを用いた光回転検出装置におけるセンシングループ６などが該当する。これらのコイル状の偏波面保持ファイバ部に外部より振動や熱衝撃が加わると偏波面保持ファイバのコイル形状や巻枠の形状に依存した共振振動や共振収縮が発生する。振動源としては、既に記載した位相変調子の伸縮振動が本来意図していない部位に伝搬することによっても生じ得る。共振振動や共振収縮が発生するとそれらの共振現象によって偏波面保持ファイバの伸縮が発生し、前述の位相変調子と同様の原理で偏波面保持ファイバに位相差が発生してしまう。これらは、本来意図している制御された位相差とは異なる誤差位相差であり、結果として光センサの特性を悪化させ、測定精度を低減してしまう問題点があった。
【０００６】
さらに位相変調子を用いた光センサであって、光信号より被測定物理量を演算する信号処理ユニットと光センサとの間を光学的に接続する非コイル状の光信号の伝送を目的とした送光用偏波面保持ファイバに同様な共振現象が外部より印加される場合も、偏波面保持ファイバを伝播する光に誤差位相差が発生してしまい、結果として光センサの特性を悪化させ、測定精度を低下させてしまう問題点がある。例えば、保護管としての鉄管に前述の送光用偏波面保持ファイバを挿入して構成される光センサの場合、鉄管にわずかな振動や音響を与えるだけで、鉄管内部に音の定在波や振動の定在波が発生し、すなわち共振現象が起こり、結果として共振現象による偏波面保持ファイバの伸縮が発生し、偏波面保持ファイバの伸縮により誤差となる位相差が偏波面保持ファイバを伝播する光に発生し、光センサの特性を悪化させ、測定精度を低下させる問題点がある。特許文献３の図２に記載されている光センサの場合、センサコイル部以外の送光用偏波面保持ファイバで音響の影響を受けて位相差を発生することは誤差原因そのものであり、そのため、送光用偏波面保持ファイバに対して音響の影響を低減することが課題となっていた。
【特許文献１】特開２００６−２０８０８０号公報
【特許文献２】特開平６−２６５３６１号公報
【特許文献３】特表２００２−５１０７９５号公報
【特許文献４】特開２００７−４０８８４号公報
【特許文献５】実公平２−６４２５号公報
【特許文献６】特開平５−２９７２９２号公報
【特許文献７】特許第３００６２０５号公報
【非特許文献１】F. Defornel, M. P. Varnham and D. N. Payne : "Finite cladding effects in highly birefringent fibre taper-polarisers", Electron. Lett., 20, 10, p398-p399(May 1984)
【非特許文献２】M. P. Varnham, D. N. Payne, A. J. Barlow and E. J. Tarbox : "Coiled-birefringent-fiber polarizers", Opt. Lett., 9, 7, p306-p308(July 1984)
【非特許文献３】K. Okamoto : "Single-polarization operation in highly birefringent optical fibers", Appl. Opt., 23, 15, p2638-p2642(Aug. 1984)
【非特許文献４】K. Okamoto, T. Hosaka and J. Noda : "High-birefringence polarizing fiber with flat cladding", IEEE J. Lightwave Technol., LT-3, 4, p758-p762(Aug. 1985)
【非特許文献５】M. J. Messerly, J. R. Onstott and R. C. Mikkelson : "A broad-band single polarization optical fiber", IEEE J. Lightwave Technol., 9, 7, p817-p820(July 1991)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、以上の従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、位相変調特性に優れた位相変調子を使用した光センサであって、外部振動や熱衝撃に強く、かつ、高精度な測定が可能な光センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の１つの特徴は、ボディに機械的振動を誘起する特性を備えた円筒状若しくは円柱状のアクチュエータの周りに、互いに直交する２つの光伝播軸を有する偏波面保持ファイバをそれらの２つの光伝播軸に対して共に約４５°の方向に前記機械的振動による機械的応力を受ける態様にて巻装して成る位相変調子である。
【０００９】
本発明の別の特徴は、ボディに機械的振動を誘起する特性を備えた円筒状若しくは円柱状のアクチュエータの周りに、互いに直交する２つの光伝播軸を有する偏波面保持ファイバをそれらの２つの光伝播軸に対してほぼ等方的な機械的応力を与える態様にて巻装した位相変調子である。
【００１０】
本発明のまた別の特徴は、ボディに機械的振動を誘起する特性を備えた円筒状若しくは円柱状のアクチュエータの周りに互いに直交する２つの光伝播軸を有する偏波面保持ファイバを所定の捻り率で巻き付けて構成した位相変調子である。
【００１１】
本発明のまた別の特徴は、ボディに機械的振動を誘起する特性を備えた円筒状若しくは円柱状のアクチュエータの周りに、互いに直交する２つの光伝播軸を有する偏波面保持ファイバをそれらの２つの光伝播軸に対して共に約４５°の方向に前記機械的振動による機械的応力を受ける態様にて巻装した構成の位相変調子を、防振材に組み付けて成る位相変調子組体である。
【００１２】
本発明の別の特徴は、被測定物理量を測定する光センシング部と、前記光センシング部からの光信号より所定の物理量を演算する信号処理ユニットと、前記光センシング部と信号処理ユニットとの間を光学的に接続する光ファイバとを備え、前記光ファイバは、２つの光伝播軸を有する偏波面保持ファイバであり、前記偏波面保持ファイバの２つの光伝播軸それぞれに光を伝播させる光センサにおいて、前記偏波面保持ファイバとして、引っ張り応力に対して前記２つの光伝播軸の伝播定数差の変化が小さい偏波面保持ファイバを用いた光センサである。
【００１３】
本発明のさらに別の特徴は、被測定物理量を測定する光センシング部と、前記光センシング部からの光信号より所定の物理量を演算する信号処理ユニットと、前記光センシング部と信号処理ユニットとの間を光学的に接続する光ファイバとを備えた光センサにおいて、位相変調子を除くコイル状の偏波面保持ファイバで構成される光学素子には、前記偏波面保持ファイバとして、引っ張り応力に対して２つの光伝播軸の伝播定数差の変化が小さい偏波面保持ファイバを用いた光センサである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、引っ張り応力に対する偏波面保持ファイバ内を伝播する光の位相変化の違いを利用し、位相変調子、送光用偏波面保持ファイバ、コイル状偏波面保持ファイバ光学素子に適切な偏波面保持ファイバを使用することにより、高精度な測定が可能な光センサが実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。
【００１６】
（位相変調子の動作原理）まず、位相変調子の動作原理について説明する。図１の位相変調子１０１は、圧電素子であるＰＺＴ（ピエゾ管）１０１の周りに偏波面保持ファイバ１０２を巻いて構成される。偏波面保持ファイバ１０２を使用するのは、偏波面保持ファイバの２つの光学軸それぞれに互いに相関のない光を伝播させるためである。ＰＺＴ１０１には、所定の波形形状の電圧を印加して、ＰＺＴ１０１の周りに巻かれた偏波面保持ファイバ１０２を伸縮させる。この際の電圧波形は正弦波でも鋸歯状波でも三角波でも矩形波でもかまわない。偏波面保持ファイバ１０２はＰＺＴ１０１の伸縮に伴い、位相変化を生じる。
【００１７】
図２は、ＰＺＴ１０１に所定の電圧波形として正弦波を印加し、偏波面保持ファイバ１０２内を伝播する光に正弦波の位相変調を与えた場合のイメージ図である。同図（ａ）は偏波面保持ファイバ１０２の伸縮長さの変化、同図（ｂ）は伸縮に伴うｘ軸の位相変化、同図（ｃ）は伸縮に伴うｙ軸の位相変化を示し、同図（ｄ）は伸縮に伴うｘ軸、ｙ軸間の相対位相変化を示している。偏波面保持ファイバ１０２の２つの光学軸（ｘ軸、ｙ軸）に生じる位相変化は一般的に等しくならない。そのため、どちらか一方の光学軸を伝播する光が相対的に位相変化を受けることになり（図２の場合、ｘ軸を伝播する光が相対的に位相変化を受ける）、結果として片方の光学軸を伝播する光のみに有効な位相変調を加えることができることになる。ここで、偏波面保持ファイバ１０２の伸縮により、十分な位相変化を光に印加できるか否かが重要なポイントとなる。
【００１８】
偏波面保持ファイバ１０２を伝播する光が位相変化を受けるのは、物理的には光ファイバの伸縮に伴う複屈折の変化に起因する。光ファイバの伸縮により、光ファイバには応力が印加され、かつ、伸縮にともなう断面形状の変化が生じる。以上の点から、光ファイバの伸縮に伴う複屈折の変化Δβは、
【数１】
【００１９】
で表すことができる。ここでΔβＳは伸縮応力に伴う複屈折変化、ΔβＧは断面形状変化に伴う複屈折変化である。
【００２０】
さらに、伸縮応力に伴う複屈折変化ΔβＳは、ＰＺＴ１０１の径方向伸縮に伴う光伝播方向への引っ張り応力（縦荷重応力）による複屈折変化ΔβＳｚと、ＰＺＴ１０１の径方向伸縮に伴うファイバ径方向への横荷重応力による複屈折変化ΔβＳｒに分解することができる。
【数２】
【００２１】
ファイバ伸縮に伴う断面形状は、相対的に変化すると仮定すると、断面形状変化に伴う複屈折変化ΔβＧはΔβＧ≒０となり、無視することができる。よって、ΔβＳｚとΔβＳｒのどちらがより顕著に現れるか評価する必要がある。以下では、横荷重と縦荷重を光ファイバに印加したそれぞれの場合について位相変化を理論的に評価する。
【００２２】
（１）光ファイバに横荷重が印加する場合
円柱に対して外部より横荷重ベクトルＦが印加された場合の円柱中心軸（ｚ軸）上の作用応力は、非特許文献６のMuskhelishviliにより数学的に解析されている。すなわち、図３に示すように、円柱１０５の直径をｄとすると、円柱中心軸上で外力Ｆの方向には、
【数３】
【００２３】
の圧縮応力が、外力Ｆと垂直の方向には、
【数４】
【００２４】
の引っ張り応力が働く。
【００２５】
これらの作用応力は、ｚ軸の近傍に集中して作用する。非特許文献７に記載されているように、光ファイバを円柱１０５と見立てた場合、これらの作用応力は、コア部分の微小領域に作用することになり、これらの作用応力の総和が、本質的に一様に作用することが分かっている。
【００２６】
よって、ｚ軸近傍（コア領域）で外力Ｆの方向（//方向）に作用する応力は、
【数５】
【００２７】
となる。
【００２８】
ここで、マイナスの符号がついているのは、外力Ｆによりｚ軸上では外力Ｆの方向に圧縮応力が作用するためである。
【００２９】
以上から、⊥軸方向、ｚ軸方向それぞれの作用応力は、
【数６】
【００３０】
となる。ここで、νは円柱１０５、すなわち、光ファイバのポアソン比である。
【００３１】
光ファイバのヤング率をＥとすると、それぞれの方向の歪は以下のように表される。
【数７】
【００３２】
次に、光弾性理論から、//方向、⊥方向それぞれの屈折率変化Δｎを計算する。
【数８】
【００３３】
ここで、ｎは無荷重状態におけるファイバコアの屈折率、ｐ１ｉは光ファイバの光弾性定数である。光ファイバは等方性媒体であると仮定し、ｐ１３＝ｐ１２とした。また、
【数９】
【００３４】
と置いた。
【数１０】
【００３５】
ここで、
【数１１】
【００３６】
と置いた。//方向と異なり、⊥方向ではε１とε２とが入れ違いになっているのは、光弾性定数に対して作用応力の方向が９０°異なるためである。
【００３７】
以上から、横荷重ベクトルＦにより生じる光ファイバのコアの屈折率変化Δｎは、
【数１２】
【００３８】
となる。
【００３９】
次に横荷重Ｆにより生じた光ファイバのコアの屈折率変化Δｎによる位相変化率Δφ／φを計算する。ここで、位相差φは、以下のように定義される。
【数１３】
【００４０】
ここで、Ｌは光ファイバの長さ、λは光の波長である。
【００４１】
よって、位相変化率Δφ／φは、以下のように展開できる。
【数１４】
【００４２】
ここで、ΔＬ／Ｌは光ファイバの長さの変化率であり、ｚ方向の歪に等しい。
【数１５】
【００４３】
よって、
【数１６】
【００４４】
となる。
【００４５】
（２）光ファイバに縦荷重が印加する場合
次に、図４に示すように、光ファイバの光伝播方向に力が働く場合（縦荷重の場合）について考える。まず、ｚ軸、ｒ軸方向のそれぞれの応力は、
【数１７】
【００４６】
となる。よって、ｚ軸、ｒ軸方向のそれぞれの歪は、
