JP2005257472A - 物理量検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 装置の小型化を可能としつつ、高精度な物理量検出が可能な物理量検出装置を提供すること。
【解決手段】 光源２１から発せられた第１光束Ｌ１および光源２２から発せられた第２光束Ｌ２を圧力検出部３０に導く光ファイバと、圧力検出部３０からの反射光を光分波器４１に導く光ファイバとを一本の光ファイバ２４により構成するとともに、波長の異なる第１および第２光束Ｌ１，Ｌ２を球レンズ３４によって集光して反射板３３に投射するように構成する。第１および第２光束Ｌ１，Ｌ２に対応する第４および第５光束Ｌ４，Ｌ５の受光量ＭＬ１，ＭＬ２をレンズの色収差を利用して取得し、これらの受光量ＭＬ１，ＭＬ２または光量比から光ファイバ２４とダイアフラム３２との相対距離を求め、この相対距離からダイアフラム３２が受ける圧力を求める。
【選択図】 図１

Description

本発明は、気体、液体中の圧力、温度等の物理量検出に利用される物理量検出装置に関する。

従来、光ファイバおよび光学変換素子を用いて光学的検出原理を利用する物理量検出装置は、電気信号を利用しないため、高絶縁性、防爆性、耐電磁雑音性、耐環境性など優れた特徴を有し、医療分野などにおいて広く利用されている。このような光ファイバおよび光学変換素子を用いた物理量検出装置の一例として特許文献１に示されるような圧力センサがある。この圧力センサを図５を参照しながら説明すると、光源１１から出射された光束は送光ファイバ１２の一端に入射して送光ファイバ１２の他端に導かれ、送光ファイバ１２の他端に対抗させて設けられた反射板を兼ねたダイアフラム１３に投射される。ダイアフラム１３に投射された光束は、ダイアフラム１３の反射面にて反射され、異なる特性を持つ複数からなる受光ファイバ１４にそれぞれ入射する。これらの受光ファイバ１４に入射した反射光は圧力検出光として、それぞれの受光器１５によって受光され光・電気変換される。ここで、ダイアフラム１３は被検出圧力に応じてその反射面が変形するため、この変形量に応じた光量の反射光を受光ファイバ１４に投射することになる。また、受光ファイバ１４はそれぞれ異なる特性（例えばコア径、クラッド径等）により構成されていることから、それぞれの圧力検出光の光量に差が生じることになる。

そして、演算回路１６はそれぞれの圧力検出光間の光量差を利用して光量比を算出し、この算出した光量比を用い、予め実験等により求められている光量比と送光および受光ファイバ１２，１４からダイアフラム１３の相対距離との関係から同相対距離を算出する。この算出した相対距離を用いて予め決められた相対距離とダイアフラム１３に付与される圧力の関係から、被検出圧力を算出して、表示回路１７により表示するようにしている。この方法で得られる送光および受光ファイバ１２，１４から、ダイアフラム１３までの相対距離に対する圧力検出光の光量比の関係を図６に示す。
特開昭６０−１４６１１２

しかしながら、前記した従来例においては、送光用および受光用として最低３本（送光用１本、受光用２本）の光ファイバを必要とするため、装置の小型化に限界がある。また、図６から明らかなように、１つの受光量に対し２つ以上の相対距離が存在する場合があるため、被検出圧力を算出する場合に極めて不都合である。さらに、送光ファイバによって導かれた光束は送光ファイバ１２からダイアフラム１３の反射面に直接投射されることから、受光ファイバ１４は反射光の一部しか入射しないため、効率的な反射光量すなわち効率的な圧力検出光量を得ることができない結果、被検出圧力を算出する場合に高精度な圧力検出ができないという問題があった。

本発明は、前記問題に対処するためなされたもので、その目的は、物理量検出装置の小型化を可能としつつ、高精度な物理量検出を可能とする物理量検出装置の提供にある。

前記目的を達成するため、本発明の特徴は、第１の波長を有する第１光束および第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２光束を発する光源部と、反射板が設けられていて外部からの物理量の変化に応じて変形する検出部と、一端にて第１および第２光束を入射するとともに他端から出射して反射板に導き、反射板による反射光を他端にて入射して反射光を一端から出射する光ファイバと、光ファイバの一端から出射する反射光のうちで第１の波長を有する光束を受光する第１受光器と、光ファイバの一端から出射する反射光のうちで第２の波長を有する光束を受光する第２受光器とを備えたことにある。この場合、光源部からの第１および第２光束を結合する光学手段を用いて、第１および第２光束を光ファイバの一端に入射させるとよい。

