JP2001165795A

JP2001165795A - 圧力センサ

Info

Publication number: JP2001165795A
Application number: JP34539199A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Kubota; 靖博久保田; Jiro Toyama; 二郎外山; Ichiro Takatsu; 一郎高津
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 1999-12-03
Filing date: 1999-12-03
Publication date: 2001-06-22

Abstract

(57)【要約】【課題】圧力測定対象の温度に作用されない測定圧
力精度を得ると共に、耐熱性圧力センサを得ることにあ
る。【解決手段】圧力センサに於いて、光分波・合波手段
３により光を２つの偏光成分に分波した光を圧力測定対
象の圧力を受けた受圧ダイアフラム５の突出変形面の複
数箇所に照射し、その各反射する光強度比から圧力を検
知する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、受圧ダイヤフラム
に照射した光の反射する各光強度を比較して受圧ダイヤ
フラムの測定圧力を検知する光学式のダイヤフラム型圧
力センサに関するものである。特に、高温度の条件下で
も測定値が影響されることなく圧力を測定できる光学式
の圧力センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】本発明に関する先行技術として図１０を
参照して圧力センサ５０について述べる。

【０００３】図１０は光学式のダイヤフラム型の圧力セ
ンサ５０の断面図である。図１０において、５１は光フ
ァイバを取り付ける測定用ホルダである。測定用ホルダ
５１には貫通孔５９が設けられており、この貫通孔５９
には圧力測定用光ファイバ５２が配設されている。測定
用ホルダ５１と螺合する第１の取付穴を設けたアダプタ
５３には被圧力測定用の気体導入口５４が貫通孔として
設けられている。測定用ホルダ５１の貫通孔５９とアダ
プタ５３の気体導入孔５４との間には両者間を仕切るア
ルミ箔材製の受圧ダイヤフラム５７が設けられている。
受圧ダイヤフラム５７は樹脂材製のスペーサ５５とゴム
材製のＯリング５６を介して測定用ホルダ５１とアダプ
タ５３との螺合により締め付けられて密封に保持されて
いる。

【０００４】圧力測定用光ファイバ５２は、複数本の素
線を束ねて投光用と受光用を兼ねる。圧力測定用光ファ
イバ５２の出射端５２ａから投光された光は受圧ダイヤ
フラム５７で反射され、圧力測定用光ファイバ５２の出
射端５２ａと同じ位置の入射端に入射する。

【０００５】気体導入口５４から被圧力測定気体が受圧
ダイヤフラム５７に作用すると、図１１に点線で示すよ
うに、受圧ダイヤフラム５７は湾曲状に変形する。図１
１に示すように、圧力測定用光ファイバ５２の出射端５
２ａから受圧ダイヤフラム５７間での距離が最初のＵの
位置からＶの位置に変化するので、光路長も実線で示す
光路長から点線で示す光路長に変化する。出射端５２ａ
から放射された光が受圧ダイヤフラム５７の表面で反射
して再び圧力測定用光ファイバ５２の入射端に入射され
る戻りの光を測定して圧力に換算するものである。

【０００６】圧力センサ５０は、被圧力測定気体が高温
気体の場合にはアダプタ５３等を熱膨張させるので図１
１に示す距離Ｕは温度に応じて大きくなる。その結果、
光の強度にも変化を与えることになるので、圧力センサ
５０として測定誤差が生じる。この誤差を補正する手段
として図１２に示す先行技術の第２例の圧力センサ５０
について述べる。

【０００７】図１２は、その圧力センサ５０の断面図で
ある。図１２において圧力センサ部ｐの構成は図１０と
ほぼ同一である。圧力センサ部ｐと並列に配置された温
度補正部ｑにより圧力センサ部ｐの温度による誤差を補
正する。

【０００８】温度補正部ｑには、アダプタ５３に測定用
ホルダ５１を取り付けた第１の取付穴と平行な第２の取
付穴に補正用ホルダ６１が嵌着されており、この補正用
ホルダ６１に温度補正用光ファイバ６２を配置する第２
の貫通孔７８が設けられている。貫通孔７８には温度補
正用光ファイバ６２が嵌合されている。温度補正用光フ
ァイバ６２の出射端に対向する位置には鋼材製の反射面
体６３がスペーサ６４を介して配置されている。そし
て、締付け板６５により反射面体６３、スペーサ６４及
び補正用ホルダ６１を保持している。

【０００９】温度補正用光ファイバ６２は、気体導入孔
５４からの被測定気体の圧力の作用を受けることがない
ように配設されており、且つ両光ファイバ５２，６２は
熱膨張についてはほぼ同一の条件となるために、熱膨張
による圧力測定用光ファイバ６２の光路長の変化は、温
度補正用光ファイバ６２の光路長変化分に対応したもの
となるので、その対応した光強度の変化分を差し引くこ
とにより温度の影響による誤差を除去できる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述のように構成され
た先行技術の第１例の圧力センサにおいては、アダプタ
５３の気体導入孔５４に導入される被圧力測定気体が高
温になると、アダプタ５３も高温になるので熱膨張す
る。このために圧力測定用光ファイバ５２の出射端５２
ａから受圧ダイヤフラム５７の反射面までの距離が変化
する。つまり、被圧力測定気体の温度が高温になるにつ
れて測定誤差が大きくなるという問題を惹起する。

【００１１】先行技術の第２例の圧力センサの場合に
は、アダプタ５３の受圧ダイヤフラム５７と反射面体６
３の位置が気体導入孔５４から各々異なる距離のために
アダプタ５３の各取り付け部の膨張率も異なる。このた
めに圧力センサの温度に伴う測定誤差が改善できない。
更に、各光ファイバ５２，６２が温度に伴いその特性を
変化させるために測定誤差を惹起することになる。この
ため、圧力センサ５０の測定精度を向上させることが困
難になる。