【数１８】
【００４７】
となる。ここで、Ｅは光ファイバのヤング率である。
【００４８】
よって、光弾性理論より屈折率変化Δｎを計算すると、
【数１９】
【００４９】
となる。
【００５０】
ここで、光ファイバは等方性媒体と仮定し、ｐ１３＝ｐ１２とした。また、
【数２０】
【００５１】
と置いた。
【００５２】
以上の結果から、縦荷重Ｆにより生じた光ファイバのコアの屈折率変化Δｎによる位相変化率Δφ／φを計算すると、
【数２１】
【００５３】
となる。
【００５４】
（３）光ファイバに印加される荷重により生じる位相変化の評価
上記の横荷重、縦荷重に対する光ファイバの位相変化率Ｓ１，Ｓ２から実際にどちらの荷重の影響が大きいのか評価を行う。以下、光ファイバは一般的な石英シングルモードファイバとして評価する。尚、石英シングルモードファイバの物性値は、図５の表１にまとめた通りである。
【００５５】
まず、横荷重に対する位相変化率Ｓ１は、
【数２２】
【００５６】
と評価される。ここで、ＦはＮ（ニュートン）単位である。
【００５７】
次に、縦荷重に対する位相変化率Ｓ２は、
【数２３】
【００５８】
と評価される。ここでも、ＦはＮ（ニュートン）単位である。
【００５９】
よって、Ｓ２≫Ｓ１であり、縦荷重に対する位相変化が支配的であり、横荷重に対する位相変化は無視できる。
【００６０】
以上は、一般的な石英シングルモードファイバに関する考察であるが、ＰＺＴ１０１の周りに偏波面保持ファイバ１０２が巻かれるため、偏波面保持ファイバ１０２に対する横荷重と縦荷重の影響を評価する必要がある。偏波面保持ファイバ１０２は、ファイバコアに外部より応力を印加することで複屈折を誘起し、又は、ファイバコアの形状により複屈折を誘起し、複屈折に沿った方向の直線偏光を伝播させた場合、その偏波状態を保持したまま直線偏光を伝播できるファイバを構成している（図６参照）。すなわち、常時、一定の横荷重を光ファイバに印加した状態と考えることができる（図７参照）。尚、図６（ａ）はパンダ型ファイバ１１１であり、同図（ｂ）はボウタイファイバ１１２である。これらは応力付与により複屈折を形成する。そして同図（ｃ）は楕円コアファイバ１１３であり、コア形状により複屈折を形成する。図７はシングルモードファイバ１１４に一定の横荷重を印加したとき、その外力により誘起される複屈折軸の様子を示している。
【００６１】
よって、偏波面保持ファイバ１０２に対して、さらに外部より横荷重変化ベクトルΔＦを印加したとしても、位相変化分はΔＦに起因した変化分であり、縦荷重による変化よりも十分小さいと結論付けることができる。よって、偏波面保持ファイバ１０２に対しても縦荷重が位相変化の主要因であると評価される。
【００６２】
（４）偏波面保持ファイバの縦荷重の影響（ファイバの種類による位相変化の違い）
図１に示したＰＺＴ１０１の周りに偏波面保持ファイバ１０２を巻きつけて構成される位相変調子１００は、ＰＺＴ１０１の径方向伸縮変位により生じる偏波面保持ファイバ１０２の伸縮(縦荷重)により位相変化が生じる。この際、偏波面保持ファイバ１０２の２つの光学軸それぞれに対して位相変化が生じ、それぞれの軸の位相変化の相対的な差が有効な位相変化分となる。そこで、どのようなタイプの偏波面保持ファイバが縦加重に対してどれだけ位相変化を及ぼすかが重要となる。以上の点から、図６（ａ）に示したパンダ型ファイバ１１１、同図（ｂ）に示したボウタイファイバ１１２、同図（ｃ）に示した楕円コアファイバ１１３の３種類の偏波面保持ファイバに対して縦荷重を与えた場合の位相変化の評価を以下で行う。
【００６３】
偏波面保持ファイバの２つの光学軸を伝播する光の電界成分Ｅは、下記の式に従う。尚、簡単のため各伝播光の電界強度はＥ０で同じとする。
【数２４】
【００６４】
ここで、ωは光の角周波数、βｘ，βｙは偏波面保持ファイバ１０２の各光学軸の光の伝播定数である。
【００６５】
簡単のため位相をシフトすると、
【数２５】
【００６６】
ここでδβ＝βｘ−βｙは偏波面保持ファイバ１０２の各光学軸間の伝播定数差である。
【００６７】
よって、偏波面保持ファイバ１０２の光伝播軸に対して入射角４５°で入射した直線偏光は、δβ・ｚ＝２ｎπ周期で、図８のように偏波状態がビートすることになる。以上から、ビート長Ｌｂは、以下の式で定義される。
【数２６】
【００６８】
さて、偏波面保持ファイバに縦荷重が印加されると、屈折率が変化し、結果的に各光学軸の伝播定数が変化する。これを数式で表すと、
【数２７】
【００６９】
となる。よって、縦荷重を偏波面保持ファイバに印加した場合、偏波面保持ファイバを伝播した光の位相が変化し、結果として光量変化から伸びΔｚと位相変化Δφを評価することができる。
【００７０】
以上の理論考察を元に、各種偏波面保持ファイバに対して縦荷重を印加した場合のファイバの伸びに対する位相変化を図９〜図１４に、その結果を図１５の表２にまとめて示す。
【００７１】
以上の結果より、パンダ型ファイバは、縦荷重に対する位相変化が、ボウタイファイバや楕円コアファイバと比較し、約２０倍程度大きい。
【非特許文献６】Muskhelishvili, N. I., “Some basic problems of the mathematical theory of elasticity” (P. Noordhoff, Groningen, Holland, 1953), p324-328
【非特許文献７】Smith, A. M., Electronics Letters, vol.16, No.20, p773-774, 1980 以上の評価を元に、以下、本発明の実施の形態を具体的に説明する。
【００７２】
（第１の実施の形態）本発明の第１の実施の形態の光センサについて、図１６を用いて説明する。図１６に示す位相変調子１０は、円筒状のピエゾ管（ＰＺＴ）の圧電素子１１の周りに偏波面保持ファイバ１２をその光伝播軸の方向１２ａ，１２ｂと円筒状圧電素子１１の機械的応力の方向１１ａ〜１１ｄとが約４５°となるように巻き付けて構成している。このような構成の位相変調子１０を用いた光センサは、例えば、特許文献１の図１に示されている従来例のように構成でき、また、特許文献２の図１に示されている従来例において位相変調器７の部分に当該位相変調子１０を採用することにより、さらには特許文献３の図２に示されている従来例において光ファイバ音響センサ２１２として当該位相変調子１０を採用することにより構成される。その他にも本実施の形態の位相変調子１０を用いた光センサは、従来例として示した各種の構成が可能である。
【００７３】
本実施の形態における位相変調子１０の動作について説明する。偏波面保持ファイバ１２にその光伝播軸の方向１２ａ，１２ｂに対して約４５°の方向１１ａ〜１１ｄに機械的応力を与えることにより、偏波面保持ファイバ１２の２つの光伝播軸に加わる機械的応力をほぼ均等化でき、機械的応力による偏波面保持ファイバ１２の光の伝送損失が一方の光伝播軸に偏らないようにすることが可能となり、結果的に、光強度変調を小さくすることができる。
【００７４】
位相変調子１０に正弦波の電圧信号を与え、偏波面保持ファイバ１２に位相変調を与える場合について考える。正弦波電圧信号の周波数（変調周波数）をωｍとすると、偏波面保持ファイバの２つの光伝播軸（ｘ軸、ｙ軸とする）を伝播する光の強度（Ｐｘ、Ｐｙ）は、簡略化した式で、
【数２８】
【００７５】
と表すことができる。ここで、Ｐｘ，ｔ，Ｐｙ，ｔは偏波面保持ファイバ１２を伝播する光量の大きさで、ΔＰｘ，ｌ，ΔＰｙ，ｌは偏波面保持ファイバ１２に機械的応力が印加されることにより損失する光量である。偏波面保持ファイバ１２の２つの光伝播軸の片方に機械的応力が偏っている場合、例えば、ｘ軸に偏っている場合、ΔＰｘ，ｌ・ｓｉｎ（ωｍ・ｔ）の項の影響が大きくなり、結果としてｘ軸では強度変調を受けることになる。位相変調子を用いた干渉型の光センサの場合、干渉光量の強弱より、測定物理量を求めるが、強度変調が存在する場合、強度変調による光の強弱信号がノイズとなり、測定システムの精度を低下させる。よって、強度変調を生じにくい図１６の構成の位相変調子１０を用いることで、高精度な測定が可能な光センサを実現できる。また、有効光量は、ｘ軸を伝播する光とｙ軸を伝播する光との干渉成分となるため、Ｐｘ、Ｐｙの値のいずれか低い方の値によって決まる。よって、偏波面保持ファイバ１２の２つの光伝播軸の片方に機械的応力が偏っている場合、例えば、ｘ軸に偏っている場合、伝播損失が大きな時間領域において有効光量が低減することになり、測定システムの有効信号成分が低減し、結果として光センサの測定精度を低下させる。これに対して、図１６の構成の位相変調子１０を用いることで有効光量の低減を小さくすることができるため、高精度な測定が可能な光センサが実現できる。
【００７６】
尚、図１６に示した第１の実施の形態の位相変調子１０では、ＰＺＴの圧電素子１１を用いているが、これに代えて、ＰＬＺＴセラミック素子（チタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体に酸化ランタンを添加したチタン酸ジルコン酸ランタン鉛のセラミック素子）を用いたアクチュエータ（光によってセラミックに機械振動を誘起）など各種セラミック素子を用いることで、容易に偏波面保持ファイバ１２へ機械振動を与えることができ、しかも任意の波形の位相変化を偏波面保持ファイバ１２へ印加できる位相変調子が構成できるため、それを用いて構成した光センサの信号処理（セロダイン検波やヘテロダイン検波などの検波手段）に裕度を持たせることができ、結果として光センサの測定精度を向上させることができる。
【００７７】
（第２の実施の形態）本発明の第２の実施の形態の位相変調子１０Ａについて、図１７を用いて説明する。本実施の形態の位相変調子１０Ａは、直方体型圧電素子１１Ａに穴を開け、その穴に偏波面保持ファイバ１２Ａを挿入して圧電素子１１Ａと接着剤などで固定した構成である。
【００７８】
この位相変調子１０Ａでは、圧電素子１１Ａにあけられた穴の周りでは、偏波面保持ファイバ１２Ａの側面に対して、等方的な機械的応力１１ｅが印加される。また、偏波面保持ファイバ１２Ａの光伝播方向１１ｆに対しても直方体型圧電素子１１Ａは機械的応力が発生し、偏波面保持ファイバ１２Ａに引っ張り応力を印加することで有効な位相変調を、偏波面保持ファイバ１２Ａを伝播する光に印加する。
【００７９】
尚、本実施の形態の位相変調子１０Ａを用いて光センサを構成する場合、第１の実施の形態と同様に、従来例として示した各種構成が可能である。
【００８０】
本実施の形態の位相変調子１０Ａでは、偏波面保持ファイバ１２Ａの２つの光伝播軸に対してほぼ等方的な機械的応力１１ａを与えることにより、機械的応力１１ａによる偏波面保持ファイバ１２Ａの光の伝送損失が一方の光伝播軸に偏らないようにすることが可能となるため光強度変調を小さくすることができる。また、機械的応力１１ａによる偏波面保持ファイバ１２Ａの光伝播軸間の伝送損失差が小さくなるため、有効な光信号光量成分を大きくでき、高精度な測定が可能な光センサを実現できる。
【００８１】
（第３の実施の形態）本発明の第３の実施の形態の位相変調子について、図１８を用いて説明する。本実施の形態の位相変調子１０Ｂは、第１の実施の形態と同様に円筒状の圧電素子１０Ｂの周りに偏波面保持ファイバ１２Ｂを巻装した構成である。
【００８２】
そして本実施の形態の特徴は、この偏波保持ファイバ１２Ｂを、圧電素子１１Ｂの周りに所定の捻り率で巻き付けて構成した点にある。例えば、偏波面保持ファイバ１２Ｂを圧電素子１１Ｂに１巻き当たり１捻りするように巻くことで、１巻きごとに偏波面保持ファイバ１２Ｂの２つの光伝播軸に加わる機械的応力を均等化することができる。この位相変調子１０Ｂを用いた光センサとしては、従来技術で示した各種のものが構成できる。
【００８３】
本実施の形態の位相変調子１０Ｂでは、偏波面保持ファイバ１２Ｂを円筒状の圧電素子１１Ｂの周りに所定の捻り率で巻き付けることにより、偏波面保持ファイバ１２Ｂの２つの光伝播軸１２ａ，１２ｂに加わる機械的応力１１ａ〜１１ｄを均等化することができ、２つの光伝播軸１２ａ，１２ｂ間の曲げ応力による光伝送損失差を小さくすることができるため有効な光信号光量成分を大きくでき、高精度な測定が可能な光センサが実現できる。また、圧電素子１１Ｂにより印加される機械的応力１１ａ〜１１ｄも偏波面保持ファイバ１２Ｂの２つの光伝播軸１２ａ，１２ｂに対してほぼ均等化でき、機械的応力１１ａ〜１１ｄによる偏波面保持ファイバ１２Ｂの光の伝送損失が一方の光伝播軸に偏らないようにすることが可能となり、光強度変調を小さくすることができる。また、圧電素子１１Ｂの機械的応力１１ａ〜１１ｄによる偏波面保持ファイバ１２Ｂの光伝播軸１２ａ，１２ｂ間の伝送損失差が小さくなるため有効な光信号光量成分を大きくでき、高精度な測定が可能な光センサが実現できる。加えて、従来のように無作為に円柱状又は円筒状の圧電素子の周りに偏波面保持ファイバを巻き付けて構成される位相変調子と比較して変調特性が安定し、位相変調子の歩留まりが向上する。
【００８４】