前記のように構成した本発明の特徴によれば、第１光束および第２光束を反射板の設けられた検出部に導く光ファイバと、同検出部から反射される反射光を第１受光器および第２受光器に導く光ファイバとを、一本の光ファイバで構成しているため、装置の小型化を図ることができる。さらに、このような第１および第２受光器で受光されるそれぞれの反射光から光量比を計算して光ファイバと反射板との相対距離の関係を求めるようにすれば、光量比と相対距離との関係は図３に示すようになり、この図から明らかなように光量比から相対距離を一義的に求めることができる。

また、本発明の他の特徴は、光ファイバの他端と反射板との間に設けられて、光ファイバの他端から出射された第１および第２光束を反射板に集光する第１の光学手段を設けたことにある。これによれば、第１および第２光束を集光して反射板に投射しているため、より多くの反射光を得ることが可能となり、高精度な被検出物理量の検出が可能となる。

また、本発明の他の特徴は、第１の光学手段が、第１および第２の波長に対してそれぞれ異なる焦点距離を有するようにしたことにある。この場合、例えば、第１の光学手段を球レンズで構成できる。より具体的には、球体レンズとして光学的屈折率の波長分散が大きい硝種により、すなわち第１および第２の波長に対し光学的屈折率の違いの大きい材料を用いて構成するとよい。これによれば、第１および第２光束の波長が異なることによって光量差がより顕著に現れるようになり、さらに、高精度な被検出物理量の検出が可能となる。

以下、本発明の物理量検出装置の一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、同実施形態に係る物理量検出装置の全体を概略的に示す構成図である。本実施形態においては、検出する物理量として気体、液体等の圧力を採用している。

この物理量検出装置は、所定の第１波長λ_１（例えば、波長０．６５μｍ）を有する第１光束Ｌ１を発する光源２１と、前記第１波長λ_１とは異なる所定の第２波長λ_２（例えば、波長０．７８μｍ）を有する第２光束Ｌ２を発する光源２２とを備えている。この光源２１および光源２２は光結合器２３に接続されている。光結合器２３は、第１光束Ｌ１と第２光束Ｌ２を光学的に結合することにより結合光束Ｌ３を生成して、光ファイバ２４（例えば、コア径１０μｍ、クッラド径１２５μｍ）の一端に向けて出射している。光ファイバ２４は、光信号を伝送するコア部と、このコア部を覆うクラッド部から構成されており、その他端側に圧力検出部３０を備えている。

圧力検出部３０は、保持筒３１、ダイアフラム３２、反射板３３および球レンズ３４により構成されている。保持筒３１は中空円筒状に形成されており、その一端に光ファイバ２４の他端側が挿入されて固着されている。ダイアフラム３２は薄板かつ円形状に形成され、保持筒３１の他端面に液密的かつ気密的に固着されており、外側の面にて受ける圧力の変化によって変形する。反射板３３は、入射光を反射するもので円形に構成されており、その中心を保持筒３１の中心軸に一致させるとともに光ファイバ２４の他端面に対向させてダイアフラム３２に固着されている。球レンズ３４は光ファイバ２４の他端面とダイアフラム３２との間にて、保持筒３１の内周面に固着されていて、第１および第２光束Ｌ１，Ｌ２を反射板３３に集光する。厳密には、この球レンズ３４は色収差により第１および第２光束Ｌ１，Ｌ２を、それらの若干異なる焦点位置に集光させるもので、球レンズ３４の中心と反射板３３との相対距離は、第１および第２波長λ_１，λ_２を有する第１および第２光束Ｌ１，Ｌ２による球レンズ３４の各焦点距離にほぼ等しく設定されている。

光ファイバ２４の一端には、前記光結合器２３の他に、光分波器４１も接続されている。光分波器４１は、圧力検出部３０から反射された結合光束Ｌ３を受光して第１波長λ_１を有する第１光束Ｌ１に対応する第４光束Ｌ４および第２波長λ_２を有する第２光束Ｌ２に対応する第５光束Ｌ５に分波して、受光器４２および受光器４３にそれぞれ供給する。受光器４２および受光器４３は、それぞれ受光した第４および第５光束Ｌ４，Ｌ５の光量ＭＬ１，ＭＬ２を電気信号に変換してコンピュータ装置４４に供給する。