【００１２】本発明は、上述の課題に鑑み成されたもの
であって、その技術的課題は圧力センサ自体の測定精度
を向上させることにある。又、圧力測定対象の温度に伴
う圧力センサの部品による測定誤差を防止することにあ
る。更に、本発明の目的は、圧力測定対象の温度に伴う
測定誤差を補正するために温度補償手段を設けて圧力セ
ンサの材料選定の設計の困難と構造が大型化するのを防
止すると共に、圧力測定信号を温度補償手段の信号によ
り補正する複雑な処理を省略できるようにすることにあ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述の課題を
解決するために成されたものであって、図２に図解した
ように、その技術的手段は以下のように構成されてい
る。

【００１４】請求項１に係わる本発明の圧力センサは、
圧力測定対象の圧力を受けて受圧ダイヤフラム（５）の
突出変形した反射面に分波した光を照射し反射した各光
強度の光分波を演算処理して圧力を検出する圧力センサ
であって、光源（１０）と、該光源からの出射光を案内
する光導波手段（２）と、記光導波路（２）に連結して
光導波路（２）で案内された光を性質が異なる複数の光
に分波して圧力測定対象の圧力を受けて突出変形した受
圧ダイヤフラム（５）の反射面の複数箇所へ照射し、複
数箇所から反射した反射光を受光して合波する光分波・
合波手段（３）と、光分波・合波手段（３）で合波した
光を光導波手段（２）により伝送して分岐する光分岐手
段（６）と、光分岐手段（６）で分岐した光を分波させ
る光分波手段（７）と、該分波手段（７）で分岐した光
を受光して、受光信号を信号処理して圧力を算出する受
光・信号処理手段（８）とを有するものである。

【００１５】請求項２に係わる本発明の圧力センサは、
光分波・合波手段（３）は入射光を二本の性質が異なる
光に分波して突出変形したダイアフラムの反射面の中央
の高位置と高位置より低い低位置に照射し、その光を合
波することを特徴とする請求項１に記載のものである。

【００１６】請求項３に係わる本発明の圧力センサは、
光分波・合波手段（３）の光分波器（３ａ）を波長フィ
ルタで構成して二種類の波長を重ね合わせた入射光を異
なる波長の二本の光にする請求項１または２に記載のも
のである。

【００１７】請求項４に係わる本発明の圧力センサは、
光分波・合波手段（３）の光分波器（３ａ）を偏光フィ
ルタで構成して円偏光の入射光をｐ偏光とｓ偏光の二本
の性質の異なる光に分波することを特徴とする請求項１
〜３いずれかに記載のものである。

【００１８】請求項５に係わる本発明の圧力センサは、
光導波手段（２）を偏波保存ファイバ又はプラスティッ
クファイバで構成したことを特徴とする請求項１〜４い
ずれかに記載のものである。

【００１９】

【作用】次に、本発明の基本的は圧力センサについて、
その作用を述べる。請求項１の本発明の圧力センサは、
光源からの入射光を光導波路（２）から光分波・合波手
段（３）に伝送して光分波器により二種類の性質の異な
る光に分波する。そして、光分波・合波手段と対向する
受圧ダイヤフラム（５）に圧力測定対象が作用すると、
その圧力により受圧ダイヤフラム（５）の対向する反射
面が湾曲状に光分波・合波手段（３）側へ変形すること
になる。

【００２０】この対向する受圧ダイヤフラム（５）の反
射面の内、分波した光の偏光成分の一本は、例えば変形
の大きい中央の高位置に照射する。同時に分波した偏光
成分の他の一本の光は中央の位置より離れた低位置に照
射する。照射した各偏光成分の光は反射して光分波・合
波手段（３）に入射する。そして、光合波器（３ｂ）に
より合波されて光導波路（２）を伝送して光分岐手段
（６）に伝送されると共に、分波された光は光分波手段
（７）により分波光に変換される。

【００２１】この分波光は受光手段（８）で受光して信
号演算処理手段（２４）でそれぞれの性質の光強度を電
気信号に変換して比較することによって受圧ダイヤフラ
ム（５）の変形量が検出される。そして、この受圧ダイ
ヤフラム（５）の変形量に伴う光強度を比較して圧力を
検出する。この圧力検出の演算処理は、圧力センサ
（１）に取り付けられる受圧ダイヤフラム（５）の変形
量と圧力との関係を前もって実験等により確認し、その
データが信号演算処理手段（２４）に入力されているこ
とにより成される。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係わる圧力センサ
の実施の形態について図面を利用して詳述する。

【００２３】図１は、本発明に係わる第一の実施の形態
を示す圧力センサの断面図である。また、図２はその圧
力センサの構成図である。

【００２４】図１において、１は圧力センサである。圧
力センサ１は、本体３０が中央に形成されて、貫通孔３
３が十字状に設けられている。そして、本体３０の縦方
向の貫通孔３３ａの両端には、第１のアダプタ３１と、
第２のアダプタ３２が設けられている。図示上端の第１
のアダプタ３１には、光源１０が取り付けられている。
この光源１０としては、円偏光を発する半導体レーザ
（ＬＤ）または発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられて
いる。光源１０から出射された光は直接または光ファイ
バなどの光導波路２を介して下方の光分岐手段６に案内
される。なお、光源１０からの出射光の性質が判明して
いるものによっては、光分岐手段６を介すことなく直接
に光分波・合波手段３に伝送することも可能である。ま
た、光源の光は、円偏光に限定する必要はなく、各偏光
強度が予め判明しているものであれば他の光を用いても
良い。

【００２５】光分岐手段６は、その光分岐面が本体３０
の縦貫通孔３３ａ内に光源１０から光分波の合波手段３
に向かう光の光路に対して４５°傾斜して配置されてい
る。光分岐手段６は横貫通孔３３ｂの図示左側の調整部
３４により正確に位置調整して取り付けられている。光
分岐手段６は、無偏光ハーフミラーあるいはそれを利用
したビームスプリッタで構成されている。光分岐手段６
は、光源１０からの入力光を偏波状態を保持しつつ透過
して光ファイバ２へと伝送する。

【００２６】光ファイバ２は、例えば偏波保存光ファイ
バを使用しており、光分岐手段６と光分波・合波手段３
とを光学的に連結している。偏波保存光ファイバを用い
ると光分岐手段６の透過光の偏波状態が変化しないよう
に保持して光分波・合波手段３へと伝送させることがで
きる。