尚、上記の第１の実施の形態、第３の実施の形態では円筒状圧電素子１１Ａ，１１Ｂを用いた場合を示したが、円柱状の圧電素子を用いても同様な効果を有する位相変調子を構成することができる。
【００８５】
また、上記の第１の実施の形態、第３の実施の形態では、偏波面保持ファイバ１２，１２Ｂにパンダ型光ファイバを用いることで、ボウタイファイバや楕円コアファイバと比較して引っ張り応力に対して約２０倍の位相変調を得ることができる。そのため、効率的に位相変調を印加できる位相変調子１０，１０Ｂを構成でき、結果として高精度な測定が可能な光センサが実現できる。
【００８６】
一般に量産されている偏波面保持ファイバには、そのクラッド径が約１２５μｍのものと約８０μｍのものとがある。クラッド径が小さな光ファイバほど、光ファイバ自体に印加される曲げに起因したファイバ側圧方向の機械的応力が小さなため、偏波面保持ファイバ１２，１２Ｂにクラッド径８０μｍのパンダ型ファイバを使用することで、パンダファイバの２つの光伝播軸１２ａ，１２ｂに加わる光ファイバ側圧方向の機械的応力を低減でき、２つの光伝播軸１２ａ，１２ｂ間の曲げ応力による光伝送損失差を小さくすることができるために有効な光信号光量成分を大きくでき、高精度な測定が可能な光センサが実現できる。また、クラッド径約８０μｍのパンダ型ファイバは、機械的な引っ張り力に対して２つの光伝播軸１２ａ，１２ｂの伝播定数差の変化が大きいため、クラッド径約８０μｍのパンダ型ファイバを用いることで効率的に位相変調が印加できる位相変調子を構成でき、結果として高精度な測定が可能な光センサが実現できる。
【００８７】
さらに、前述の（３）の「光ファイバに印加される荷重により生じる位相変化の評価」で評価したように、光ファイバの側圧（横荷重）は、縦荷重（引っ張り応力）よりも光ファイバ内を伝播する光へ誘起される位相は小さいが、光に位相変化を生じさせる。偏波面保持ファイバの被覆に光ファイバの側圧方向に対して硬質な被覆材を使用することで、光ファイバの側圧方向の機械的応力が光ファイバに直接印加されない構成とすることができ、光ファイバ側圧方向からの機械的応力に起因した偏波面保持ファイバの２つの光伝播軸間の光伝送損失差を小さくすることができて有効な光信号光量成分を大きくでき、この結果として高精度な測定が可能な光センサが実現できる。また、偏波面保持ファイバの光伝播方向の機械的応力は、被覆によって著しくは低減されないため、効率的に位相変調を印加できる位相変調子を構成でき、結果として高精度な測定が可能な光センサが実現できる。そして偏波面保持ファイバを紫外線（ＵＶ）硬化樹脂で被覆したり金属コート被膜を形成したりすることにより、同様な効果を容易に得ることができる。
【００８８】
（第４の実施の形態）本発明の第４の実施の形態の光センサについて、図１９を用いて説明する。本実施の形態の光センサは、位相変調法を光検波手段として使用する光センサであって、被測定物理量を測定する光センシング部２１からの光信号より所定の物理量を演算する信号処理ユニット２２と光センシング部２１の間を偏波面保持ファイバ２３にて光学的に接続した構成である。そしてこの偏波面保持ファイバ２３として、ボウタイファイバを使用したことを特徴としている。尚、位相変調法を光検波手段として使用する光センサとして、従来例の各種構成が採用される。
【００８９】
本実施の形態の光センサでは、信号処理ユニット２２と光センシング部２１を光学的に接続する偏波面保持ファイバ２３としてボウタイファイバを採用することで次のような作用、効果を奏する。ボウタイファイバは、引っ張り応力に対して２つの光伝播軸の伝播定数差の変化が小さい偏波面保持ファイバである。そのため、このようなボウタイファイバを使用することで、偏波面保持ファイバ２３に振動や熱衝撃や音響などに起因した機械的応力が印加されても、機械的応力により偏波面保持ファイバ内に発生する誤差位相差が小さいため、結果として高精度な測定が可能な光センサが実現できる。
【００９０】
従来技術でも説明したが、位相変調子を用いた光センサであって、光ファイバにより光センシング部と被測定物理量を演算する信号処理ユニットとの間を光学的に接続し、光信号を伝送する送光用偏波面保持ファイバに振動、熱衝撃、音響などにより共振現象が外部より印加される場合も、偏波面保持ファイバを伝播する光に誤差位相差が発生してしまい、結果として光センサの特性を悪化させ、測定精度を低下させてしまう問題点があった。しかしながら、本実施の形態の光センサのように、引っ張り応力に対して２つの光伝播軸の伝播定数差の変化が小さい偏波面保持ファイバ２３を使用することで、上記の誤差位相差を小さくすることができる。
【００９１】
上の「（３）光ファイバに印加される荷重により生じる位相変化の評価」で示したように、ボウタイファイバや楕円コアファイバは、パンダ型ファイバと比較して約２０倍引っ張り応力に対する位相変化が小さい。そのため、送光用偏波面保持ファイバにボウタイファイバや楕円コアファイバを使用することで、偏波面保持ファイバに振動や熱衝撃や音響などに起因した機械的応力が印加されても、機械的応力により偏波面保持ファイバ内に発生する誤差位相差が小さく、この結果として高精度な測定が可能な光センサが実現できる。
【００９２】
一般に量産されているボウタイファイバや楕円コアファイバには、そのクラッド径が約１２５μｍのものと約８０μｍのものとがある。クラッド径が小さい光ファイバほど、光ファイバ自体に印加される曲げに起因したファイバ側圧方向の機械的応力が小さい。そこで、偏波面保持ファイバにクラッド径８０μｍの光ファイバを使用することで、偏波面保持ファイバの２つの光伝播軸に加わる光ファイバ側圧方向の機械的応力を低減することができ、２つの光伝播軸間の曲げ応力による光伝送損失差を小さくすることができ、かつ、前述の機械的応力に起因してファイバ内に発生する誤差位相差を小さくでき、この結果として高精度な測定が可能な光センサが実現できる。尚、曲げ応力には振動や熱衝撃、音響による局所的な偏波面保持ファイバの曲げを含む。さらに、クラッド径約８０μｍのボウタイファイバや楕円コアファイバは、パンダ型ファイバと比較して引っ張り応力に対するファイバの２つの光伝播軸の伝播定数差の変化が小さい。そのため、振動や熱衝撃や音響などに起因した機械的応力がクラッド径約８０μｍのボウタイファイバや楕円コアファイバに印加されても、その機械的応力によりクラッド径約８０μｍのボウタイファイバやボウタイファイバ内に発生する誤差位相差が小さく、この結果として高精度な測定が可能な光センサが実現できる。
【００９３】
（第５の実施の形態）本発明の第５の実施の形態の光センサについて、図２０を用いて説明する。本実施の形態の光センサは第４の実施の形態と同様、図１９に示す構成であり、光センシング部２１、信号処理ユニット２２、両者間を光学的に接続する偏波面保持ファイバ２３Ａから構成されている。そして本実施の形態の特徴は、偏波面保持ファイバ２３Ａとして、図２０に示す構造のものを採用した点にある。この偏波面保持ファイバ２３Ａはパンダ型ファイバであり、クラッド２３１の周りを弾性体２３２が取り囲み、さらに弾性体２３２の周りを樹脂外被２３３にて被覆した構造である。この弾性体２３２には、シリコーンゴムを採用することができる。
【００９４】
このような構造の偏波面保持ファイバ２３Ａを採用することで、振動や熱衝撃や音響などに起因した機械的応力が直接にファイバコア２３４に印加されることがなく、機械的応力に起因してファイバコア２３４内に発生する誤差位相差が小さくなり、この結果として高精度な測定が可能な光センサが実現できる。
【００９５】
「（３）光ファイバに印加される荷重により生じる位相変化の評価」で示したように、光ファイバに縦荷重（引っ張り応力）が印加される場合、もっとも顕著に光ファイバを伝播する光に位相差が生じる。そのため、送光用偏波面保持ファイバ２３Ａとしてその外殻が引っ張られても直接に内部のファイバクラッド２３１やファイバコア２３４の部分に引っ張り応力が印加されない構造とすることで、引っ張り応力に起因にした偏波面保持ファイバ内に発生する誤差位相差が小さくでき、この結果として高精度な測定が可能な光センサが実現できる。
【００９６】
（第６の実施の形態）本発明の第６の実施の形態の光センサについて、図２１Ａ、図２１Ｂを用いて説明する。本実施の形態の光センサは第４の実施の形態と同様、図１９に示す構成であり、光センシング部２１、信号処理ユニット２２、両者間を光学的に接続する偏波面保持ファイバ２３Ｂから構成されている。そして本実施の形態の特徴は、図２１Ａに示したように偏波面保持ファイバ２３Ｂに対して保護管２３５を被せ、かつ、保護管２３５とその内部に挿入された偏波面保持ファイバ２３Ｂとの間に例えばクッションの様な弾性体で成る防音・防振材２３６を詰めたことを特徴としている。尚、この防音・防振材２３６に代えて、図２１Ｂに示すように、保護管２３５の内部に不連続に設置された弾性体で構成された防音壁２３７を設けることもできる。
【００９７】
本実施の形態の光センサでは、光センシング部２３１と信号処理ユニット２３２を光学的に接続する偏波面保持ファイバ２３Ｂには、外部から引っ張り応力が印加されないように保護管２３５を被せ、かつ、保護管２３５の内部に振動や音響による共振が発生しないように防音・防振材２３６を詰め、あるいは防音壁２３７を設けた構造とすることで、振動や音響による共振に起因した機械的応力が直接偏波面保持ファイバ２３Ｂに印加されることがなく、機械的応力に起因して偏波面保持ファイバ２３Ｂ内に発生する誤差位相差を小さくでき、結果として高精度な測定が可能な光センサが実現できる。
【００９８】
（第７の実施の形態）本発明の第７の実施の形態の光センサについて、図２２Ａ、図２２Ｂを用いて説明する。本実施の形態の光センサは第４の実施の形態と同様、図１９に示す構成であり、光センシング部２１、信号処理ユニット２２、両者間を光学的に接続する偏波面保持ファイバ２３Ｃから構成されている。そして本実施の形態の特徴は、図２２Ａに示したように偏波面保持ファイバ２３Ｃに対して、不連続に複数の穴２３８を開けた穴開き保護管２３９を被せたことを特徴としている。尚、この穴開き保護管２３９に代えて、図２２Ｂに示すように、不連続な網目構造の保護管２３９を用いることもできる。
【００９９】
本実施の形態の光センサでは、穴開き保護管２３８、若しくは網目構造の保護管２３９を偏波面保持ファイバ２３Ｃに被せたことで、保護管２３８，２３９の内部に音や振動の定在波がせず、保護管２３８，２３９の内部での振動や音響による共振現象を抑制することができ、光ファイバに印加される共振現象による機械的応力を小さくすることができ、機械的応力に起因して偏波面保持ファイバ２３Ｃ内に発生する誤差位相差が小さくでき、結果として高精度な測定が可能な光センサが実現できる。
【０１００】
（第８の実施の形態）本発明の第８の実施の形態の位相変調子組体について、図２３を用いて説明する。本実施の形態の位相変調子組体は、図１６に示した第１の実施の形態の位相変調子１０、図１８に示した第３の実施の形態の位相変調子１０Ｂと同様の構成の位相変調子１０Ｃに対して、さらにゲルの振動吸収材１０Ｄを設けて防振構造にしたことを特徴とする。尚、この位相変調子組体１０を用いた光センサとしては、従来技術で示した各種のものが構成できる。
【０１０１】
本実施の形態の位相変調子組体では、機械的振動が位相変調子１０Ｃの周辺の偏波面保持ファイバ１２，１２Ｂに伝達しないような防振構造を施すことで、位相変調子１０Ｃの周辺の偏波面保持ファイバ１２，１２Ｂに対する機械的応力を小さくすることができ、機械的応力に起因してファイバ内に発生する誤差位相差を小さくでき、結果として高精度な測定が可能な光センサが実現できる。尚、さらに音響の影響は、位相変調子１０Ｃの全体をクッション材などの弾性体で覆うことによって低減できる。
【０１０２】
（第９の実施の形態）本発明の第９の実施の形態の光学素子を、図２４を用いて説明する。本実施の形態の光学素子３０は、位相変調子としての圧電素子を含まず、巻き枠３１の周りにコイル状の偏波面保持ファイバ３２を巻装した構成を特徴とする。そして偏波面保持ファイバ３２には、引っ張り応力に対して２つの光伝播軸の伝播定数差の変化が小さいボウタイファイバを用いている。尚、ボウタイファイバに代えて楕円コアファイバを用いることもできる。
【０１０３】
本実施の形態の光学素子３０では、偏波面保持ファイバ３２として引っ張り応力に対して２つの光伝播軸の伝播定数差の変化が小さいボウタイファイバ若しくは楕円コアファイバを使用したことで、偏波面保持ファイバ３２に振動や熱衝撃や音響などに起因した機械的応力が印加されても、機械的応力により偏波面保持ファイバ３２内に発生する誤差位相差が小さくでき、結果として高精度な測定が可能な光センサが実現できる。すなわち、「（３）光ファイバに印加される荷重により生じる位相変化の評価」で示したように、ボウタイファイバや楕円コアファイバは、パンダ型ファイバと比較して約２０倍引っ張り応力に対する位相変化が小さい。そのため、コイル状の偏波面保持ファイバ３２で構成される光学素子３０にボウタイファイバや楕円コアファイバを使用することで、偏波面保持ファイバ３２に振動や熱衝撃や音響などに起因した機械的応力が印加されても機械的応力により偏波面保持ファイバ３２内に発生する誤差位相差を小さくでき、結果として高精度な測定が可能な光センサが実現できるのである。
