JP2007303975A - 光学式センサ - Google Patents

Abstract

【課題】光学式センサの検出部における裸ファイバ部の屈曲をなくすことにより、小型化を可能とし、機械的な信頼性を向上させ、かつ、光源の発光波長スペクトルの変化による検出精度の劣化を抑制し、高精度の検出が行えるようにする。
【解決手段】光源１から出射された光を出射端面より出射して被検出物２に照射する第１の光ファイバ４と、被検出物２により反射された反射光が入射端面より入射される第２及び第３の光ファイバ５，６とを有する。第１の光ファイバ４の出射端面は、第２及び第３の光ファイバ５，６が配設された方向の反対側に向いた傾斜面となっており、出射光は、出射端面において屈折され、第２及び第３の光ファイバ５，６が配設された方向に出射される。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力や温度等によって変位（位置変動）する被検出物によって反射された反射光を検出することによって圧力や温度等を検出する光学式センサに関する。

従来、温度や圧力等の物理量を検出するセンサとして、電気式センサが提案されている。この電気式センサにおいては、検出信号（電気信号）を電線を通じて遠隔地に伝送する場合には、電磁雑音の影響を受け易く、これが検出誤差の要因になるという問題を有している。

これに対し、光学式センサにおいては、検出信号を光信号に変換して光ファイバを通じて遠隔地に伝送することができるため、電磁雑音の影響を受けることなく信号伝送することが可能である。そのため、光学式センサは、検出誤差の少ない極めて高精度の検出が可能となるという利点を有している。

このような光学式センサとしては、圧力によって歪む機構を有するブルドン管などの起歪体を用いて圧力変化を歪み変化に変換し、この歪みをファイバグレーティング（ＦＢＧ）によって検知するようにしたものが提案されている。

また、圧力や温度等によって変位（位置変動）する被検出物によって反射された反射光を検出することによって、圧力や温度等を検出するようにした光学式センサも提案されている。すなわち、光ファイバ端面に対向させて圧力によって変位する反射板（ダイアフラムなど）を配置し、光ファイバ端面からの出射光の反射板による反射光を検出することにより、反射板の変位量を検出し、その変位量から圧力を検出するようにした光学式センサが提案されている。

反射板の変位量を検出する光学式センサとして、特許文献１には、複数の反射光による干渉状態や、ビート周波数を検出するようにしたものが記載されている。また、特許文献２には、反射板に振動子を固定し、この振動子の共振周波数を検出するようにした光学式センサが記載されている。しかしながら、これらのような光学式センサにおいては、信号処理が困難であり、複雑な演算処理が必要となるという問題があった。

これに対し、シンプルな構造で反射板の変位量の検出を可能とした光学式センサとして、反射板からの反射光の強度変化を検出するようにした光学式センサがある。この光学式センサにおいては、検出機構を安価な材料や部品で構成することが可能であり、検出した後の信号処理も極めてに容易に行うことができる。その一方で、反射光の光強度を検出していることから、反射板の変位以外の要因、例えば、伝送損失などによる強度変化が検出誤差の要因となり、検出値に誤差が重畳されるという問題がある。しかし、伝送損失変化を極めて小さくするか、または、複数の反射光強度の比をとって補償することにより、検出精度を高めることが可能である。

例えば、特許文献３には、コア径、コア部屈折率分布、開口数（ＮＡ）などのいずれかのパラメータが異なる第１及び第２の２種類の光ファイバを並列させて固定し、これら光ファイバの端面を反射板に対向させ、光ファイバの光軸方向と反射面の法線とが平行になるように設置した光学式センサが記載されている。

この光学式センサにおいては、第１の光ファイバの端面から出射され反射板で反射された反射光を第２の光ファイバによって受光し、かつ、第２の光ファイバの端面からから出射され反射板で反射された光を第１の光ファイバによって受光することができる。各光ファイバによって受光された反射光を光分岐器によって分岐し、光電変換器により電気信号に変換すれば、この電気信号は、反射光の強度を示す信号となっている。これら電気信号の比をとることにより、伝送損失の影響を補償することが可能となる。また、この光学式センサにおいては、それぞれの光ファイバから出射され反射板で反射されて同一の光ファイバに戻った光も検出するようにしてもよい。さらに、出射用の光ファイバ２本と受光用の光ファイバ２本の計４本の光ファイバを用いて、光分岐器を使用せずに、各光ファイバから出射された光の反射光の強度比をとることができるように構成することもできる。