【００２７】図３は光分波・合波手段３の拡大図であ
る。光分波・合波手段３は、光分波器（３ａ）と光合波
器（３ｂ）から構成されている。光分波器（３ａ）は、
コア２５、光源１０からの光の光路に対して４５°傾斜
している偏光フィルタ３ａ、これらの周りを囲む耐熱材
製のクラッド２６により構成されている。光分波器（３
ｂ）は、コア２５、光源１０からの光の光路に対して４
５°傾斜している全反射ミラー３ｂ、これらを囲むクラ
ッド２６により構成されている。光分波・合波手段３は
横貫通孔３３ａの下端に設けられている。この光分波・
合波手段３の内の光分波器３ａは偏光フィルタを用いて
いる。光合波器３ｂは全反射ミラーを用いている。そし
て、この偏光フィルタ３ａと全反射ミラー３ｂがクラッ
ド２６により組み合わされて光分波・合波手段３を構成
する。

【００２８】光分波・合波手段３は、偏光フィルタ３ａ
が光ファイバ２から入力された光の内のｐ偏光成分の光
を透過すると共に、ｓ偏光成分の光を反射して直角方向
の全反射ミラー３ｂに向けて曲げて照射する。尚、この
ｐ偏光成分とｓ偏光成分の透過と反射に関しては、上述
と逆に伝送しても良い。反射されたｓ偏光成分の光は全
反射ミラー３ｂによって反射されて光路を直角に曲げｐ
偏光成分と平行に受圧ダイアフラム５に照射する。

【００２９】光分波・合波手段３の対向する下端には、
受圧ダイヤフラム５が設けられている。受圧ダイアフラ
ム５はアルミ箔やステンレス箔等の金属箔、樹脂膜、ゴ
ム膜などから形成されている。そして、本体３０と第２
のアダプタ３２との間で本体３０側に樹脂製のスペーサ
３６を介すると共に、アダプタ側に圧力測定対象、たと
えば流体または気体をシールするＯリング３５を介して
固着されている。この固着は第２のアダプタ３２を本体
３０に螺合することにより締め付けて行う。

【００３０】第２のアダプタ３２には、圧力測定対象が
受圧ダイヤフラム５に作用できるように流通路３６が形
成されている。この流通路３６は図示されていない装置
の測定しようとする作動圧力流体の通路と連通可能とな
るように構成され、圧力測定対象の圧力を測定可能に構
成されている。受圧ダイヤフラム５は圧力測定対象の圧
力を受けると断面円弧状に光分波・合波手段３側へ突出
変形する。

【００３１】光分波・合波手段３から照射された二本の
光の内ｐ偏光成分は、圧力測定対象により断面円弧状に
変形した受圧ダイヤフラム５の反射面の最も突出した、
例えば、受圧ダイヤフラム５の中央の高位置５ａに照射
する。同時に、ｓ偏光成分は受圧ダイヤフラム５の中央
の高位置５ａより少し離れた位置、例えば高位置５ａと
外方との間の１／２の低位置５ｂまたは２／３の低位置
５ｂに照射する。この受圧ダイヤフラム５と光分波・合
波手段３の位置関係は、上述のような位置関係になるよ
うに光分波・合波手段３の光分波器３ａと光合波器３ｂ
とが一定の距離に離れた位置へ配置されている。尚、前
述したように受圧ダイヤフラム５の照射位置に対する各
偏光成分の選択は上述と逆にしても良いことは明らかで
ある。

【００３２】光分波・合波手段３から照射された各偏光
成分の光は受圧ダイヤフラム５の各照射位置で反射して
光分波・合波手段３の照射口から再度入射する。そし
て、上述した光の進行方向とは逆に進行する。つまり、
反射した光のｐ偏光成分は再度偏光フィルタ３ａを透過
して光ファイバ２に導入される。また、反射した光のｓ
偏光成分は全反射ミラー３ｂにより光路を直角に曲げら
れて偏光フィルタ３ａに直進する。そして、偏光フィル
タ３ａにより再び直角に曲げられて光ファイバ２に導入
される。

【００３３】光ファイバ２は、偏波保存ファイバである
から各偏光成分の偏光強度比状態を維持しつつ光分岐手
段６へと案内する。光分岐手段６は、無偏光ハーフミラ
ーであり、光の偏波状態を維持しつつその強度を透過光
と反射光とに分岐する。

【００３４】反射光が光分波手段７へ進行する。光分波
手段７は本体３０の横貫通孔３３ｂの光分岐手段６と対
向する位置に隣接して配置されている。この光分岐手段
６と光分波手段７の拡大図を図４に示す。光分波手段７
は、偏光フィルタから構成されている。この偏光フィル
タは、ｐ偏光成分を透過すると共に、ｓ偏光成分の光路
を直角に曲げる方向に反射する。この光分岐手段６の無
偏光ハーフミラー、光分波手段７の偏光フィルタ及び光
導波路（コア２５）は耐熱材製のクラッド２６により囲
むようにして一体に形成されている。この各偏光成分の
透過、反射の選択は互いに逆にしても良い。

【００３５】このｐおよびｓ偏光成分は光分波手段７に
より互いに直角方向に進行するが、進行側には対応する
位置に受光手段８を構成する受光素子８ａ，８ｂが配置
されている。この受光手段８は、基本動作としては発光
素子の逆過程を利用して光を受光させるものである。各
偏光成分は受光手段（素子）８ａ，８ｂに伝送される。
受光素子８ａ，８ｂは、フォトダイオード（ＰＤ）を用
いている。受光素子８ａ，８ｂとしてＳｉ材料を用いた
ＰＩＮ型、あるいはＡＰＤが短波長用として用いられ
る。受光素子８ａ，８ｂとして、アバランシェフォトダ
イオード（ＡＰＤ）なども利用することができる。

【００３６】この受光手段８で受光した各光強度は、電
気信号に変換されると共に、信号演算処理装置２４によ
り光強度の比を演算する。そして、光強度の比と受圧ダ
イアフラム５の変化と圧力との関係を実験により前もっ
て求めておいたデータとを信号演算処理装置２４におい
て、演算処理して圧力を算出する。