コンピュータ装置４４は、ＣＰＵ，ＲＯＭ、ＲＡＭ，タイマなどから構成されており、図４のフローチャートにより示されたプログラムを実行してダイアフラム３２が受ける圧力を算出し、表示装置４５に表示させる。また、コンピュータ装置４４に内蔵されているＲＯＭには、第４および第５光束Ｌ４，Ｌ５の光量ＭＬ１，ＭＬ２または光量比からダイアフラム３２が受ける圧力を求めるための第１および第２換算テーブルが格納されている。

第１換算テーブルは、第４および第５光束Ｌ４，Ｌ５の光量ＭＬ１，ＭＬ２または光量比から前記相対距離を換算するための換算表であり、予め実験等によりその関係が示されたものである。具体的には、第１換算テーブルは、第１および第２受光器４２，４３による両検出受光量ＭＬ１，ＭＬ２の比と前記相対距離との関係を表す第１特性（図３の実線Ｘ）を規定する変換データと、第１および第２受光器４２，４３による両検出受光量ＭＬ１，ＭＬ２と前記相対距離との各関係を表す第２および第３特性（図３の実線Ｙ，Ｚ）をそれぞれ規定する変換データとからなる。また、第２換算テーブルは前記相対距離からダイアフラム３２が受ける圧力を換算するための換算表であり、これも予め実験等によりその関係が示されたものである。なお、前記相対距離と前記圧力はほぼ比例関係にある。

前記のように構成した実施形態の動作を説明する。まず、光源２１は第１波長λ_１を有する第１光束Ｌ１を光結合器２３に発する。また、光源２２は第２波長λ_２を有する第２光束Ｌ２を光結合器２３に発する。光結合器２３は、この第１光束Ｌ１と第２光束Ｌ２を光学的に結合した結合光束Ｌ３を光ファイバ２４の一端面に入射させる。光ファイバ２４の一端面に入射した結合光束Ｌ３は、光ファイバ２４のコア部を通り光ファイバ２４の他端面から放射される。放射された結合光束Ｌ３は、球レンズ３４により集光され反射板３３に投射される。この場合、反射板３３はダイアフラム３２が受ける圧力に応じて変位しているため、この反射板３３と光ファイバ２４の他端面との相対距離も、その変位量に応じた距離となっている。そして、反射板３３に投射された結合光束Ｌ３は、反射板３３により反射されることになるが、その反射光量は、前記相対距離に応じた光量となる。

反射板３３から反射した前記光量の結合光束Ｌ３は、球レンズ３４を介して再び光ファイバ２４の他端面に入射する。光ファイバ２４に入射した結合光束Ｌ３は、前記の経路とは逆方向に導かれて光分波器４１に入射する。光分波器４１に入射した結合光束Ｌ３は、第１波長λ_１を有する第１光束Ｌ１に対応する第４光束Ｌ４および第２波長λ_２を有する第２光束Ｌ２に対応する第５光束Ｌ５に分波された後、それぞれに対応する受光器４２および受光器４３に入射される。この場合、その光量には相対距離との関係で図２に示すような光量差が生じている。これは、光の波長が異なることによって、レンズによる焦点距離が異なる、いわゆる色収差（軸上色収差）が生じることに起因している。この色収差の発生により、互いに波長の異なる第１光束Ｌ１および第２光束Ｌ２の焦点距離が異なる結果、その反射光の光量に差が生じ第４光束Ｌ４および第５光束Ｌ５として受光される光量ＭＬ１，ＭＬ２に差が生じることになる。

受光器４２，４３は、それぞれ受光した前記第４光束Ｌ４および第５光束Ｌ５をコンピュータ処理できる電気信号に変換した後、コンピュータ装置４４に供給する。コンピュータ装置４４は、図４のフローチャートに示されるプログラムを実行して、第４光束Ｌ４および第５光束Ｌ５の光量ＭＬ１，ＭＬ２からダイアフラム３２が受ける圧力を算出して表示装置４５によって表示させる。ここで、第４光束Ｌ４および第５光束Ｌ５の光量ＭＬ１，ＭＬ２からダイアフラム３２が受ける圧力を算出する原理を説明する。第４光束Ｌ４および第５光束Ｌ５の光量ＭＬ１，ＭＬ２には、図２に示すような光量差が生じることは既に述べた通りである。この関係において、第４光束Ｌ４と第５光束Ｌ５の光量比を計算すると図３の実線Ｘが示すようになる。また、前記光量比と相対距離との関係を示す図３の実線Ｘの範囲以外において、第４光束Ｌ４および第５光束Ｌ５の受光量ＭＬ１，ＭＬ２と相対距離との関係は図３の実線Ｙ，Ｚが示すようになる。