【０１０４】
従来技術で説明したが、光センサでは、偏波面保持ファイバをコイル状に巻いて構成される部位が数多く存在する。先に説明した特許文献７の図６に示されている従来例の光ファイバ偏光子もその一例であるが、他に、特許文献４の図１に示されている反射型光ファイバ電流センサにおける遅延用ファイバコイル、特許文献１の図１に示されている光ファイバ振動センサにおける振動センサコイル部分、特許文献２の図１に示されている位相変調器７及びそれを用いた光回転検出装置におけるセンシングループ６などがそれに該当する。これらのコイル状の偏波面保持ファイバの部位に外部より振動や熱衝撃が加わると偏波面保持ファイバのコイル形状や巻枠の形状に依存した共振振動や共振収縮が発生する。振動源としては、既に記載した位相変調子の伸縮振動が本来意図していない部位に伝搬することによっても生じ得る。共振振動や共振収縮が発生するとそれらの共振現象によって偏波面保持ファイバの伸縮が発生し、前述した位相変調子と同様の原理で偏波面保持ファイバに位相差が発生してしまう。これらは、本来意図している制御された位相差とは異なる誤差位相差であり、結果として光センサの特性を悪化させ、測定精度を低減してしまう。しかしながら、本実施の形態の光学素子の場合、共振現象によって偏波面保持ファイバ１２Ｄに伸縮が発生しても、引っ張り応力に対して２つの光伝播軸の伝播定数差の変化が小さい偏波面保持ファイバを使用しているので、偏波面保持ファイバ１２Ｄ内に発生する誤差位相差を小さくでき、結果として高精度な測定が可能な光センサが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】一般的な位相変調子の動作説明図。
【図２】一般的な偏波面保持ファイバの伸縮に伴う伝播光の位相変化を説明するグラフ。
【図３】光ファイバに横荷重が印加される場合の応力の説明図。
【図４】光ファイバに縦荷重が印加される場合の応力の説明図。
【図５】表１の表。
【図６】偏波面保持ファイバとしてのパンダ型ファイバ、ボウタイファイバ、楕円コアファイバそれぞれの断面図。
【図７】偏波面保持ファイバに対する応力印加時の挙動の説明図。
【図８】偏波面保持ファイバにその光学軸に対して４５°の角度で直線偏光を入射させた場合の伝播偏光状態の説明図。
【図９】サンプル１のパンダ型ファイバ（クラッド径１２５μｍ）のファイバの伸びと位相変化の関係を示すグラフ。
【図１０】サンプル２のパンダ型ファイバ（クラッド径１２５μｍ）のファイバの伸びと位相変化の関係を示すグラフ。
【図１１】サンプル３のパンダ型ファイバ（クラッド径８０μｍ）のファイバの伸びと位相変化の関係を示すグラフ。
【図１２】サンプル４のボウタイファイバ（クラッド径１２５μｍ）のファイバの伸びと位相変化の関係を示すグラフ。
【図１３】サンプル５のボウタイファイバ（クラッド径８０μｍ）のファイバの伸びと位相変化の関係を示すグラフ。
【図１４】サンプル６の楕円コアファイバ（クラッド径８０μｍ）のファイバの伸びと位相変化の関係を示すグラフ。
【図１５】表２の表。
【図１６】本発明の第１の実施の形態の位相変調子の説明図。
【図１７】本発明の第２の実施の形態の位相変調子の説明図。
【図１８】本発明の第３の実施の形態の位相変調子の説明図。
【図１９】本発明の第４の実施の形態の光センサの説明図。
【図２０】本発明の第５の実施の形態の光センサに使用する偏波面保持ファイバの説明図。
【図２１Ａ】本発明の第６の実施の形態の光センサに使用する偏波面保持ファイバの斜視図及び断面図。
【図２１Ｂ】本発明の第６の実施の形態の光センサに使用する別の偏波面保持ファイバの断面図。
【図２２Ａ】本発明の第７の実施の形態の光センサに使用する偏波面保持ファイバの斜視図。
【図２２Ｂ】本発明の第７の実施の形態の光センサに使用する別の偏波面保持ファイバの断面図。
【図２３】本発明の第８の実施の形態の位相変調子組体の斜視図。
【図２４】本発明の第９の実施の形態の光学素子の斜視図。
【符号の説明】
【０１０６】
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ 位相変調子
１０Ｄ 振動吸収材
１１，１１Ａ，１１Ｂ 圧電素子
１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｄ 偏波面保持ファイバ
１２ａ，１２ｂ 光伝播軸
２１ 光センシング部
２２ 信号処理ユニット
２３，２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ 偏波面保持ファイバ
２３２ 弾性材
２３３ 硬質被覆層
２３４ ファイバコア
２３５ 保護管
２３６ 防音・防振材
２３７ 防音壁
２３８ 穴開き保護管
２３９ 網目状保護管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバに機械的応力を付与して光学的位相変調を印加する位相変調子、それを用いた光センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、光ファイバに機械的応力を付与して光学的位相変調を印加する位相変調子を用いた光センサには様々な種類の光センサが提案されている。この種の光センサとして、例えば、特開２００６−２０８０８０号公報「光ファイバ振動センサ」（特許文献１）の図１（ａ），（ｂ）に記載のもの、特開平６−２６５３６１号公報「位相変調器及びそれを用いた光回転検出装置」（特許文献２）の図１に記載のもの、特表２００２−５１０７９５号公報「サニャック干渉計に基づく光ファイバ音響センサアレイ」（特許文献３）の図２に記載のもの、特開２００７−４０８８４号公報「反射型光ファイバ電流センサ」（特許文献４）の図１に記載のものが知られている。これらの光センサで使用する位相変調子としては、実公平２−６４２５号公報「光ファイバ型位相変調器」（特許文献５）の図１に記載のものや特開平５−２９７２９２号公報「光ファイバ位相変調器」（特許文献６）の図１〜図６、図８〜図１０に記載のものが使用されている。
【０００３】
しかしながら、従来技術には次のような技術的課題があった。特許文献５の図１に記載の位相変調子を用いた光センサは、圧電素子の周りに偏波面保持ファイバを巻いて位相変調子を構成している。この光センサの位相変調子の場合、圧電素子の伸縮によってそれに巻き付けられている偏波面保持ファイバが長さ方向に伸縮し、その際の偏波面保持ファイバの２つの光伝播軸の伝播定数差の変化によって位相変調を光に印加する。しかしながら、無作為に圧電素子に偏波面保持ファイバを巻き付けたのでは、２つの光伝播軸を伝播する光の伝播光量の差異が大きくなり、巻き付け方によっては１つの光伝播軸のみを伝播させる位相変調子となってしまうこともあり得る。これは、特許第３００６２０５号公報「光ファイバ偏光子」（特許文献７）の図６に記載されたような光ファイバ偏光子や下記の非特許文献１〜非特許文献５に記載されている光ファイバ偏光子のように、円筒状の巻枠に偏波面保持ファイバの光伝播軸の一方を円筒状巻枠の径方向に揃えて巻き付けることでファイバ偏光子が構成され、結果として一方の光伝播軸の光が消光されてしまうからである。そのため、偏波面保持ファイバの２つの光伝播軸の制御なしに円筒状もしくは円柱状の圧電素子に巻き付けられて構成される位相変調子を通過した光は、その有効な光信号光量成分が低減し、位相変調の他に強度変調が生じるなど本来の位相変調機能が低減してしまうといった問題点があり、位相変調子の製作歩留まりの悪化や光センサの測定精度の低下といった問題点があった。
【０００４】
特許文献６の図１〜図６、図８〜図１０に開示されているような位相変調子を用いた光センサは、特許文献５の図１に開示された光センサの発展型であり、光ファイバに外部より機械応力を印加することで位相変調を与える位相変調子を用いている。これらの光センサは、特許文献５の光センサと同様に偏波面保持ファイバの２つの光伝播軸の制御に関しては考慮されていなくて、２つの光伝播軸に光信号成分を伝播させ、その一方に相対的な位相変調を与える場合、偏波面保持ファイバの光伝播軸の向きによって伝播光量が損失し、さらには、偏波面保持ファイバに印加される側圧によっても光量損失が起こり、光強度変調が生じてしまうなどの問題点があり、結果として光センサの測定精度が低下する問題点があった。
【０００５】
光センサでは、上述した位相変調子の他にも、偏波面保持ファイバをコイル状に巻いて構成される部位が数多く存在する。特許文献７の図６に記載されている光ファイバ偏光子はその一例であるが、他にも、特許文献４の図１に開示されている反射型光ファイバ電流センサにおける遅延用ファイバコイル、特許文献１の図１の光ファイバ振動センサにおける振動センサコイル部分１２、特許文献２の図１に記載されている位相変調器及びそれを用いた光回転検出装置におけるセンシングループ６などが該当する。これらのコイル状の偏波面保持ファイバ部に外部より振動や熱衝撃が加わると偏波面保持ファイバのコイル形状や巻枠の形状に依存した共振振動や共振収縮が発生する。振動源としては、既に記載した位相変調子の伸縮振動が本来意図していない部位に伝搬することによっても生じ得る。共振振動や共振収縮が発生するとそれらの共振現象によって偏波面保持ファイバの伸縮が発生し、前述の位相変調子と同様の原理で偏波面保持ファイバに位相差が発生してしまう。これらは、本来意図している制御された位相差とは異なる誤差位相差であり、結果として光センサの特性を悪化させ、測定精度を低減してしまう問題点があった。
【０００６】
さらに位相変調子を用いた光センサであって、光信号より被測定物理量を演算する信号処理ユニットと光センサとの間を光学的に接続する非コイル状の光信号の伝送を目的とした送光用偏波面保持ファイバに同様な共振現象が外部より印加される場合も、偏波面保持ファイバを伝播する光に誤差位相差が発生してしまい、結果として光センサの特性を悪化させ、測定精度を低下させてしまう問題点がある。例えば、保護管としての鉄管に前述の送光用偏波面保持ファイバを挿入して構成される光センサの場合、鉄管にわずかな振動や音響を与えるだけで、鉄管内部に音の定在波や振動の定在波が発生し、すなわち共振現象が起こり、結果として共振現象による偏波面保持ファイバの伸縮が発生し、偏波面保持ファイバの伸縮により誤差となる位相差が偏波面保持ファイバを伝播する光に発生し、光センサの特性を悪化させ、測定精度を低下させる問題点がある。特許文献３の図２に記載されている光センサの場合、センサコイル部以外の送光用偏波面保持ファイバで音響の影響を受けて位相差を発生することは誤差原因そのものであり、そのため、送光用偏波面保持ファイバに対して音響の影響を低減することが課題となっていた。
【特許文献１】特開２００６−２０８０８０号公報
【特許文献２】特開平６−２６５３６１号公報
【特許文献３】特表２００２−５１０７９５号公報
【特許文献４】特開２００７−４０８８４号公報
【特許文献５】実公平２−６４２５号公報
【特許文献６】特開平５−２９７２９２号公報
【特許文献７】特許第３００６２０５号公報
【非特許文献１】F. Defornel, M. P. Varnham and D. N. Payne : "Finite cladding effects in highly birefringent fibre taper-polarisers", Electron. Lett., 20, 10, p398-p399(May 1984)
【非特許文献２】M. P. Varnham, D. N. Payne, A. J. Barlow and E. J. Tarbox : "Coiled-birefringent-fiber polarizers", Opt. Lett., 9, 7, p306-p308(July 1984)
【非特許文献３】K. Okamoto : "Single-polarization operation in highly birefringent optical fibers", Appl. Opt., 23, 15, p2638-p2642(Aug. 1984)
【非特許文献４】K. Okamoto, T. Hosaka and J. Noda : "High-birefringence polarizing fiber with flat cladding", IEEE J. Lightwave Technol., LT-3, 4, p758-p762(Aug. 1985)