【００３７】図５は、本発明の第２の実施の形態を示す
圧力センサ１の構成図である。この構成図は図２に示す
ものとほぼ同一である。相違する点のみを下記に述べる
ことにする。

【００３８】光分岐手段６は光源１０からの出射光を通
すと共に、受圧ダイヤフラム５からの反射光を分岐す
る。

【００３９】次に、光分波手段７で分波されたｐ偏光成
分とｓ偏光成分の光は受光手段８へ伝送される。そし
て、この受光素子８ａ，８ｂで受光した各光強度は、電
気信号へと変換される。各光強度を表す電気信号は、受
光手段８から各光強度の比を演算する比較器１１へ伝送
されて電気信号として出力される。

【００４０】光強度比と圧力測定対象の圧力との関係
は、予め受圧ダイヤフラムごとに実験により求めてお
く。この求めておいたデータを変換器１２の記憶部に入
力しておく。そして、光強度比を表す電気信号は、比較
器１１から変換器１２へ入力されると共に、圧力を表す
電気信号に変換されて出力される。そして、圧力値とし
て検出するものである。尚、この比較器１１及び変換器
１２は信号演算処理手段２４を構成する。

【００４１】上述した図３及び４に示す光分岐手段６、
光分波・合波手段３，光分波手段７等は、媒質であるコ
ア２５と、コアを傾斜して横断するフィルタ、ミラー等
の周りを屈折率の小さいニオブ酸ニチウムまたはその他
の耐熱性の無機材料により囲むようにして形成されてい
る。また、耐熱性高分子を利用した光導波路と光学薄膜
とを組み合わせたものを利用することもできる。その結
果、、図３及び図４に示すように光分波・合波手段３の
出射端から光分波手段７までを空間のない光導波路に形
成することが可能であり、光強度を効率よく伝送するこ
とができることになる。その上、上述したように耐熱性
にすることも可能であるから、圧力測定対象が高温であ
っても測定誤差を防止して測定精度を向上することがで
きることになる。

【００４２】図６は、本発明の圧力センサの第３の実施
の形態を示す構成図である。図６において図５に示す第
２の実施の形態と相違する点は、光源からの光が波長の
異なる２種類の光を利用している点である。

【００４３】この光は、２種類の波長を重ね合わせた光
源、または広い波長域持った光源の特定の二種類の波長
の光を使用する。この実施の形態では、光分岐手段６
波、二種類の波長のどちらの光もその強度を二分岐する
ことが可能なハーフミラーを使用する。

【００４４】光ファイバ２は、２種類の波長のどちらの
光に対しても伝搬特性が良好なものを使用する。この光
ファイバ２としては、例えば特定の２種類の波長を有す
る光に対してはプラスティックファイバなどを利用する
ことができる。

【００４５】光分波・合波手段３及び光分波手段７は波
長分離フィルタを使用する。受光手段８は、２種類の波
長に対し、それぞれに対応したＰＤなどの受光素子８
ａ，８ｂを使用する。

【００４６】第３の実施の形態の圧力センサでは、圧力
測定対象の温度に影響されない圧力検出が可能になる。
特に、第３の実施形態においては、構成手段の構造が簡
単であり、コストも安価に構成することが可能になる。

【００４７】図７と図８は、図１に取り付けた受圧ダイ
ヤフラム５の代わりの本発明の１実施の形態を示す受圧
ダイヤフラム５の断面図である。図７に示す受圧ダイヤ
フラム５は樹脂材製の板状をしたものである。そして、
受圧ダイヤフラム５にＯリング３５とスペーサ３６とを
一体にして圧力測定対象が作用したときに設定通りの変
形状態を形成するように構成したものである。また、図
８は受圧ダイヤフラムを超弾性材製で製作して変形量を
正確に形成できるようにしたものである。

【００４８】次に、本発明の実施の形態の作用について
のべることにする。第二の実施の形態について他の実施
の形態を代表して述べることにする。光源１０から出射
された光は、光分岐手段６に入力される。光分岐手段６
は入力された光偏波状態を保持しつつその強度の半分を
光ファイバ２へ伝送する。光ファイバ２は伝送された光
を偏波状態が変化しないように保持しつつ光分波・合波
手段３へと伝送する。光分波・合波手段３の偏光フィル
タ３ａにより光ファイバ２から伝搬された光は、ｐ偏光
成分を進行方向に透過すると共に、ｓ偏光成分の光路を
直角に曲げる方向に反射させる。この反射されたｓ偏光
成分の光は全反射ミラーによって光路を直角に曲げられ
てｐ偏光成分と平行な方向に出射される。

【００４９】この光分波・合波手段３から出射された二
本の光の内ｐ偏光成分は圧力測定対象の圧力により光の
出射方向に対し円弧状に突出する受圧ダイヤフラム５の
突出面に出射される。このｐ偏光成分は受圧ダイヤフラ
ム５の突出中心の高位置５ａに照射される。また、ｓ偏
光成分は高位置５ａより離れた低位置５ｂに照射する。

【００５０】この光の照射関係は、受圧ダイヤフラム５
が圧力測定対象の作用を受けていない状態の時には、光
分波・合波手段３の出射口から受圧ダイヤフラム５の照
射面までの距離は同一である。そして、各偏光成分の受
圧ダイヤフラム５からの反射光は、垂直に反射されるた
め、両偏光成分の光の強度はほぼ同一の強度となる。

【００５１】これに対し、図７に示すように、圧力測定
対象の作用を受けて受圧ダイヤフラム５が突出変形する
と、高位置５ａに照射されたｐ偏光成分の反射光は、光
分波・合波手段３の射出口から高位置３ａまでの距離が
近くなる。更に、反射面の角度は何ら変化しない為に、
受圧ダイヤフラム５の反射面に対しては垂直に反射され
る。このために、光分波・合波手段３へ入力される反射
光の強度は、大きくなる。