また、特許文献４及び特許文献５には、被検出物を液面とするとともに、発光ダイオード光源との結合が容易で、かつ、コア径が大きいために光強度を大きくとることができるマルチモードファイバを複数本用いて、液面の変位を検出するようにした光学式センサが記載されている。複数本の光ファイバは、液面の法線に対して角度Φ（０°≦Φ≦５°）をなして固定される。

さらに、特許文献５、特許文献６及び特許文献７には、出射用光ファイバ及び受光用光ファイバの端面近傍を互いの方向に向けて斜めに角度を付けて配設することにより、受光用光ファイバヘの反射光量を大きくし、高感度化を図った光学式センサが記載されている。

この光学式センサは、図５に示すように、第１の光ファイバ１０１の端面から相対距離だけ隔てて配置された被検出物１０２の反射面１０３に、この第１の光ファイバ１０１から出射光を照射し、この出射光の反射光を第２及び第３の光ファイバ１０４，１０５により受光して、被検出物１０２の変位量を算出する光学式センサであり、第１の光ファイバ１０１の端面近傍は、被検出物１０２の反射面１０３の法線に対して光軸が所定の角度θをなすように配置されている。また、第２及び第３の光ファイバ１０４，１０５の端面近傍は、互いに平行となされて配置され、かつ、被検出物１０２の反射面１０３の法線に対して光軸が所定の角度−θをなすように配置されている。すなわち、これら第１の光ファイバ１０１と、第２及び第３の光ファイバ１０４，１０５とは、被検出物１０２の反射面１０３の法線を介して、互いに対向する方向に傾斜されて配置されている。

特許第３３０４６９６号公報（第１５頁、第２図） 特開２００３−２１４９６６公報（第４頁、第１−４図） 特公平６−８７２４号公報（第３−４頁、第１−２図） 米国特許第４９９６４１８号明細書（第１図、第１５図、第１６図） 米国特許第５０６８５２７号明細書（第１図） 特開昭６１−２７５６３２号公報 特開昭６３−１６９５２１号公報

ところで、特許文献３に記載された光学式センサにおいては、光ファイバの光軸方向と反射面の法線とが平行になっているため、光ファイバと反射板との間の距離変化に対する反射光の強度変化量（検出感度）を変更する場合には、パラメータが異なる特殊な光ファイバを作製する必要がある。そのため、この光学式センサにおいては、検出感度を適切に設定することが困難である。

また、光ファイバの端面が光軸方向に対して直角となっているため、端面と空気層との境界でフレネル反射が発生し、出射光の強度損失の増加や、受光強度の変動が生じ、検出精度が悪化する虞れがある。さらに、光ファイバの端面と反射板との間で多重反射が発生し易く、この多重反射によって検出精度が悪化する虞れがある。

そして、特許文献４及び特許文献５に記載された光学式センサのように、マルチモードファイバを使用することは、光強度を大きくとれるという点で有用であるが、マルチモードファイバは曲げに弱いという問題がある。すなわち、マルチモードファイバを使用した場合には、ファイバの曲げによりモードの伝搬状態が変化するため、開口数が変化し易く、かつ、損失も変化するという問題がある。

また、光源として発光ダイオード（ＬＥＤ：light-emitting diode）を使用することは、製造コストの低廉化及び偏波依存性の観点からは有利であるが、発光ダイオードは温度変化によって発光強度スペクトルが変化する温度依存性をもっており、温度が上昇すると発光強度が減衰するとともに、発光ピーク波長が長波側にシフトするという問題がある。したがって、光源として発光ダイオードを使用した場合には、波長依存性を有する光カップラや光フィルタを使用すると、検出値が変動してしまい、検出誤差が大きくなってしまう。

さらに、光源として発光ダイオードを使用した場合において、開口数の波長依存性が大きい光ファイバを使用すると、発光ダイオードの発光波長変動によって光ファイバの開口数が大きく変化してしまい、出射光のビーム形状や光量が変化し、反射面による結合効率が変化してしまう。このような結合効率の変動は補償することができないため、そのまま検出精度の悪化につながってしまう。なお、光通信などデジタルで使用する場合においては、光ファイバの曲げ損失の影響は小さいが、この光学式センサにおけるようにアナログ伝送に利用する場合には、曲げによる損失の影響は極めて大きく、検出精度が悪化が招来されてしまう。