【非特許文献５】M. J. Messerly, J. R. Onstott and R. C. Mikkelson : "A broad-band single polarization optical fiber", IEEE J. Lightwave Technol., 9, 7, p817-p820(July 1991)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、以上の従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、位相変調特性に優れた位相変調子を使用した光センサであって、外部振動や熱衝撃に強く、かつ、高精度な測定が可能な光センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の１つの特徴は、ボディに機械的振動を誘起する特性を備えた円筒状若しくは円柱状のアクチュエータの周りに、互いに直交する２つの光伝播軸を有する偏波面保持ファイバをそれらの２つの光伝播軸に対して共に約４５°の方向に前記機械的振動による機械的応力を受ける態様にて巻装して成る位相変調子である。
【０００９】
本発明の別の特徴は、ボディに機械的振動を誘起する特性を備えた円筒状若しくは円柱状のアクチュエータの周りに、互いに直交する２つの光伝播軸を有する偏波面保持ファイバをそれらの２つの光伝播軸に対してほぼ等方的な機械的応力を与える態様にて巻装した位相変調子である。
【００１０】
本発明のまた別の特徴は、ボディに機械的振動を誘起する特性を備えた円筒状若しくは円柱状のアクチュエータの周りに互いに直交する２つの光伝播軸を有する偏波面保持ファイバを所定の捻り率で巻き付けて構成した位相変調子である。
【００１１】
本発明のまた別の特徴は、ボディに機械的振動を誘起する特性を備えた円筒状若しくは円柱状のアクチュエータの周りに、互いに直交する２つの光伝播軸を有する偏波面保持ファイバをそれらの２つの光伝播軸に対して共に約４５°の方向に前記機械的振動による機械的応力を受ける態様にて巻装した構成の位相変調子を、防振材に組み付けて成る位相変調子組体である。
【００１２】
本発明の別の特徴は、被測定物理量を測定する光センシング部と、前記光センシング部からの光信号より所定の物理量を演算する信号処理ユニットと、前記光センシング部と信号処理ユニットとの間を光学的に接続する光ファイバとを備え、前記光ファイバは、２つの光伝播軸を有する偏波面保持ファイバであり、前記偏波面保持ファイバの２つの光伝播軸それぞれに光を伝播させる光センサにおいて、前記偏波面保持ファイバとして、引っ張り応力に対して前記２つの光伝播軸の伝播定数差の変化が小さい偏波面保持ファイバを用いた光センサである。
【００１３】
本発明のさらに別の特徴は、被測定物理量を測定する光センシング部と、前記光センシング部からの光信号より所定の物理量を演算する信号処理ユニットと、前記光センシング部と信号処理ユニットとの間を光学的に接続する光ファイバとを備えた光センサにおいて、位相変調子を除くコイル状の偏波面保持ファイバで構成される光学素子には、前記偏波面保持ファイバとして、引っ張り応力に対して２つの光伝播軸の伝播定数差の変化が小さい偏波面保持ファイバを用いた光センサである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、引っ張り応力に対する偏波面保持ファイバ内を伝播する光の位相変化の違いを利用し、位相変調子、送光用偏波面保持ファイバ、コイル状偏波面保持ファイバ光学素子に適切な偏波面保持ファイバを使用することにより、高精度な測定が可能な光センサが実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。
【００１６】
（位相変調子の動作原理）まず、位相変調子の動作原理について説明する。図１の位相変調子１０１は、圧電素子であるＰＺＴ（ピエゾ管）１０１の周りに偏波面保持ファイバ１０２を巻いて構成される。偏波面保持ファイバ１０２を使用するのは、偏波面保持ファイバの２つの光学軸それぞれに互いに相関のない光を伝播させるためである。ＰＺＴ１０１には、所定の波形形状の電圧を印加して、ＰＺＴ１０１の周りに巻かれた偏波面保持ファイバ１０２を伸縮させる。この際の電圧波形は正弦波でも鋸歯状波でも三角波でも矩形波でもかまわない。偏波面保持ファイバ１０２はＰＺＴ１０１の伸縮に伴い、位相変化を生じる。
【００１７】
図２は、ＰＺＴ１０１に所定の電圧波形として正弦波を印加し、偏波面保持ファイバ１０２内を伝播する光に正弦波の位相変調を与えた場合のイメージ図である。同図（ａ）は偏波面保持ファイバ１０２の伸縮長さの変化、同図（ｂ）は伸縮に伴うｘ軸の位相変化、同図（ｃ）は伸縮に伴うｙ軸の位相変化を示し、同図（ｄ）は伸縮に伴うｘ軸、ｙ軸間の相対位相変化を示している。偏波面保持ファイバ１０２の２つの光学軸（ｘ軸、ｙ軸）に生じる位相変化は一般的に等しくならない。そのため、どちらか一方の光学軸を伝播する光が相対的に位相変化を受けることになり（図２の場合、ｘ軸を伝播する光が相対的に位相変化を受ける）、結果として片方の光学軸を伝播する光のみに有効な位相変調を加えることができることになる。ここで、偏波面保持ファイバ１０２の伸縮により、十分な位相変化を光に印加できるか否かが重要なポイントとなる。
【００１８】
偏波面保持ファイバ１０２を伝播する光が位相変化を受けるのは、物理的には光ファイバの伸縮に伴う複屈折の変化に起因する。光ファイバの伸縮により、光ファイバには応力が印加され、かつ、伸縮にともなう断面形状の変化が生じる。以上の点から、光ファイバの伸縮に伴う複屈折の変化Δβは、
【数１】
【００１９】
で表すことができる。ここでΔβＳは伸縮応力に伴う複屈折変化、ΔβＧは断面形状変化に伴う複屈折変化である。
【００２０】
さらに、伸縮応力に伴う複屈折変化ΔβＳは、ＰＺＴ１０１の径方向伸縮に伴う光伝播方向への引っ張り応力（縦荷重応力）による複屈折変化ΔβＳｚと、ＰＺＴ１０１の径方向伸縮に伴うファイバ径方向への横荷重応力による複屈折変化ΔβＳｒに分解することができる。
【数２】
【００２１】
ファイバ伸縮に伴う断面形状は、相対的に変化すると仮定すると、断面形状変化に伴う複屈折変化ΔβＧはΔβＧ≒０となり、無視することができる。よって、ΔβＳｚとΔβＳｒのどちらがより顕著に現れるか評価する必要がある。以下では、横荷重と縦荷重を光ファイバに印加したそれぞれの場合について位相変化を理論的に評価する。
【００２２】
（１）光ファイバに横荷重が印加する場合
円柱に対して外部より横荷重ベクトルＦが印加された場合の円柱中心軸（ｚ軸）上の作用応力は、非特許文献６のMuskhelishviliにより数学的に解析されている。すなわち、図３に示すように、円柱１０５の直径をｄとすると、円柱中心軸上で外力Ｆの方向には、
【数３】
【００２３】
の圧縮応力が、外力Ｆと垂直の方向には、
【数４】
【００２４】
の引っ張り応力が働く。
【００２５】
これらの作用応力は、ｚ軸の近傍に集中して作用する。非特許文献７に記載されているように、光ファイバを円柱１０５と見立てた場合、これらの作用応力は、コア部分の微小領域に作用することになり、これらの作用応力の総和が、本質的に一様に作用することが分かっている。
【００２６】
よって、ｚ軸近傍（コア領域）で外力Ｆの方向（//方向）に作用する応力は、
【数５】
【００２７】
となる。
【００２８】
ここで、マイナスの符号がついているのは、外力Ｆによりｚ軸上では外力Ｆの方向に圧縮応力が作用するためである。
【００２９】
以上から、⊥軸方向、ｚ軸方向それぞれの作用応力は、
【数６】
【００３０】
となる。ここで、νは円柱１０５、すなわち、光ファイバのポアソン比である。
【００３１】
光ファイバのヤング率をＥとすると、それぞれの方向の歪は以下のように表される。
【数７】
【００３２】
次に、光弾性理論から、//方向、⊥方向それぞれの屈折率変化Δｎを計算する。
【数８】
【００３３】
ここで、ｎは無荷重状態におけるファイバコアの屈折率、ｐ１ｉは光ファイバの光弾性定数である。光ファイバは等方性媒体であると仮定し、ｐ１３＝ｐ１２とした。また、
【数９】
【００３４】
と置いた。
【数１０】
【００３５】
ここで、
【数１１】
【００３６】
と置いた。//方向と異なり、⊥方向ではε１とε２とが入れ違いになっているのは、光弾性定数に対して作用応力の方向が９０°異なるためである。
【００３７】
以上から、横荷重ベクトルＦにより生じる光ファイバのコアの屈折率変化Δｎは、
【数１２】
【００３８】
となる。
【００３９】
次に横荷重Ｆにより生じた光ファイバのコアの屈折率変化Δｎによる位相変化率Δφ／φを計算する。ここで、位相差φは、以下のように定義される。
【数１３】
【００４０】
ここで、Ｌは光ファイバの長さ、λは光の波長である。
【００４１】
よって、位相変化率Δφ／φは、以下のように展開できる。
【数１４】
【００４２】
ここで、ΔＬ／Ｌは光ファイバの長さの変化率であり、ｚ方向の歪に等しい。
【数１５】
【００４３】
よって、
【数１６】
【００４４】
となる。
【００４５】
（２）光ファイバに縦荷重が印加する場合
次に、図４に示すように、光ファイバの光伝播方向に力が働く場合（縦荷重の場合）について考える。まず、ｚ軸、ｒ軸方向のそれぞれの応力は、
【数１７】
【００４６】
となる。よって、ｚ軸、ｒ軸方向のそれぞれの歪は、
【数１８】
【００４７】
となる。ここで、Ｅは光ファイバのヤング率である。
【００４８】
よって、光弾性理論より屈折率変化Δｎを計算すると、
【数１９】
【００４９】
となる。
【００５０】
ここで、光ファイバは等方性媒体と仮定し、ｐ１３＝ｐ１２とした。また、
【数２０】
【００５１】
と置いた。
【００５２】
以上の結果から、縦荷重Ｆにより生じた光ファイバのコアの屈折率変化Δｎによる位相変化率Δφ／φを計算すると、
【数２１】
【００５３】
となる。
【００５４】
（３）光ファイバに印加される荷重により生じる位相変化の評価
上記の横荷重、縦荷重に対する光ファイバの位相変化率Ｓ１，Ｓ２から実際にどちらの荷重の影響が大きいのか評価を行う。以下、光ファイバは一般的な石英シングルモードファイバとして評価する。尚、石英シングルモードファイバの物性値は、図５の表１にまとめた通りである。
【００５５】
まず、横荷重に対する位相変化率Ｓ１は、
【数２２】
【００５６】
と評価される。ここで、ＦはＮ（ニュートン）単位である。
【００５７】
次に、縦荷重に対する位相変化率Ｓ２は、
【数２３】
【００５８】
と評価される。ここでも、ＦはＮ（ニュートン）単位である。
【００５９】
よって、Ｓ２≫Ｓ１であり、縦荷重に対する位相変化が支配的であり、横荷重に対する位相変化は無視できる。
【００６０】
以上は、一般的な石英シングルモードファイバに関する考察であるが、ＰＺＴ１０１の周りに偏波面保持ファイバ１０２が巻かれるため、偏波面保持ファイバ１０２に対する横荷重と縦荷重の影響を評価する必要がある。偏波面保持ファイバ１０２は、ファイバコアに外部より応力を印加することで複屈折を誘起し、又は、ファイバコアの形状により複屈折を誘起し、複屈折に沿った方向の直線偏光を伝播させた場合、その偏波状態を保持したまま直線偏光を伝播できるファイバを構成している（図６参照）。すなわち、常時、一定の横荷重を光ファイバに印加した状態と考えることができる（図７参照）。尚、図６（ａ）はパンダ型ファイバ１１１であり、同図（ｂ）はボウタイファイバ１１２である。これらは応力付与により複屈折を形成する。そして同図（ｃ）は楕円コアファイバ１１３であり、コア形状により複屈折を形成する。図７はシングルモードファイバ１１４に一定の横荷重を印加したとき、その外力により誘起される複屈折軸の様子を示している。
【００６１】
よって、偏波面保持ファイバ１０２に対して、さらに外部より横荷重変化ベクトルΔＦを印加したとしても、位相変化分はΔＦに起因した変化分であり、縦荷重による変化よりも十分小さいと結論付けることができる。よって、偏波面保持ファイバ１０２に対しても縦荷重が位相変化の主要因であると評価される。
【００６２】
（４）偏波面保持ファイバの縦荷重の影響（ファイバの種類による位相変化の違い）
図１に示したＰＺＴ１０１の周りに偏波面保持ファイバ１０２を巻きつけて構成される位相変調子１００は、ＰＺＴ１０１の径方向伸縮変位により生じる偏波面保持ファイバ１０２の伸縮(縦荷重)により位相変化が生じる。この際、偏波面保持ファイバ１０２の２つの光学軸それぞれに対して位相変化が生じ、それぞれの軸の位相変化の相対的な差が有効な位相変化分となる。そこで、どのようなタイプの偏波面保持ファイバが縦加重に対してどれだけ位相変化を及ぼすかが重要となる。以上の点から、図６（ａ）に示したパンダ型ファイバ１１１、同図（ｂ）に示したボウタイファイバ１１２、同図（ｃ）に示した楕円コアファイバ１１３の３種類の偏波面保持ファイバに対して縦荷重を与えた場合の位相変化の評価を以下で行う。
【００６３】
偏波面保持ファイバの２つの光学軸を伝播する光の電界成分Ｅは、下記の式に従う。尚、簡単のため各伝播光の電界強度はＥ０で同じとする。
【数２４】
【００６４】
ここで、ωは光の角周波数、βｘ，βｙは偏波面保持ファイバ１０２の各光学軸の光の伝播定数である。
【００６５】
簡単のため位相をシフトすると、
【数２５】
【００６６】
ここでδβ＝βｘ−βｙは偏波面保持ファイバ１０２の各光学軸間の伝播定数差である。