【００５２】これに対して、ｓ偏光成分の反射光は反射
面までの距離は近くなるものの、ｐ偏光成分の距離に対
しては近くなる割合が小さい。更に、図９は、光分波・
合波手段３と受圧ダイヤフラム５との関係を示す断面図
である。この図９から明らかなように、受圧ダイヤフラ
ム５は、圧力測定対象の作用前の平面状態の反射面が圧
力測定対象の圧力を受けると断面円弧状に形成されて低
位置５ｂの角度が傾斜するために、光分波・合波手段３
へ反射する入射光の強度の割合がｐ偏光成分に対して小
さくなる。そして、反射光強度が小さくなる。

【００５３】この状態で、各偏光成分はそれを出力した
光分波・合波手段３の射出口へ再び入射される。そし
て、ｐ偏光成分は、再度、偏光フィルタ３ａを通過し光
ファイバ２へと伝送される。一方、ｓ偏光成分は、全反
射ミラー３ｂにより、光路を直角へ曲げる方向に反射さ
れて光ファイバ２へ伝送される。このとき、ｐ偏光成分
の光路に漏れ込んだｓ偏光成分と、ｓ偏光成分側の光路
に漏れ込んだｐ偏光成分は、それぞれ偏光フィルタで光
ファイバ２の光路でない方向へと伝搬されるために測定
精度に影響を与えることが防止される。

【００５４】伝送光は光ファイバ２により偏光強度比を
維持した偏光状態が保持されながら、光分岐手段６へと
伝送される。光分岐手段６は無偏光ハーフミラーである
ために光の偏波を維持した状態で、その強度を透過光と
反射光に分岐する。この反射光が光分波手段７へ伝送さ
れる。この光分波手段７は偏光フィルタであるためにｐ
偏光成分を透過し、ｓ偏光成分の光路を直角へ曲げる方
向に反射させる。そして、受光手段８へと伝搬させる。

【００５５】この受光手段８により各光強度は電気信号
へと変換される。各光強度を表す電気信号は各光強度の
比を演算する比較器１１へと伝送される。そして、比較
器１１により光強度を表す電気信号を出力する。

【００５６】光強度と圧力測定対象の圧力との関係は予
め各受圧ダイヤフラム５ごとに実験により求めて記憶部
へ入力されている。この記憶部のデータを変換器１２へ
出力して光強度比を表す電気信号から圧力を表す電気信
号へと変換する。そして、圧力測定対象の圧力を検出す
る。

【００５７】本発明の第１及び第３実施の形態において
も第２の実施の形態と同様な作用をする。そして、圧力
センサが耐熱性材料で構成することが可能であるから、
圧力測定対象の温度の影響を受けなく、しかも、２種類
の光の強度により、高精度に圧力を測定することが可能
になる。また、圧力センサとして各手段を接続して光導
波路を形成することが可能であるか小型化を可能として
ロボットなどの感覚としての触圧用圧力センサとして有
用である。

【００５８】

【発明の効果】本発明の圧力センサは、入射光を２種類
の光に分波して受圧ダイヤフラムの反射面の変形状態を
複数箇所の反射光の光強度を互いに対比できる電気信号
に換算して測定するために、圧力測定対象の温度に影響
されることなく高精度に圧力を測定する効果が期待でき
る。

【００５９】また、圧力センサの各手段を接続して光導
波路に構成できるので、空間を通る部分が無く、各光強
度を効率よく伝送できる。このために温度による圧力測
定精度の誤差の発生が防止されると共に、光測定として
の高精度の圧力測定が可能となる。

【００６０】更に、圧力センサを構成する各手段は、コ
アを囲むクラッドを耐熱性材料に構成することが可能で
あるから、センサ自体の熱変化を防止できる。

【００６１】圧力センサを構成する各手段が光導波路と
して接続できるので、構造の小型化が可能となり、狭い
場所でも圧力センサを取り付けることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる第１の実施の形態を示す圧力セ
ンサの断面図である。

【図２】本発明の圧力センサの基本構成図である。

【図３】図１及び図５並びに図６の光分波・合波手段の
拡大断面図である。

【図４】図１及び図５並びに図６の光分岐手段及び光分
波手段の拡大断面図である。

【図５】本発明に係わる第２の実施の形態を示す圧力セ
ンサの構成図である。

【図６】本発明に係わる第３の実施の形態を示す圧力セ
ンサの構成図である。

【図７】本発明に係わる受圧ダイヤフラム５の１実施の
形態の断面図である。

【図８】本発明に係わる受圧ダイヤフラム５の他の実施
の形態を示す断面図である。

【図９】本発明に係わる図１の受圧ダイヤフラムに圧力
測定対象が作用して突出変形した反射面に二つの光りが
照射した状態の構成図である。

【図１０】従来の第一の圧力センサの断面図である。

【図１１】図９の受圧ダイヤフラムに圧力測定対象が作
用して突出変形した状態と光ファイバを示す断面図であ
る。

【図１２】従来の第２の圧力センサの断面図である。

【符号の説明】

１圧力センサ２光ファイバ３光分波・合波手段３ａ光分波器３ｂ光合波器５受圧ダイヤフラム５ａ高位置５ｂ低位置６光分岐手段７光分波手段８受光手段８ａ受光素子８ｂ受光素子１０光源１１比較器１２変換器２５コア２６クラッド３０本体３１第１のアダプタ３２第２のアダプタ３３貫通孔３３ａ縦貫通孔３３ｂ横貫通孔３４調整部３６流通孔５０圧力センサ５１測定用ホルダ５２光ファイバ５３アダプタ５４気体導入口５５スペーサ５６Ｏリング５７受圧ダイヤフラム５９貫通孔６１補正用ホルダ６２温度補正用光ファイバ６３反射面体６４スペーサ６５締付け板７８貫通孔

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１２年３月１７日（２０００．３．１
７）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【書類名】明細書

【発明の名称】圧力センサ

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、受圧ダイアフラム
に照射した光の反射する各光強度を比較して受圧ダイア
フラムの測定圧力を検知する光学式のダイアフラム型圧
力センサに関するものである。特に、高温度の条件下で
も測定値が影響されることなく圧力を測定できる光学式
の圧力センサに関するものである。