この図３から明らかなように、第４光束Ｌ４と第５光束Ｌ５の光量比が計算可能な範囲においては図３の実線Ｘから、光ファイバ２４と反射板３３との相対距離を一義的に定めることができる。また、同光量比が計算できない場合のうち第４光束Ｌ４または第５光束Ｌ５のどちらか一方が零である場合には、それぞれ第５光束Ｌ５または第４光束Ｌ４の受光量ＭＬ２，ＭＬ１（図３の実線Z，Ｙ）から一義的に同相対距離を求めることができる。なお、第４光束Ｌ４および第５光束Ｌ５がともに零である場合は計算不能であり相対距離を求めることはできない。この光ファイバ２４とダイアフラム３２との相対距離は、ダイアフラム３２が受ける圧力に対応して定まる距離であり両者には一定の比例関係が成り立つことから、ある相対距離が定まると、この値からダイアフラム３２が受ける圧力を一義的に求めることができる。

したがって、コンピュータ装置４４は、図３に示されるような光量ＭＬ１，ＭＬ２および光量比と相対距離との関係を第１換算テーブルとして、また、同相対距離とダイアフラム３２が受ける圧力との関係を第２換算テーブルとして、内臓されているROMなどの記憶装置に予め記憶させておき、受光器４２，４３から供給される第４光束Ｌ４および第５光束Ｌ５の光量ＭＬ１，ＭＬ２の値から同第１換算テーブルを参照することによって相対距離を求め、同相対距離から第２換算テーブルを参照することによってダイアフラム３２が受ける圧力を求めている。

このような原理に基づいたコンピュータ装置４４の具体的な動作を説明すると、受光器４４，４５から第４および第５光束の受光量ＭＬ１，ＭＬ２に係る電気信号の供給を受けたコンピュータ装置４４は、図４のステップＳ１０にてプログラムの実行を開始し、ステップＳ１２により第４光束Ｌ４の受光量ＭＬ１が零か否かを判定する。「Ｙｅｓ」と判定されればステップＳ１６の判定に進み、「Ｎｏ」と判定されればステップＳ１４の判定に進む。ステップＳ１４では、第５光束Ｌ５の受光量ＭＬ２が零か否かを判定し、「Ｙｅｓ」と判定されればステップＳ２０の処理に進み、「Ｎｏ」と判定されればステップＳ１８の処理に進む。また、ステップＳ１６ではステップＳ１４と同様に第５光束Ｌ５の受光量ＭＬ２が零か否かを判定し、「Ｙｅｓ」と判定されればステップＳ２４の処理に進み、「Ｎｏ」と判定されればステップＳ２２の処理に進む。

これらのステップＳ１２，Ｓ１４，Ｓ１６の判定処理は光ファイバ２４とダイアフラム３２との相対距離を、受光量ＭＬ１，受光量ＭＬ２，光量比のいずれを利用して求めるのかを判定している。すなわち、ステップＳ１２およびステップＳ１４にて、ともに「Ｎｏ」と判定されれば受光量ＭＬ１，ＭＬ２はともに零でないため、ステップＳ１８にて受光量ＭＬ１とＭＬ２の比を計算する。そして、この光量比から第１換算テーブル（図３の実線Ｘ）を参照することによって相対距離を求める。また、受光量ＭＬ２のみ零である場合には、受光量ＭＬ１の値から第１換算テーブル（図３の実線Ｙ）を参照することによって相対距離を求める。また、受光量ＭＬ１のみ零である場合には、受光量ＭＬ２の値から第１換算テーブル（図３の実線Ｚ）を参照することによって相対距離を求める。なお、ステップＳ１２およびステップＳ１６にて、ともに「Ｙｅｓ」と判定されれば受光量ＭＬ１，ＭＬ２はともに零であるから、計算不能としてステップＳ２４にて処理されてステップＳ２８にて終了する。このようにして受光量ＭＬ１，ＭＬ２または光量比から求めた相対距離に基づいて、ステップＳ２６にて第２換算テーブルを参照することによってダイアフラム３２が受ける圧力を求めて、ステップＳ２８にて終了する。