そして、特許文献５、特許文献６及び特許文献７に記載された光学式センサにおいては、光ファイバ同士の間に角度をつけるために、光ファイバを保持するセンシングヘッド内において、光ファイバの端面近傍を急激に曲げる必要があり、光ファイバが破断する虞れがある。すなわち、この光学式センサにおいては、第１の光ファイバの光軸方向と第２及び第３の光ファイバの光軸方向とが所定角度２θをなして各光ファイバが配置されることから、センシングヘッドを小型化するためには、各光ファイバに屈曲部をもたせる必要がある。特に、図６に示すように、第１乃至第３の光ファイバ１０１，１０４，１０５を同一平面上に配置するためにＶ溝を有する基板１０６を用いた場合には、裸ファイバ部１０７に屈曲が発生するため、光ファイバが機械的に劣化しやすく、信頼性に不安がある。

また、この光学式センサにおいて、裸ファイバ部を保護することを目的として樹脂を充填した場合には、温度変化によって樹脂が収縮、膨張するため、屈曲させた裸ファイバに応力が加わり、伝搬する光に損失が生じたり、出射される光の強度分布に歪みが生じ、検出精度が悪化してしまうという問題がある。

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、光学式センサの検出部における裸ファイバ部の屈曲をなくすことにより、小型化が可能となされるとともに機械的な信頼性が向上され、かつ、光源の発光波長スペクトルの変化による検出精度の劣化が抑制されて、高精度の検出が行えるようになされた光学式センサを提供することを目的とする。

前述の課題を解決し、上記目的を達成するため、本発明に係る光学式センサは、以下のいずれか一の構成を有するものである。

〔構成１〕
本発明に係る光学式センサは、光源と、この光源から出射された光が一端側に入射されこの光を他端側に伝搬して他端側の端面よりこの光を出射して端面から相対距離だけ離間されて配置された被検出物に出射光を照射する第１の光ファイバと、端面を被検出物に向けるとともに少なくとも端面の近傍において第１の光ファイバに平行となされ第１の光ファイバに対して所定の距離を隔てて配設され被検出物により反射された出射光の反射光が端面より入射される第２の光ファイバと、端面を被検出物に向けるとともに少なくとも端面の近傍において第１の光ファイバに平行となされ第１の光ファイバに対して第２の光ファイバと同一の方向に第２の光ファイバよりも離間して配設され被検出物により反射された出射光の反射光が端面より入射される第３の光ファイバと、これら第２及び第３の光ファイバにより伝搬された反射光をそれぞれ受光して電気信号に変換して出力する第１及び第２の受光素子と、これら第１及び第２の受光素子から出力される電気信号の比率に基づいて被検出物の変位量を算出する演算処理手段とを備え、第１の光ファイバの端面は、光軸に対する傾斜面となっており、第２及び第３の光ファイバが配設された方向の反対側に向けた傾斜面となされていることを特徴とするものである。

〔構成２〕
本発明は、構成１を有する光学式センサにおいて、第１乃至第３の光ファイバの端面が無反射コーティングがなされていることを特徴とするものである。

〔構成３〕
本発明は、構成１、または、構成２を有する光学式センサにおいて、第２及び第３の光ファイバの端面は、光軸に対する傾斜面となっており、第１の光ファイバが配設された方向の反対側に向けた傾斜面となされていることを特徴とするものである。

本発明に係る光学式センサにおいては、構成１を有することにより、第１の光ファイバの端面が光軸に対する傾斜面となっており、第２及び第３の光ファイバが配設された方向の反対側に向けた傾斜面となされているので、各光ファイバの端面近傍を全て平行に配設しても、第１の光ファイバの端面からの出射光は、この端面において、第２及び第３の光ファイバが配設された方向に屈折して出射される。したがって、この光学式センサにおいては、第２及び第３の光ファイバヘの反射光の入射効率を向上させることができる。

そして、この光学式センサにおいては、各光ファイバの端面近傍が全て平行に配設されることから、検出部を小型化することができ、また、光ファイバに屈曲部を必要としないので、機械的な信頼性を向上させることができる。これら光ファイバを保護するために樹脂を充填した場合において、温度変化によって樹脂が収縮、膨張しても、光ファイバに応力が加わらず、伝搬する光に損失が生じたり出射される光の強度分布に歪みが生ずることがなく、検出精度を高精度に維持することができる。

さらに、この光学式センサにおいては、各光ファイバの端面近傍が全て平行に配設されることから、光ファイバに屈曲部を必要としないので、光源の発光波長スペクトルの変化による検出精度の劣化が抑制され、高精度の検出が行える
また、本発明に係る光学式センサにおいては、構成２を有することにより、第１乃至第３の光ファイバの端面が無反射コーティングがなされているので、各光ファイバの端面における損失を低下させることができる。