【０００２】

【０００３】図１０は光学式のダイアフラム型の圧力セ
ンサ５０の断面図である。図１０において、５１は光フ
ァイバを取り付ける測定用ホルダである。測定用ホルダ
５１には貫通孔５９が設けられており、この貫通孔５９
には圧力測定用光ファイバ５２が配設されている。測定
用ホルダ５１と螺合する第１の取付穴を設けたアダプタ
５３には被圧力測定用の気体導入口５４が貫通孔として
設けられている。測定用ホルダ５１の貫通孔５９とアダ
プタ５３の気体導入孔５４との間には両者間を仕切るア
ルミ箔材製の受圧ダイアフラム５７が設けられている。
受圧ダイアフラム５７は樹脂材製のスペーサ５５とゴム
材製のＯリング５６を介して測定用ホルダ５１とアダプ
タ５３との螺合により締め付けられて密封に保持されて
いる。

【０００４】圧力測定用光ファイバ５２は、複数本の素
線を束ねて投光用と受光用を兼ねる。圧力測定用光ファ
イバ５２の出射端５２ａから投光された光は受圧ダイア
フラム５７で反射され、圧力測定用光ファイバ５２の出
射端５２ａと同じ位置の入射端に入射する。

【０００５】気体導入口５４から被圧力測定気体が受圧
ダイアフラム５７に作用すると、図１１に点線で示すよ
うに、受圧ダイアフラム５７は湾曲状に変形する。図１
１に示すように、圧力測定用光ファイバ５２の出射端５
２ａから受圧ダイアフラム５７間での距離が最初のＵの
位置からＶの位置に変化するので、光路長も実線で示す
光路長から点線で示す光路長に変化する。出射端５２ａ
から放射された光が受圧ダイアフラム５７の表面で反射
して再び圧力測定用光ファイバ５２の入射端に入射され
る戻りの光を測定して圧力に換算するものである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述のように構成され
た先行技術の第１例の圧力センサにおいては、アダプタ
５３の気体導入孔５４に導入される被圧力測定気体が高
温になると、アダプタ５３も高温になるので熱膨張す
る。このために圧力測定用光ファイバ５２の出射端５２
ａから受圧ダイアフラム５７の反射面までの距離が変化
する。つまり、被圧力測定気体の温度が高温になるにつ
れて測定誤差が大きくなるという問題を惹起する。

【００１１】先行技術の第２例の圧力センサの場合に
は、アダプタ５３の受圧ダイアフラム５７と反射面体６
３の位置が気体導入孔５４から各々異なる距離のために
アダプタ５３の各取り付け部の膨張率も異なる。このた
めに圧力センサの温度に伴う測定誤差が改善できない。
更に、各光ファイバ５２，６２が温度に伴いその特性を
変化させるために測定誤差を惹起することになる。この
ため、圧力センサ５０の測定精度を向上させることが困
難になる。

【００１３】

【００１４】請求項１に係わる本発明の圧力センサは、
圧力測定対象の圧力を受けて受圧ダイアフラム（５）の
突出変形した反射面に分波した光を照射し反射した各光
強度の光分波を演算処理して圧力を検出する圧力センサ
であって、光源（１０）と、該光源からの出射光を案内
する光導波手段（２）と、記光導波手段（２）に連結し
て光導波手段（２）で案内された光を性質が異なる複数
の光に分波して圧力測定対象の圧力を受けて突出変形し
た受圧ダイアフラム（５）の反射面の複数箇所へ照射
し、複数箇所から反射した反射光を受光して合波する光
分波・合波手段（３）と、光分波・合波手段（３）で合
波した光を光導波手段（２）により伝送して分岐する光
分岐手段（６）と、光分岐手段（６）で分岐した光を分
波させる光分波手段（７）と、該分波手段（７）で分岐
した光を受光して、受光信号を信号処理して圧力を算出
する受光・信号処理手段（８，２４）とを有するもので
ある。

【００１５】請求項２に係わる本発明の圧力センサは、
光分波・合波手段（３）は入射光を二本の性質が異なる
光に分波して突出変形したダイアフラムの反射面の中央
の高位置と高位置より低い低位置に照射し、その光を合
波することを特徴とする。

【００１６】請求項３に係わる本発明の圧力センサは、
光分波・合波手段（３）の光分波器（３ａ）を波長フィ
ルタで構成して二種類の波長を重ね合わせた入射光を異
なる波長の二本の光にする。

【００１７】請求項４に係わる本発明の圧力センサは、
光分波・合波手段（３）の光分波器（３ａ）を偏光フィ
ルタで構成して円偏光の入射光をｐ偏光とｓ偏光の二本
の性質の異なる光に分波することを特徴とする。

【００１８】請求項５に係わる本発明の圧力センサは、
光導波手段（２）を偏波保存ファイバ又はプラスティッ
クファイバで構成したことを特徴とする。

【００１９】

【作用】次に、本発明の基本的は圧力センサについて、
その作用を述べる。請求項１の本発明の圧力センサは、
光源からの入射光を光導波路（２）から光分波・合波手
段（３）に伝送して光分波器により二種類の性質の異な
る光に分波する。そして、光分波・合波手段と対向する
受圧ダイアフラム（５）に圧力測定対象が作用すると、
その圧力により受圧ダイアフラム（５）の対向する反射
面が湾曲状に光分波・合波手段（３）側へ変形すること
になる。

【００２０】この対向する受圧ダイアフラム（５）の反
射面の内、分波した光の偏光成分の一本は、例えば変形
の大きい中央の高位置に照射する。同時に分波した偏光
成分の他の一本の光は中央の位置より離れた低位置に照
射する。照射した各偏光成分の光は反射して光分波・合
波手段（３）に入射する。そして、光合波器（３ｂ）に
より合波されて光導波路（２）を伝送して光分岐手段
（６）に伝送されると共に、分波された光は光分波手段
（７）により分波光に変換される。

【００２１】この分波光は受光手段（８）で受光し、受
光した信号を信号演算処理手段（２４）でそれぞれの性
質の光強度を電気信号に変換して比較することによって
受圧ダイアフラム（５）の変形量が検出される。そし
て、この受圧ダイアフラム（５）の変形量に伴う光強度
を比較して圧力を検出する。この圧力検出の演算処理
は、圧力センサ（１）に取り付けられる受圧ダイアフラ
ム（５）の変形量と圧力との関係を前もって実験等によ
り確認し、そのデータが信号演算処理手段（２４）に入
力されていることにより成される。