前記作動説明からも理解できるように、前記実施形態によれば、光源２１，２２からそれぞれ発せられた第１および第２光束Ｌ１，Ｌ２を圧力検出部３０に導く光ファイバと圧力検出部３０からの反射光を光分波器４１に導く光ファイバとを、兼用する一本の光ファイバ２４により構成したことにより物理量検出装置の小型化を図ることができる。また、受光器４２，４３で受光される第４光束Ｌ４の受光量ＭＬ１および第５光束Ｌ５の受光量ＭＬ２から光量比を計算して光ファイバ２４とダイアフラム３２との相対距離の関係を求めるようにしているため、同相対距離を一義的に求めることができる。

また、前記実施形態によれば、第１および第２光束Ｌ１，Ｌ２を反射板３３に集光する球レンズ３４を設けたことによって、より多くの反射光を得ることが可能となり、ダイアフラム３２が受ける圧力を高精度に検出することができる。また、この球レンズ３４を用いるにあたってレンズの色収差に着目して、第１光束Ｌ１および第２光束Ｌ２のそれぞれの焦点距離を異なるようにしたため、第４および第５光束Ｌ４，Ｌ５の光量差がより顕著に現れるようになり、さらに、高精度な圧力検出を可能としている。

さらに、本発明にあたっては、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

前記実施形態においては、光源２１から発せられる第１光束Ｌ１の波長λ_１を０．６５μｍとし、光源２２から発せられる第２光束Ｌ２の波長λ_２を０．７８μｍとしたが、これに限定されるものではなく、色収差の効果が利用できる範囲で波長の異なる光束であればよい。

また、前記実施形態においては、圧力検出部３０内に用いるレンズとして球レンズ３１を使用したが、これに限定されるものではなく、反射板３３に対して光束を集光させるものであればよい。

また、前記実施形態においては、コンピュータ装置４４が相対距離からダイアフラム３２が受ける圧力を求める際に第２変換テーブルを採用していたが、これに限定されるものではなく、この相対距離とダイアフラム３２が受ける圧力との間は一定の比例関係にあることから、求められた相対距離から計算によって直接、ダイアフラム３２が受ける圧力を算出するようにしてもよい。

また、前記実施形態においては、検出する物理量として気体、液体等の圧力を採用したが、この被検出物理量も圧力に限定されるものではなく、検出される物理量の変化に応じて反射板３３を変位させる物理量であればよく、例えば、温度の検出であってもよい。この場合、本実施形態において採用したダイアフラム３２をバイメタルに変更して適用すればよい。

本発明の一実施形態に係る物理量検出装置の全体を概略的に示した図である。 受光量と、光ファイバとダイアフラムとの相対距離の関係を示した図である。 光量比と、光ファイバとダイアフラムとの相対距離の関係を示した図である。 図１のコンピュータ装置によって実行されるプログラムを表すフローチャートである。 従来例における、物理量検出装置の全体を概略的に示した図である。 従来例における、光量比と、光ファイバとダイアフラムとの相対距離の関係を示した図である。

符号の説明

２１，２２…光源、２３…光結合器、２４…光ファイバ、３０…圧力検出部、３１…保持筒、３２…ダイアフラム、３３…反射板、３４…球レンズ、４１…光分波器、４２，４３…受光器、４４…コンピュータ装置

Claims (5)

1. 第１の波長を有する第１光束および前記第１の波長とは異なる第２の波長を有する第２光束を発する光源部と、
   反射板が設けられていて外部からの物理量の変化に応じて変形する検出部と、
   一端にて前記第１および第２光束を入射するとともに他端から出射して前記反射板に導き、前記反射板による反射光を前記他端にて入射して前記反射光を前記一端から出射する光ファイバと、
   前記光ファイバの一端から出射する反射光のうちで前記第１の波長を有する光束を受光する第１受光器と、
   前記光ファイバの一端から出射する反射光のうちで前記第２の波長を有する光束を受光する第２受光器と、
   を備えたことを特徴とする物理量検出装置。
2. 請求項１に記載した物理量検出装置において、
   前記光ファイバの他端と前記反射板との間に設けられて、前記光ファイバの他端から出射された第１および第２光束を前記反射板に集光する第１の光学手段を設けたことを特徴とする物理量検出装置。
3. 前記第１の光学手段は、前記第１および第２の波長に対してそれぞれ異なる焦点距離を有する請求項２に記載した物理量検出装置。
4. 前記第１の光学手段を球レンズで構成した請求項３に記載した物理量検出装置。
5. 請求項１ないし請求項４のうちのいずれか一つに記載した物理量検出装置において、
   前記光源部からの前記第１および第２光束を結合して、前記光ファイバの一端に入射させる第２の光学手段を設けたことを特徴とする物理量検出装置。
   

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