【００６７】
よって、偏波面保持ファイバ１０２の光伝播軸に対して入射角４５°で入射した直線偏光は、δβ・ｚ＝２ｎπ周期で、図８のように偏波状態がビートすることになる。以上から、ビート長Ｌｂは、以下の式で定義される。
【数２６】
【００６８】
さて、偏波面保持ファイバに縦荷重が印加されると、屈折率が変化し、結果的に各光学軸の伝播定数が変化する。これを数式で表すと、
【数２７】
【００６９】
となる。よって、縦荷重を偏波面保持ファイバに印加した場合、偏波面保持ファイバを伝播した光の位相が変化し、結果として光量変化から伸びΔｚと位相変化Δφを評価することができる。
【００７０】
以上の理論考察を元に、各種偏波面保持ファイバに対して縦荷重を印加した場合のファイバの伸びに対する位相変化を図９〜図１４に、その結果を図１５の表２にまとめて示す。
【００７１】
以上の結果より、パンダ型ファイバは、縦荷重に対する位相変化が、ボウタイファイバや楕円コアファイバと比較し、約２０倍程度大きい。
【非特許文献６】Muskhelishvili, N. I., “Some basic problems of the mathematical theory of elasticity” (P. Noordhoff, Groningen, Holland, 1953), p324-328
【非特許文献７】Smith, A. M., Electronics Letters, vol.16, No.20, p773-774, 1980 以上の評価を元に、以下、本発明の実施の形態を具体的に説明する。
【００７２】
（第１の実施の形態）本発明の第１の実施の形態の光センサについて、図１６を用いて説明する。図１６に示す位相変調子１０は、円筒状のピエゾ管（ＰＺＴ）の圧電素子１１の周りに偏波面保持ファイバ１２をその光伝播軸の方向１２ａ，１２ｂと円筒状圧電素子１１の機械的応力の方向１１ａ〜１１ｄとが約４５°となるように巻き付けて構成している。このような構成の位相変調子１０を用いた光センサは、例えば、特許文献１の図１に示されている従来例のように構成でき、また、特許文献２の図１に示されている従来例において位相変調器７の部分に当該位相変調子１０を採用することにより、さらには特許文献３の図２に示されている従来例において光ファイバ音響センサ２１２として当該位相変調子１０を採用することにより構成される。その他にも本実施の形態の位相変調子１０を用いた光センサは、従来例として示した各種の構成が可能である。
【００７３】
本実施の形態における位相変調子１０の動作について説明する。偏波面保持ファイバ１２にその光伝播軸の方向１２ａ，１２ｂに対して約４５°の方向１１ａ〜１１ｄに機械的応力を与えることにより、偏波面保持ファイバ１２の２つの光伝播軸に加わる機械的応力をほぼ均等化でき、機械的応力による偏波面保持ファイバ１２の光の伝送損失が一方の光伝播軸に偏らないようにすることが可能となり、結果的に、光強度変調を小さくすることができる。
【００７４】
位相変調子１０に正弦波の電圧信号を与え、偏波面保持ファイバ１２に位相変調を与える場合について考える。正弦波電圧信号の周波数（変調周波数）をωｍとすると、偏波面保持ファイバの２つの光伝播軸（ｘ軸、ｙ軸とする）を伝播する光の強度（Ｐｘ、Ｐｙ）は、簡略化した式で、
【数２８】
【００７５】
と表すことができる。ここで、Ｐｘ，ｔ，Ｐｙ，ｔは偏波面保持ファイバ１２を伝播する光量の大きさで、ΔＰｘ，ｌ，ΔＰｙ，ｌは偏波面保持ファイバ１２に機械的応力が印加されることにより損失する光量である。偏波面保持ファイバ１２の２つの光伝播軸の片方に機械的応力が偏っている場合、例えば、ｘ軸に偏っている場合、ΔＰｘ，ｌ・ｓｉｎ（ωｍ・ｔ）の項の影響が大きくなり、結果としてｘ軸では強度変調を受けることになる。位相変調子を用いた干渉型の光センサの場合、干渉光量の強弱より、測定物理量を求めるが、強度変調が存在する場合、強度変調による光の強弱信号がノイズとなり、測定システムの精度を低下させる。よって、強度変調を生じにくい図１６の構成の位相変調子１０を用いることで、高精度な測定が可能な光センサを実現できる。また、有効光量は、ｘ軸を伝播する光とｙ軸を伝播する光との干渉成分となるため、Ｐｘ、Ｐｙの値のいずれか低い方の値によって決まる。よって、偏波面保持ファイバ１２の２つの光伝播軸の片方に機械的応力が偏っている場合、例えば、ｘ軸に偏っている場合、伝播損失が大きな時間領域において有効光量が低減することになり、測定システムの有効信号成分が低減し、結果として光センサの測定精度を低下させる。これに対して、図１６の構成の位相変調子１０を用いることで有効光量の低減を小さくすることができるため、高精度な測定が可能な光センサが実現できる。
【００７６】
尚、図１６に示した第１の実施の形態の位相変調子１０では、ＰＺＴの圧電素子１１を用いているが、これに代えて、ＰＬＺＴセラミック素子（チタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体に酸化ランタンを添加したチタン酸ジルコン酸ランタン鉛のセラミック素子）を用いたアクチュエータ（光によってセラミックに機械振動を誘起）など各種セラミック素子を用いることで、容易に偏波面保持ファイバ１２へ機械振動を与えることができ、しかも任意の波形の位相変化を偏波面保持ファイバ１２へ印加できる位相変調子が構成できるため、それを用いて構成した光センサの信号処理（セロダイン検波やヘテロダイン検波などの検波手段）に裕度を持たせることができ、結果として光センサの測定精度を向上させることができる。
【００７７】
（第２の実施の形態）本発明の第２の実施の形態の位相変調子１０Ａについて、図１７を用いて説明する。本実施の形態の位相変調子１０Ａは、直方体型圧電素子１１Ａに穴を開け、その穴に偏波面保持ファイバ１２Ａを挿入して圧電素子１１Ａと接着剤などで固定した構成である。
【００７８】
この位相変調子１０Ａでは、圧電素子１１Ａにあけられた穴の周りでは、偏波面保持ファイバ１２Ａの側面に対して、等方的な機械的応力１１ｅが印加される。また、偏波面保持ファイバ１２Ａの光伝播方向１１ｆに対しても直方体型圧電素子１１Ａは機械的応力が発生し、偏波面保持ファイバ１２Ａに引っ張り応力を印加することで有効な位相変調を、偏波面保持ファイバ１２Ａを伝播する光に印加する。
【００７９】
尚、本実施の形態の位相変調子１０Ａを用いて光センサを構成する場合、第１の実施の形態と同様に、従来例として示した各種構成が可能である。
【００８０】
本実施の形態の位相変調子１０Ａでは、偏波面保持ファイバ１２Ａの２つの光伝播軸に対してほぼ等方的な機械的応力１１ａを与えることにより、機械的応力１１ａによる偏波面保持ファイバ１２Ａの光の伝送損失が一方の光伝播軸に偏らないようにすることが可能となるため光強度変調を小さくすることができる。また、機械的応力１１ａによる偏波面保持ファイバ１２Ａの光伝播軸間の伝送損失差が小さくなるため、有効な光信号光量成分を大きくでき、高精度な測定が可能な光センサを実現できる。
【００８１】
（第３の実施の形態）本発明の第３の実施の形態の位相変調子について、図１８を用いて説明する。本実施の形態の位相変調子１０Ｂは、第１の実施の形態と同様に円筒状の圧電素子１０Ｂの周りに偏波面保持ファイバ１２Ｂを巻装した構成である。
【００８２】
そして本実施の形態の特徴は、この偏波保持ファイバ１２Ｂを、圧電素子１１Ｂの周りに所定の捻り率で巻き付けて構成した点にある。例えば、偏波面保持ファイバ１２Ｂを圧電素子１１Ｂに１巻き当たり１捻りするように巻くことで、１巻きごとに偏波面保持ファイバ１２Ｂの２つの光伝播軸に加わる機械的応力を均等化することができる。この位相変調子１０Ｂを用いた光センサとしては、従来技術で示した各種のものが構成できる。
【００８３】
本実施の形態の位相変調子１０Ｂでは、偏波面保持ファイバ１２Ｂを円筒状の圧電素子１１Ｂの周りに所定の捻り率で巻き付けることにより、偏波面保持ファイバ１２Ｂの２つの光伝播軸１２ａ，１２ｂに加わる機械的応力１１ａ〜１１ｄを均等化することができ、２つの光伝播軸１２ａ，１２ｂ間の曲げ応力による光伝送損失差を小さくすることができるため有効な光信号光量成分を大きくでき、高精度な測定が可能な光センサが実現できる。また、圧電素子１１Ｂにより印加される機械的応力１１ａ〜１１ｄも偏波面保持ファイバ１２Ｂの２つの光伝播軸１２ａ，１２ｂに対してほぼ均等化でき、機械的応力１１ａ〜１１ｄによる偏波面保持ファイバ１２Ｂの光の伝送損失が一方の光伝播軸に偏らないようにすることが可能となり、光強度変調を小さくすることができる。また、圧電素子１１Ｂの機械的応力１１ａ〜１１ｄによる偏波面保持ファイバ１２Ｂの光伝播軸１２ａ，１２ｂ間の伝送損失差が小さくなるため有効な光信号光量成分を大きくでき、高精度な測定が可能な光センサが実現できる。加えて、従来のように無作為に円柱状又は円筒状の圧電素子の周りに偏波面保持ファイバを巻き付けて構成される位相変調子と比較して変調特性が安定し、位相変調子の歩留まりが向上する。
【００８４】
尚、上記の第１の実施の形態、第３の実施の形態では円筒状圧電素子１１Ａ，１１Ｂを用いた場合を示したが、円柱状の圧電素子を用いても同様な効果を有する位相変調子を構成することができる。
【００８５】
また、上記の第１の実施の形態、第３の実施の形態では、偏波面保持ファイバ１２，１２Ｂにパンダ型光ファイバを用いることで、ボウタイファイバや楕円コアファイバと比較して引っ張り応力に対して約２０倍の位相変調を得ることができる。そのため、効率的に位相変調を印加できる位相変調子１０，１０Ｂを構成でき、結果として高精度な測定が可能な光センサが実現できる。
【００８６】
一般に量産されている偏波面保持ファイバには、そのクラッド径が約１２５μｍのものと約８０μｍのものとがある。クラッド径が小さな光ファイバほど、光ファイバ自体に印加される曲げに起因したファイバ側圧方向の機械的応力が小さなため、偏波面保持ファイバ１２，１２Ｂにクラッド径８０μｍのパンダ型ファイバを使用することで、パンダファイバの２つの光伝播軸１２ａ，１２ｂに加わる光ファイバ側圧方向の機械的応力を低減でき、２つの光伝播軸１２ａ，１２ｂ間の曲げ応力による光伝送損失差を小さくすることができるために有効な光信号光量成分を大きくでき、高精度な測定が可能な光センサが実現できる。また、クラッド径約８０μｍのパンダ型ファイバは、機械的な引っ張り力に対して２つの光伝播軸１２ａ，１２ｂの伝播定数差の変化が大きいため、クラッド径約８０μｍのパンダ型ファイバを用いることで効率的に位相変調が印加できる位相変調子を構成でき、結果として高精度な測定が可能な光センサが実現できる。
【００８７】
さらに、前述の（３）の「光ファイバに印加される荷重により生じる位相変化の評価」で評価したように、光ファイバの側圧（横荷重）は、縦荷重（引っ張り応力）よりも光ファイバ内を伝播する光へ誘起される位相は小さいが、光に位相変化を生じさせる。偏波面保持ファイバの被覆に光ファイバの側圧方向に対して硬質な被覆材を使用することで、光ファイバの側圧方向の機械的応力が光ファイバに直接印加されない構成とすることができ、光ファイバ側圧方向からの機械的応力に起因した偏波面保持ファイバの２つの光伝播軸間の光伝送損失差を小さくすることができて有効な光信号光量成分を大きくでき、この結果として高精度な測定が可能な光センサが実現できる。また、偏波面保持ファイバの光伝播方向の機械的応力は、被覆によって著しくは低減されないため、効率的に位相変調を印加できる位相変調子を構成でき、結果として高精度な測定が可能な光センサが実現できる。そして偏波面保持ファイバを紫外線（ＵＶ）硬化樹脂で被覆したり金属コート被膜を形成したりすることにより、同様な効果を容易に得ることができる。
【００８８】
（第４の実施の形態）本発明の第４の実施の形態の光センサについて、図１９を用いて説明する。本実施の形態の光センサは、位相変調法を光検波手段として使用する光センサであって、被測定物理量を測定する光センシング部２１からの光信号より所定の物理量を演算する信号処理ユニット２２と光センシング部２１の間を偏波面保持ファイバ２３にて光学的に接続した構成である。そしてこの偏波面保持ファイバ２３として、ボウタイファイバを使用したことを特徴としている。尚、位相変調法を光検波手段として使用する光センサとして、従来例の各種構成が採用される。
【００８９】
本実施の形態の光センサでは、信号処理ユニット２２と光センシング部２１を光学的に接続する偏波面保持ファイバ２３としてボウタイファイバを採用することで次のような作用、効果を奏する。ボウタイファイバは、引っ張り応力に対して２つの光伝播軸の伝播定数差の変化が小さい偏波面保持ファイバである。そのため、このようなボウタイファイバを使用することで、偏波面保持ファイバ２３に振動や熱衝撃や音響などに起因した機械的応力が印加されても、機械的応力により偏波面保持ファイバ内に発生する誤差位相差が小さいため、結果として高精度な測定が可能な光センサが実現できる。
【００９０】