【００２２】

【００２８】光分波・合波手段３は、偏光フィルタ３ａ
が光ファイバ２から入力された光の内のｐ偏光成分の光
を透過すると共に、ｓ偏光成分の光を反射して直角方向
の全反射ミラー３ｂに向けて曲げて照射する。尚、この
ｐ偏光成分とｓ偏光成分の透過と反射に関しては、上述
と逆にしても良い。反射されたｓ偏光成分の光は全反射
ミラー３ｂによって反射されて光路を直角に曲げｐ偏光
成分と平行に受圧ダイアフラム５に照射する。

【００２９】光分波・合波手段３の対向する下端には、
受圧ダイアフラム５が設けられている。受圧ダイアフラ
ム５はアルミ箔やステンレス箔等の金属箔、樹脂膜、ゴ
ム膜などから形成されている。そして、本体３０と第２
のアダプタ３２との間で本体３０側に樹脂製のスペーサ
３６を介すると共に、アダプタ側に圧力測定対象、たと
えば流体または気体をシールするＯリング３５を介して
固着されている。この固着は第２のアダプタ３２を本体
３０に螺合することにより締め付けて行う。

【００３０】第２のアダプタ３２には、圧力測定対象が
受圧ダイアフラム５に作用できるように流通路３６が形
成されている。この流通路３６は図示されていない装置
の測定しようとする作動圧力流体の通路と連通可能とな
るように構成され、圧力測定対象の圧力を測定可能に構
成されている。受圧ダイアフラム５は圧力測定対象の圧
力を受けると断面円弧状に光分波・合波手段３側へ突出
変形する。

【００３１】光分波・合波手段３から照射された二本の
光の内ｐ偏光成分は、圧力測定対象により断面円弧状に
変形した受圧ダイアフラム５の反射面の最も突出した、
例えば、受圧ダイアフラム５の中央の高位置５ａに照射
する。同時に、ｓ偏光成分は受圧ダイアフラム５の中央
の高位置５ａより少し離れた位置、例えば高位置５ａと
外方との間の１／２の低位置５ｂまたは２／３の低位置
５ｂに照射する。この受圧ダイアフラム５と光分波・合
波手段３の位置関係は、上述のような位置関係になるよ
うに光分波・合波手段３の光分波器３ａと光合波器３ｂ
とが一定の距離に離れた位置へ配置されている。尚、前
述したように受圧ダイアフラム５の照射位置に対する各
偏光成分の選択は上述と逆にしても良いことは明らかで
ある。

【００３２】光分波・合波手段３の出射口から照射され
た各偏光成分の光は受圧ダイアフラム５の各照射位置で
反射して光分波・合波手段３の出射口から再度入射す
る。そして、上述した光の進行方向とは逆に進行する。
つまり、反射した光のｐ偏光成分は再度偏光フィルタ３
ａを透過して光ファイバ２に導入される。また、反射し
た光のｓ偏光成分は全反射ミラー３ｂにより光路を直角
に曲げられて偏光フィルタ３ａに直進する。そして、偏
光フィルタ３ａにより再び直角に曲げられて光ファイバ
２に導入される。

【００３８】光分岐手段６は光源１０からの出射光を通
すと共に、受圧ダイアフラム５からの反射光を分岐す
る。

【００４０】光強度比と圧力測定対象の圧力との関係
は、予め受圧ダイアフラムごとに実験により求めてお
く。この求めておいたデータを変換器１２の記憶部に入
力しておく。そして、光強度比を表す電気信号は、比較
器１１から変換器１２へ入力されると共に、圧力を表す
電気信号に変換されて出力される。そして、圧力値とし
て検出するものである。尚、この比較器１１及び変換器
１２は信号演算処理手段２４を構成する。

【００４１】上述した図３及び４に示す光分岐手段６、
光分波・合波手段３，光分波手段７等は、媒質であるコ
ア２５と、コアを傾斜して横断するフィルタ、ミラー等
の周りを屈折率の小さいニオブ酸リチウムまたはその他
の耐熱性の無機材料により囲むようにして形成されてい
る。また、耐熱性高分子を利用した光導波路と光学薄膜
とを組み合わせたものを利用することもできる。その結
果、、図３及び図４に示すように光分波・合波手段３の
出射端から光分波手段７までを空間のない光導波路に形
成することが可能であり、光強度を効率よく伝送するこ
とができることになる。その上、上述したように耐熱性
にすることも可能であるから、圧力測定対象が高温であ
っても測定誤差を防止して測定精度を向上することがで
きることになる。

【００４７】図７と図８は、図１に取り付けた受圧ダイ
アフラム５の代わりの本発明の１実施の形態を示す受圧
ダイアフラム５の断面図である。図７に示す受圧ダイア
フラム５は樹脂材製の板状をしたものである。そして、
受圧ダイアフラム５にＯリング３５とスペーサ３６とを
一体にして圧力測定対象が作用したときに設定通りの変
形状態を形成するように構成したものである。また、図
８は受圧ダイアフラムを超弾性材製で製作して変形量を
正確に形成できるようにしたものである。

【００４９】この光分波・合波手段３から出射された二
本の光の内ｐ偏光成分は圧力測定対象の圧力により光の
出射方向に対し円弧状に突出する受圧ダイアフラム５の
突出面に出射される。このｐ偏光成分は受圧ダイアフラ
ム５の突出中心の高位置５ａに照射される。また、ｓ偏
光成分は高位置５ａより離れた低位置５ｂに照射する。

【００５０】この光の照射関係は、受圧ダイアフラム５
が圧力測定対象の作用を受けていない状態の時には、光
分波・合波手段３の出射口から受圧ダイアフラム５の照
射面までの距離は同一である。そして、各偏光成分の受
圧ダイアフラム５からの反射光は、垂直に反射されるた
め、両偏光成分の光の強度はほぼ同一の強度となる。