さらに、本発明に係る光学式センサにおいては、構成３を有することにより、第２及び第３の光ファイバの端面が光軸に対する傾斜面となっており、第１の光ファイバが配設された方向の反対側に向けた傾斜面となされているので、各光ファイバの端面近傍を全て平行に配設しても、第２及び第３の光ファイバに入射する光は、これら光ファイバの端面において屈折して入射され、第２及び第３の光ファイバヘの反射光の入射効率を向上させることができる。

すなわち、本発明は、光学式センサの検出部における裸ファイバ部の屈曲をなくすことにより、小型化が可能となされるとともに機械的な信頼性が向上され、かつ、光源の発光波長スペクトルの変化による検出精度の劣化が抑制されて、高精度の検出が行えるようになされた光学式センサを提供することができるものである。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る光学式センサの構成を示すブロック図である。

本発明に係る光学式センサは、図１に示すように、検出光を発する光源となるＬＥＤ（発光ダイオード）１を有している。このＬＥＤ１は、例えば、１．３μｍ帯で発光するものである。このＬＥＤ１が発する検出光は、第１の光ファイバ４の一端面より入射され、この第１の光ファイバ４内を伝搬して、他端面（出射端面）より出射される。この第１の光ファイバ４は、出射ポートとして機能する。この出射光は、被検出物となる反射板（ダイヤフラム）２の反射面３に照射される。

反射板２は、第１の光ファイバ４の出射端面との相対距離Ｄが、圧力や温度などの物理量に応じて変化するように配設されている。

第１の光ファイバ４より出射され反射板２の反射面３に照射された検出光は、この反射面３によって反射されて、第２及び第３の光ファイバ５，６の端面（入射端面）に入射する。これら第２及び第３の光ファイバ５，６は、通信用として一般的に使用されているシングルモード光ファイバである。これら第２及び第３の光ファイバ５，６は、反射ポートとして機能し、入射された反射光を第１及び第２の受光素子となる第１及び第２のＰＤ（フォトダイオード）７，８にそれぞれ伝送する。

そして、第１及び第２のＰＤ７，８からの電気信号は、それぞれを増幅する増幅器９，９を介して、演算処理回路１０に送られる。この演算処理回路１０は、増幅器９，９により増幅された電気信号の比をとり、各光ファイバ５，６の入射端面と反射面３との間の相対距離を算出し、反射板２の変位量を算出する。

この光学式センサにおいては、第１、第２及び第３の光ファイバ４，５，６の端面近傍と、これらに対向配置された反射板２とは、検出部１１を構成しており、互いの間の相対位置関係が、一体的に構成された保持部材によって維持されている。この検出部１１において、第１、第２及び第３の光ファイバ４，５，６は、互いに光軸方向を平行として配設されている。したがって、この検出部１１は、小型化することが容易であり、また、光ファイバ４，５，６に屈曲部を必要としないので、機械的な信頼性を向上させることができる。

また、この検出部１１においては、各光ファイバ４，５，６を保護するために樹脂を充填した場合において、温度変化によって樹脂が収縮、膨張しても、光ファイバ４，５，６に応力が加わらず、伝搬する光に損失が生じたり出射される光の強度分布に歪みが生ずることがなく、検出精度を高精度に維持することができる。

さらに、この光学式センサにおいては、検出部１１において各光ファイバ４，５，６が全て平行に配設されることから、光ファイバ４，５，６に屈曲部を必要としないので、光源（ＬＥＤ１）の発光波長スペクトルの変化による検出精度の劣化が抑制され、高精度の検出が行える
図２は、検出部１１の構成を示す側面図である。

この光学式センサにおいては、図２に示すように、第１の光ファイバ４の出射端面は、光軸に対する傾斜面となっており、第２及び第３の光ファイバ５，６が配設された方向の反対側に向けて、図２中θで示す所定角度だけ傾斜した傾斜面となされている。

第１の光ファイバ４の出射端面がこのような傾斜面となっていることにより、この第１の光ファイバ４の出射端面から出射される検出光は、この出射端面において屈折され、反射板２の反射面３により反射されたときに、第２及び第３の光ファイバ５，６に良好に結合する。