従来技術でも説明したが、位相変調子を用いた光センサであって、光ファイバにより光センシング部と被測定物理量を演算する信号処理ユニットとの間を光学的に接続し、光信号を伝送する送光用偏波面保持ファイバに振動、熱衝撃、音響などにより共振現象が外部より印加される場合も、偏波面保持ファイバを伝播する光に誤差位相差が発生してしまい、結果として光センサの特性を悪化させ、測定精度を低下させてしまう問題点があった。しかしながら、本実施の形態の光センサのように、引っ張り応力に対して２つの光伝播軸の伝播定数差の変化が小さい偏波面保持ファイバ２３を使用することで、上記の誤差位相差を小さくすることができる。
【００９１】
上の「（３）光ファイバに印加される荷重により生じる位相変化の評価」で示したように、ボウタイファイバや楕円コアファイバは、パンダ型ファイバと比較して約２０倍引っ張り応力に対する位相変化が小さい。そのため、送光用偏波面保持ファイバにボウタイファイバや楕円コアファイバを使用することで、偏波面保持ファイバに振動や熱衝撃や音響などに起因した機械的応力が印加されても、機械的応力により偏波面保持ファイバ内に発生する誤差位相差が小さく、この結果として高精度な測定が可能な光センサが実現できる。
【００９２】
一般に量産されているボウタイファイバや楕円コアファイバには、そのクラッド径が約１２５μｍのものと約８０μｍのものとがある。クラッド径が小さい光ファイバほど、光ファイバ自体に印加される曲げに起因したファイバ側圧方向の機械的応力が小さい。そこで、偏波面保持ファイバにクラッド径８０μｍの光ファイバを使用することで、偏波面保持ファイバの２つの光伝播軸に加わる光ファイバ側圧方向の機械的応力を低減することができ、２つの光伝播軸間の曲げ応力による光伝送損失差を小さくすることができ、かつ、前述の機械的応力に起因してファイバ内に発生する誤差位相差を小さくでき、この結果として高精度な測定が可能な光センサが実現できる。尚、曲げ応力には振動や熱衝撃、音響による局所的な偏波面保持ファイバの曲げを含む。さらに、クラッド径約８０μｍのボウタイファイバや楕円コアファイバは、パンダ型ファイバと比較して引っ張り応力に対するファイバの２つの光伝播軸の伝播定数差の変化が小さい。そのため、振動や熱衝撃や音響などに起因した機械的応力がクラッド径約８０μｍのボウタイファイバや楕円コアファイバに印加されても、その機械的応力によりクラッド径約８０μｍのボウタイファイバやボウタイファイバ内に発生する誤差位相差が小さく、この結果として高精度な測定が可能な光センサが実現できる。
【００９３】
（第５の実施の形態）本発明の第５の実施の形態の光センサについて、図２０を用いて説明する。本実施の形態の光センサは第４の実施の形態と同様、図１９に示す構成であり、光センシング部２１、信号処理ユニット２２、両者間を光学的に接続する偏波面保持ファイバ２３Ａから構成されている。そして本実施の形態の特徴は、偏波面保持ファイバ２３Ａとして、図２０に示す構造のものを採用した点にある。この偏波面保持ファイバ２３Ａはパンダ型ファイバであり、クラッド２３１の周りを弾性体２３２が取り囲み、さらに弾性体２３２の周りを樹脂外被２３３にて被覆した構造である。この弾性体２３２には、シリコーンゴムを採用することができる。
【００９４】
このような構造の偏波面保持ファイバ２３Ａを採用することで、振動や熱衝撃や音響などに起因した機械的応力が直接にファイバコア２３４に印加されることがなく、機械的応力に起因してファイバコア２３４内に発生する誤差位相差が小さくなり、この結果として高精度な測定が可能な光センサが実現できる。
【００９５】
「（３）光ファイバに印加される荷重により生じる位相変化の評価」で示したように、光ファイバに縦荷重（引っ張り応力）が印加される場合、もっとも顕著に光ファイバを伝播する光に位相差が生じる。そのため、送光用偏波面保持ファイバ２３Ａとしてその外殻が引っ張られても直接に内部のファイバクラッド２３１やファイバコア２３４の部分に引っ張り応力が印加されない構造とすることで、引っ張り応力に起因にした偏波面保持ファイバ内に発生する誤差位相差が小さくでき、この結果として高精度な測定が可能な光センサが実現できる。
【００９６】
（第６の実施の形態）本発明の第６の実施の形態の光センサについて、図２１Ａ、図２１Ｂを用いて説明する。本実施の形態の光センサは第４の実施の形態と同様、図１９に示す構成であり、光センシング部２１、信号処理ユニット２２、両者間を光学的に接続する偏波面保持ファイバ２３Ｂから構成されている。そして本実施の形態の特徴は、図２１Ａに示したように偏波面保持ファイバ２３Ｂに対して保護管２３５を被せ、かつ、保護管２３５とその内部に挿入された偏波面保持ファイバ２３Ｂとの間に例えばクッションの様な弾性体で成る防音・防振材２３６を詰めたことを特徴としている。尚、この防音・防振材２３６に代えて、図２１Ｂに示すように、保護管２３５の内部に不連続に設置された弾性体で構成された防音壁２３７を設けることもできる。
【００９７】
本実施の形態の光センサでは、光センシング部２３１と信号処理ユニット２３２を光学的に接続する偏波面保持ファイバ２３Ｂには、外部から引っ張り応力が印加されないように保護管２３５を被せ、かつ、保護管２３５の内部に振動や音響による共振が発生しないように防音・防振材２３６を詰め、あるいは防音壁２３７を設けた構造とすることで、振動や音響による共振に起因した機械的応力が直接偏波面保持ファイバ２３Ｂに印加されることがなく、機械的応力に起因して偏波面保持ファイバ２３Ｂ内に発生する誤差位相差を小さくでき、結果として高精度な測定が可能な光センサが実現できる。
【００９８】
（第７の実施の形態）本発明の第７の実施の形態の光センサについて、図２２Ａ、図２２Ｂを用いて説明する。本実施の形態の光センサは第４の実施の形態と同様、図１９に示す構成であり、光センシング部２１、信号処理ユニット２２、両者間を光学的に接続する偏波面保持ファイバ２３Ｃから構成されている。そして本実施の形態の特徴は、図２２Ａに示したように偏波面保持ファイバ２３Ｃに対して、不連続に複数の穴２３８を開けた穴開き保護管２３９を被せたことを特徴としている。尚、この穴開き保護管２３９に代えて、図２２Ｂに示すように、不連続な網目構造の保護管２３９を用いることもできる。
【００９９】
本実施の形態の光センサでは、穴開き保護管２３８、若しくは網目構造の保護管２３９を偏波面保持ファイバ２３Ｃに被せたことで、保護管２３８，２３９の内部に音や振動の定在波がせず、保護管２３８，２３９の内部での振動や音響による共振現象を抑制することができ、光ファイバに印加される共振現象による機械的応力を小さくすることができ、機械的応力に起因して偏波面保持ファイバ２３Ｃ内に発生する誤差位相差が小さくでき、結果として高精度な測定が可能な光センサが実現できる。
【０１００】
（第８の実施の形態）本発明の第８の実施の形態の位相変調子組体について、図２３を用いて説明する。本実施の形態の位相変調子組体は、図１６に示した第１の実施の形態の位相変調子１０、図１８に示した第３の実施の形態の位相変調子１０Ｂと同様の構成の位相変調子１０Ｃに対して、さらにゲルの振動吸収材１０Ｄを設けて防振構造にしたことを特徴とする。尚、この位相変調子組体１０を用いた光センサとしては、従来技術で示した各種のものが構成できる。
【０１０１】
本実施の形態の位相変調子組体では、機械的振動が位相変調子１０Ｃの周辺の偏波面保持ファイバ１２，１２Ｂに伝達しないような防振構造を施すことで、位相変調子１０Ｃの周辺の偏波面保持ファイバ１２，１２Ｂに対する機械的応力を小さくすることができ、機械的応力に起因してファイバ内に発生する誤差位相差を小さくでき、結果として高精度な測定が可能な光センサが実現できる。尚、さらに音響の影響は、位相変調子１０Ｃの全体をクッション材などの弾性体で覆うことによって低減できる。
【０１０２】
（第９の実施の形態）本発明の第９の実施の形態の光学素子を、図２４を用いて説明する。本実施の形態の光学素子３０は、位相変調子としての圧電素子を含まず、巻き枠３１の周りにコイル状の偏波面保持ファイバ３２を巻装した構成を特徴とする。そして偏波面保持ファイバ３２には、引っ張り応力に対して２つの光伝播軸の伝播定数差の変化が小さいボウタイファイバを用いている。尚、ボウタイファイバに代えて楕円コアファイバを用いることもできる。
【０１０３】
本実施の形態の光学素子３０では、偏波面保持ファイバ３２として引っ張り応力に対して２つの光伝播軸の伝播定数差の変化が小さいボウタイファイバ若しくは楕円コアファイバを使用したことで、偏波面保持ファイバ３２に振動や熱衝撃や音響などに起因した機械的応力が印加されても、機械的応力により偏波面保持ファイバ３２内に発生する誤差位相差が小さくでき、結果として高精度な測定が可能な光センサが実現できる。すなわち、「（３）光ファイバに印加される荷重により生じる位相変化の評価」で示したように、ボウタイファイバや楕円コアファイバは、パンダ型ファイバと比較して約２０倍引っ張り応力に対する位相変化が小さい。そのため、コイル状の偏波面保持ファイバ３２で構成される光学素子３０にボウタイファイバや楕円コアファイバを使用することで、偏波面保持ファイバ３２に振動や熱衝撃や音響などに起因した機械的応力が印加されても機械的応力により偏波面保持ファイバ３２内に発生する誤差位相差を小さくでき、結果として高精度な測定が可能な光センサが実現できるのである。
【０１０４】
従来技術で説明したが、光センサでは、偏波面保持ファイバをコイル状に巻いて構成される部位が数多く存在する。先に説明した特許文献７の図６に示されている従来例の光ファイバ偏光子もその一例であるが、他に、特許文献４の図１に示されている反射型光ファイバ電流センサにおける遅延用ファイバコイル、特許文献１の図１に示されている光ファイバ振動センサにおける振動センサコイル部分、特許文献２の図１に示されている位相変調器７及びそれを用いた光回転検出装置におけるセンシングループ６などがそれに該当する。これらのコイル状の偏波面保持ファイバの部位に外部より振動や熱衝撃が加わると偏波面保持ファイバのコイル形状や巻枠の形状に依存した共振振動や共振収縮が発生する。振動源としては、既に記載した位相変調子の伸縮振動が本来意図していない部位に伝搬することによっても生じ得る。共振振動や共振収縮が発生するとそれらの共振現象によって偏波面保持ファイバの伸縮が発生し、前述した位相変調子と同様の原理で偏波面保持ファイバに位相差が発生してしまう。これらは、本来意図している制御された位相差とは異なる誤差位相差であり、結果として光センサの特性を悪化させ、測定精度を低減してしまう。しかしながら、本実施の形態の光学素子の場合、共振現象によって偏波面保持ファイバ１２Ｄに伸縮が発生しても、引っ張り応力に対して２つの光伝播軸の伝播定数差の変化が小さい偏波面保持ファイバを使用しているので、偏波面保持ファイバ１２Ｄ内に発生する誤差位相差を小さくでき、結果として高精度な測定が可能な光センサが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】一般的な位相変調子の動作説明図。
【図２】一般的な偏波面保持ファイバの伸縮に伴う伝播光の位相変化を説明するグラフ。
【図３】光ファイバに横荷重が印加される場合の応力の説明図。
【図４】光ファイバに縦荷重が印加される場合の応力の説明図。
【図５】表１の表。
【図６】偏波面保持ファイバとしてのパンダ型ファイバ、ボウタイファイバ、楕円コアファイバそれぞれの断面図。
【図７】偏波面保持ファイバに対する応力印加時の挙動の説明図。
【図８】偏波面保持ファイバにその光学軸に対して４５°の角度で直線偏光を入射させた場合の伝播偏光状態の説明図。
【図９】サンプル１のパンダ型ファイバ（クラッド径１２５μｍ）のファイバの伸びと位相変化の関係を示すグラフ。
【図１０】サンプル２のパンダ型ファイバ（クラッド径１２５μｍ）のファイバの伸びと位相変化の関係を示すグラフ。
【図１１】サンプル３のパンダ型ファイバ（クラッド径８０μｍ）のファイバの伸びと位相変化の関係を示すグラフ。
【図１２】サンプル４のボウタイファイバ（クラッド径１２５μｍ）のファイバの伸びと位相変化の関係を示すグラフ。
【図１３】サンプル５のボウタイファイバ（クラッド径８０μｍ）のファイバの伸びと位相変化の関係を示すグラフ。
【図１４】サンプル６の楕円コアファイバ（クラッド径８０μｍ）のファイバの伸びと位相変化の関係を示すグラフ。
【図１５】表２の表。
【図１６】本発明の第１の実施の形態の位相変調子の説明図。
【図１７】本発明の第２の実施の形態の位相変調子の説明図。
【図１８】本発明の第３の実施の形態の位相変調子の説明図。
【図１９】本発明の第４の実施の形態の光センサの説明図。
【図２０】本発明の第５の実施の形態の光センサに使用する偏波面保持ファイバの説明図。
【図２１Ａ】本発明の第６の実施の形態の光センサに使用する偏波面保持ファイバの斜視図及び断面図。
【図２１Ｂ】本発明の第６の実施の形態の光センサに使用する別の偏波面保持ファイバの断面図。
【図２２Ａ】本発明の第７の実施の形態の光センサに使用する偏波面保持ファイバの斜視図。
【図２２Ｂ】本発明の第７の実施の形態の光センサに使用する別の偏波面保持ファイバの断面図。