【００５１】これに対し、図７に示すように、圧力測定
対象の作用を受けて受圧ダイアフラム５が突出変形する
と、高位置５ａに照射されたｐ偏光成分の反射光は、光
分波・合波手段３の出射口から高位置５ａまでの距離が
近くなる。更に、反射面の角度は何ら変化しない為に、
受圧ダイアフラム５の反射面に対しては垂直に反射され
る。このために、光分波・合波手段３へ入力される反射
光の強度は、大きくなる。

【００５２】これに対して、ｓ偏光成分の反射光は反射
面までの距離は近くなるものの、ｐ偏光成分の距離に対
しては近くなる割合が小さい。更に、図９は、光分波・
合波手段３と受圧ダイアフラム５との関係を示す断面図
である。この図９から明らかなように、受圧ダイアフラ
ム５は、圧力測定対象の作用前の平面状態の反射面が圧
力測定対象の圧力を受けると断面円弧状に形成されて低
位置５ｂの角度が傾斜するために、光分波・合波手段３
へ反射する入射光の強度の割合がｐ偏光成分に対して小
さくなる。そして、反射光強度が小さくなる。

【００５６】光強度と圧力測定対象の圧力との関係は予
め各受圧ダイアフラム５ごとに実験により求めて記憶部
へ入力されている。この記憶部のデータを変換器１２へ
出力して光強度比を表す電気信号から圧力を表す電気信
号へと変換する。そして、圧力測定対象の圧力を検出す
る。

【００５８】

【発明の効果】本発明の圧力センサは、入射光を２種類
の光に分波して受圧ダイアフラムの反射面の変形状態を
複数箇所の反射光の光強度を互いに対比できる電気信号
に換算して測定するために、圧力測定対象の温度に影響
されることなく高精度に圧力を測定する効果が期待でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図２】本発明の圧力センサの基本構成図である。

【図７】本発明に係わる受圧ダイアフラムの１実施の形
態の断面図である。

【図８】本発明に係わる受圧ダイアフラム５の他の実施
の形態を示す断面図である。

【図９】本発明に係わる図１の受圧ダイアフラムに圧力
測定対象が作用して突出変形した反射面に二つの光が照
射した状態の構成図である。

【図１０】従来の第一の圧力センサの断面図である。

【図１１】図９の受圧ダイアフラムに圧力測定対象が作
用して突出変形した状態と光ファイバを示す断面図であ
る。

【図１２】従来の第２の圧力センサの断面図である。

【符号の説明】１圧力センサ２光ファイバ３光分波・合波手段３ａ光分波器３ｂ光合波器５受圧ダイアフラム５ａ高位置５ｂ低位置６光分岐手段７光分波手段８受光手段８ａ受光素子８ｂ受光素子１０光源１１比較器１２変換器２５コア２６クラッド３０本体３１第１のアダプタ３２第２のアダプタ３３貫通孔３３ａ縦貫通孔３３ｂ横貫通孔３４調整部３６流通孔５０圧力センサ５１測定用ホルダ５２光ファイバ５３アダプタ５４気体導入口５５スペーサ５６Ｏリング５７受圧ダイアフラム５９貫通孔６１補正用ホルダ６２温度補正用光ファイバ６３反射面体６４スペーサ６５締付け板７８貫通孔

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２】

【手続補正４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図３】

【手続補正５】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図５

【補正方法】変更

【補正内容】

【図５】

【手続補正６】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図６

【補正方法】変更

【補正内容】

【図６】

【手続補正７】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図７

【補正方法】変更

【補正内容】

【図７】

【手続補正８】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図８

【補正方法】変更

【補正内容】

【図８】

【手続補正９】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図９

【補正方法】変更

【補正内容】

【図９】

フロントページの続き (72)発明者高津一郎茨城県つくば市和台25 エヌオーケー株式会社内Ｆターム(参考） 2F055 AA40 BB20 CC02 DD20 EE31 FF01 GG11 GG31 2F065 AA00 AA65 BB01 CC00 DD02 EE01 FF49 GG06 GG07 GG12 GG23 HH10 JJ01 JJ05 JJ18 LL00 LL02 LL12 LL21 LL33 LL37 LL46 QQ23 QQ26

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧力測定対象の圧力を受けて受圧ダイヤフ
ラム（５）の突出変形した反射面に分波した光を照射し
反射した各光強度の光分波を演算処理して圧力を検出す
る圧力センサであって、光源（１０）と、該光源からの出射光を案内する光導波手段（２）と、前記光導波路（２）に連結して前記光導波路（２）で案
内された光を性質が異なる複数の光に分波して前記圧力
測定対象の圧力を受けて突出変形した前記受圧ダイヤフ
ラム（５）の反射面の複数箇所へ照射し、複数箇所から
反射した反射光を受光して合波する光分波・合波手段
（３）と、前記光分波・合波手段（３）で合波した光を前記光導波
手段（２）により伝送して分岐する光分岐手段（６）
と、前記光分岐手段（６）で分岐した光を分波させる光分波
手段（７）と、該分波手段（７）で分岐した光を受光し
て、受光信号を信号処理して圧力を算出する受光・信号
処理手段（８）とを有することを特徴とする圧力セン
サ。
【請求項２】前記光分波・合波手段（３）は入射光を二
本の性質が異なる光に分波して突出変形したダイアフラ
ムの反射面の中央の高位置と前記高位置より低い低位置
に照射し、その光を合波することを特徴とする請求項１
に記載の圧力センサ。
【請求項３】前記光分波・合波手段（３）の光分波器
（３ａ）を波長フィルタで構成して二種類の波長を重ね
合わせた入射光を異なる波長の二本の光にすることを特
徴とする請求項１または２に記載の圧力センサ。
【請求項４】前記光分波・合波手段（３）の光分波器
（３ａ）を偏光フィルタで構成して円偏光の入射光をｐ
偏光とｓ偏光の二本の性質の異なる光に分波することを
特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の圧力センサ。
【請求項５】前記光導波手段（２）を偏波保存ファイバ
又はプラスティックファイバで構成したことを特徴とす
る請求項１〜４いずれかに記載の圧力センサ。