【図２３】本発明の第８の実施の形態の位相変調子組体の斜視図。
【図２４】本発明の第９の実施の形態の光学素子の斜視図。
【符号の説明】
【０１０６】
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ 位相変調子
１０Ｄ 振動吸収材
１１，１１Ａ，１１Ｂ 圧電素子
１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｄ 偏波面保持ファイバ
１２ａ，１２ｂ 光伝播軸
２１ 光センシング部
２２ 信号処理ユニット
２３，２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ 偏波面保持ファイバ
２３２ 弾性材
２３３ 硬質被覆層
２３４ ファイバコア
２３５ 保護管
２３６ 防音・防振材
２３７ 防音壁
２３８ 穴開き保護管
２３９ 網目状保護管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボディに機械的振動を誘起する特性を備えた円筒状若しくは円柱状のアクチュエータの周りに、互いに直交する２つの光伝播軸を有する偏波面保持ファイバをそれらの２つの光伝播軸に対して共に約４５°の方向に前記機械的振動による機械的応力を受ける態様にて巻装して成る位相変調子。
【請求項２】
前記アクチュエータは圧電素子であり、
前記圧電素子の周りに、前記偏波面保持ファイバの光伝播軸と圧電素子の径方向とのなす角度が約４５°になるように巻き付けたことを特徴とする請求項１に記載の位相変調子。
【請求項３】
ボディに機械的振動を誘起する特性を備えた円筒状若しくは円柱状のアクチュエータの周りに、互いに直交する２つの光伝播軸を有する偏波面保持ファイバをそれらの２つの光伝播軸に対してほぼ等方的な機械的応力を与える態様にて巻装したことを特徴とする位相変調子。
【請求項４】
ボディに機械的振動を誘起する特性を備えた円筒状若しくは円柱状のアクチュエータの周りに互いに直交する２つの光伝播軸を有する偏波面保持ファイバを所定の捻り率で巻き付けて構成したことを特徴とする位相変調子。
【請求項５】
前記偏波面保持ファイバにパンダ型ファイバを用いたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の位相変調子。
【請求項６】
前記偏波面保持ファイバにクラッド径約８０μｍのパンダ型ファイバを用いたことを特徴とする請求項５に記載の位相変調子。
【請求項７】
前記偏波面保持ファイバを、その側圧方向に対して硬質な被覆材にて被覆したことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の位相変調子。
【請求項８】
前記偏波面保持ファイバの被覆材に紫外線硬化樹脂を使用したことを特徴とする請求項７に記載の位相変調子。
【請求項９】
前記偏波面保持ファイバの被覆に金属コート皮膜を使用したことを特徴とする請求項７に記載の位相変調子。
【請求項１０】
前記アクチュエータとしてセラミック素子を使用したことを特徴とする請求項１、３、５〜９のいずれかに記載の位相変調子。
【請求項１１】
請求項１に記載の位相変調子を防振材に組み付けて成る位相変調子組体。
【請求項１２】
被測定物理量を測定する光センシング部と、前記光センシング部からの光信号より所定の物理量を演算する信号処理ユニットと、前記光センシング部と信号処理ユニットとの間を光学的に接続する光ファイバとを備え、前記光ファイバは、２つの光伝播軸を有する偏波面保持ファイバであり、前記偏波面保持ファイバの２つの光伝播軸それぞれに光を伝播させる光センサにおいて、
前記偏波面保持ファイバとして、引っ張り応力に対して前記２つの光伝播軸の伝播定数差の変化が小さい偏波面保持ファイバを用いたことを特徴とする光センサ。
【請求項１３】
前記光センシング部と信号処理ユニットを光学的に接続する偏波面保持ファイバとして、ボウタイファイバを使用したことを特徴とする請求項１２に記載の光センサ。
【請求項１４】
前記光センシング部と信号処理ユニットとを光学的に接続する偏波面保持ファイバとして、クラッド径約８０μｍのボウタイファイバを使用したことを特徴とする請求項１３に記載の光センサ。
【請求項１５】
前記光センシング部と信号処理ユニットとを光学的に接続する偏波面保持ファイバとして、楕円コアファイバを使用したことを特徴とする請求項１２に記載の光センサ。
【請求項１６】
前記光センシング部と信号処理ユニットとを光学的に接続する偏波面保持ファイバとして、クラッド径約８０μｍの楕円コアファイバを使用したことを特徴とする請求項１５に記載の光センサ。
【請求項１７】
前記光センシング部と信号処理ユニットとを光学的に接続する偏波面保持ファイバの被覆は、クラッドの周りに弾性体が取り囲むように構成したものであることを特徴とする請求項１２〜１６のいずれかに記載の光センサ。
【請求項１８】
前記光センシング部と信号処理ユニットとを光学的に接続する偏波面保持ファイバは、外部から引っ張り応力が印加されないように保護管に挿入され、かつ、前記保護管の内部は振動や音響による共振が発生しない構造をしていることを特徴とする請求項１２〜１７のいずれかに記載の光センサ。
【請求項１９】
前記偏波面保持ファイバと保護管との間に音吸収材を充填したことを特徴とする請求項１８に記載の光センサ。
【請求項２０】
前記保護管には、側面に所定の間隔で穴が設けられていることを特徴とする請求項１７又は１９に記載の光センサ。
【請求項２１】
被測定物理量を測定する光センシング部と、前記光センシング部からの光信号より所定の物理量を演算する信号処理ユニットと、前記光センシング部と信号処理ユニットとの間を光学的に接続する光ファイバとを備えた光センサにおいて、
位相変調子を除くコイル状の偏波面保持ファイバで構成される光学素子には、前記偏波面保持ファイバとして、引っ張り応力に対して２つの光伝播軸の伝播定数差の変化が小さい偏波面保持ファイバを用いたことを特徴とする光センサ。
【請求項２２】
前記偏波面保持ファイバにボウタイファイバを使用したことを特徴とする請求項２１に記載の光センサ。
【請求項２３】
前記偏波面保持ファイバに楕円コアファイバを使用したことを特徴とする請求項２１に記載の光センサ。
【請求項１】
ボディに機械的振動を誘起する特性を備えた円筒状若しくは円柱状のアクチュエータの周りに、互いに直交する２つの光伝播軸を有する偏波面保持ファイバをそれらの２つの光伝播軸に対して共に約４５°の方向に前記機械的振動による機械的応力を受ける態様にて巻装して成る位相変調子。
【請求項２】
前記アクチュエータは圧電素子であり、
前記圧電素子の周りに、前記偏波面保持ファイバの光伝播軸と圧電素子の径方向とのなす角度が約４５°になるように巻き付けたことを特徴とする請求項１に記載の位相変調子。
【請求項３】
ボディに機械的振動を誘起する特性を備えた円筒状若しくは円柱状のアクチュエータの周りに、互いに直交する２つの光伝播軸を有する偏波面保持ファイバをそれらの２つの光伝播軸に対してほぼ等方的な機械的応力を与える態様にて巻装したことを特徴とする位相変調子。
【請求項４】
ボディに機械的振動を誘起する特性を備えた円筒状若しくは円柱状のアクチュエータの周りに互いに直交する２つの光伝播軸を有する偏波面保持ファイバを所定の捻り率で巻き付けて構成したことを特徴とする位相変調子。
【請求項５】
前記偏波面保持ファイバにパンダ型ファイバを用いたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の位相変調子。
【請求項６】
前記偏波面保持ファイバにクラッド径約８０μｍのパンダ型ファイバを用いたことを特徴とする請求項５に記載の位相変調子。
【請求項７】
前記偏波面保持ファイバを、その側圧方向に対して硬質な被覆材にて被覆したことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の位相変調子。
【請求項８】
前記偏波面保持ファイバの被覆材に紫外線硬化樹脂を使用したことを特徴とする請求項７に記載の位相変調子。
【請求項９】
前記偏波面保持ファイバの被覆に金属コート皮膜を使用したことを特徴とする請求項７に記載の位相変調子。
【請求項１０】
前記アクチュエータとしてセラミック素子を使用したことを特徴とする請求項１、３、５〜９のいずれかに記載の位相変調子。
【請求項１１】
請求項１に記載の位相変調子を防振材に組み付けて成る位相変調子組体。
【請求項１２】
被測定物理量を測定する光センシング部と、前記光センシング部からの光信号より所定の物理量を演算する信号処理ユニットと、前記光センシング部と信号処理ユニットとの間を光学的に接続する光ファイバとを備え、前記光ファイバは、２つの光伝播軸を有する偏波面保持ファイバであり、前記偏波面保持ファイバの２つの光伝播軸それぞれに光を伝播させる光センサにおいて、
前記偏波面保持ファイバとして、引っ張り応力に対して前記２つの光伝播軸の伝播定数差の変化が小さい偏波面保持ファイバを用いたことを特徴とする光センサ。
【請求項１３】
前記光センシング部と信号処理ユニットを光学的に接続する偏波面保持ファイバとして、ボウタイファイバを使用したことを特徴とする請求項１２に記載の光センサ。
【請求項１４】
前記光センシング部と信号処理ユニットとを光学的に接続する偏波面保持ファイバとして、クラッド径約８０μｍのボウタイファイバを使用したことを特徴とする請求項１３に記載の光センサ。
【請求項１５】
前記光センシング部と信号処理ユニットとを光学的に接続する偏波面保持ファイバとして、楕円コアファイバを使用したことを特徴とする請求項１２に記載の光センサ。
【請求項１６】
前記光センシング部と信号処理ユニットとを光学的に接続する偏波面保持ファイバとして、クラッド径約８０μｍの楕円コアファイバを使用したことを特徴とする請求項１５に記載の光センサ。
【請求項１７】
前記光センシング部と信号処理ユニットとを光学的に接続する偏波面保持ファイバの被覆は、クラッドの周りに弾性体が取り囲むように構成したものであることを特徴とする請求項１２〜１６のいずれかに記載の光センサ。
【請求項１８】
前記光センシング部と信号処理ユニットとを光学的に接続する偏波面保持ファイバは、外部から引っ張り応力が印加されないように保護管に挿入され、かつ、前記保護管の内部は振動や音響による共振が発生しない構造をしていることを特徴とする請求項１２〜１７のいずれかに記載の光センサ。
【請求項１９】
前記偏波面保持ファイバと保護管との間に音吸収材を充填したことを特徴とする請求項１８に記載の光センサ。
【請求項２０】
前記保護管には、側面に所定の間隔で穴が設けられていることを特徴とする請求項１７又は１９に記載の光センサ。
【請求項２１】
被測定物理量を測定する光センシング部と、前記光センシング部からの光信号より所定の物理量を演算する信号処理ユニットと、前記光センシング部と信号処理ユニットとの間を光学的に接続する光ファイバとを備えた光センサにおいて、
位相変調子を除くコイル状の偏波面保持ファイバで構成される光学素子には、前記偏波面保持ファイバとして、引っ張り応力に対して２つの光伝播軸の伝播定数差の変化が小さい偏波面保持ファイバを用いたことを特徴とする光センサ。
【請求項２２】
前記偏波面保持ファイバにボウタイファイバを使用したことを特徴とする請求項２１に記載の光センサ。
【請求項２３】
前記偏波面保持ファイバに楕円コアファイバを使用したことを特徴とする請求項２１に記載の光センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１Ａ】
【図２１Ｂ】
【図２２Ａ】
【図２２Ｂ】
【図２３】
【図２４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１Ａ】
【図２１Ｂ】
【図２２Ａ】
【図２２Ｂ】
【図２３】
【図２４】
【公開番号】特開２００９−１６８４６５（Ｐ２００９−１６８４６５Ａ）
【公開日】平成２１年７月３０日（２００９．７．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３５４０（Ｐ２００８−３５４０）
【出願日】平成２０年１月１０日（２００８．１．１０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（５００４１４８００）東芝産業機器製造株式会社 (137)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月３０日（２００９．７．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月１０日（２００８．１．１０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（５００４１４８００）東芝産業機器製造株式会社 (137)
【Ｆターム（参考）】
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