反射面３への入射角度をθ_２とすると、この入射角度をθ_２は、以下のように示すことができる。

θ_２＝sin^−１（ｎ_１／ｎ_２×sinθ）−θ
ここで、ｎ_１は、第１の光ファイバ４のコアの屈折率であり、ｎ_２は、外部媒質（例えば、空気）の屈折率である。

図３は、各光ファイバ５，６の入射端面と反射面３との間の相対距離Ｄの変化に対する光強度及び強度比の変化特性を示すグラフである。

この光学式センサにおいては、図３に示すように、第２及び第３の光ファイバ５，６の入射端面と反射板２の反射面３との間の相対距離Ｄの変化により、第１及び第２のＰＤ７，８において検出される光強度（Ｐ１，Ｐ２）及びこれらの強度比Ｆ（Ｐ１，Ｐ２）が変化する。図３において、横軸は相対距離Ｄを示し、左側の縦軸は光強度、右側の縦軸は強度比を示している。

ここで、強度比Ｆ（Ｐ１，Ｐ２）は、以下の式により算出している。

Ｆ（Ｐ１，Ｐ２）＝（Ｐ２−Ｐ１）／（Ｐ１＋Ｐ２）
この光学式センサにおいては、強度比Ｆ（Ｐ１，Ｐ２）は、ほぼ線形のスロープ形状を有する曲線となっている。反射板２の変位量の検出を行う場合には、このスロープ形状を曲線を使用することができる。この場合、より線形であるほうが、距離変化を物理量に変換する補正関数がシンプルとなり、演算処理が容易であり、誤差が小さいという利点がある。

一方、検出感度については、スロープの傾き〔Δ＝ｄＦ（Ｐ１、Ｐ２）／ｄＤ〕で表され、この傾きが大きいほど検出感度が高くなる。

図４は、第１の光ファイバの出射端面の傾斜角度θを変えた場合における相対距離Ｄの変化に対する強度比の変化特性を示すグラフである。

この光学式センサにおいて、第１の光ファイバ４の出射端面の傾斜角度θを変化させると、図４に示すように、強度比Ｆ（Ｐ１，Ｐ２）を示すスロープの傾きが変化する。すなわち、第１の光ファイバ４の出射端面の傾斜角度θを大きくすることにより、強度比Ｆ（Ｐ１，Ｐ２）を示すスロープの傾きが大きくなり、検出感度を高くすることができる。

なお、図４に示す特性は、第１の光ファイバ４と第２の光ファイバ５との中心軸間距離ｄ１及び第２の光ファイバ５と第３の光ファイバ６との中心軸間距離ｄ２をいずれも１２７μｍとした場合のものである。

なお、第１乃至第３の光ファイバ４，５，６の端面は、反射板２の反射面３との間の多重反射による検出精度の悪化を防ぐために、無反射コーティングを施しておくことが望ましい。

さらに、第２の及第３の光ファイバ５，６の入射端面を、光軸に対する傾斜面とし、第１の光ファイバ４が配設された方向の反対側に向けた傾斜面とすることも、検出感度を向上させるうえで効果的である。この場合には、第２及び第３の光ファイバ５，６に入射する反射光が、これら光ファイバの入射端面において屈折して入射され、第２及び第３の光ファイバ５，６ヘの反射光の入射効率を向上させることができる。

本発明の実施の形態に係る光学式センサの構成を示すブロック図である。 前記光学式センサにおける検出部の構成を示す側面図である。 前記光学式センサにおける第２及び第３の光ファイバの入射端面と反射面との間の相対距離の変化に対する光強度及び強度比の変化特性を示すグラフである。 前記光学式センサにおいて第１の光ファイバの出射端面の傾斜角度を変えた場合における相対距離の変化に対する強度比の変化特性を示すグラフである。 従来の光学式センサの検出部の要部の構成を示す側面図である。 従来の光学式センサの検出部の構成を示す側面図である。

符号の説明

１ ＬＥＤ
２ 反射板
３ 反射面
４ 第１の光ファイバ
５ 第２の光ファイバ
６ 第３の光ファイバ
７ 第１のＰＤ
８ 第２のＰＤ
９ 増幅器
１０ 演算処理回路
１１ 検出部

Claims (3)

1. 光源と、
   前記光源から出射された光が一端側に入射され、この光を他端側に伝搬して他端側の端面よりこの光を出射して、該端面から相対距離だけ離間されて配置された被検出物に出射光を照射する第１の光ファイバと、
   端面を前記被検出物に向けるとともに、少なくとも端面の近傍において前記第１の光ファイバに平行となされ該第１の光ファイバに対して所定の距離を隔てて配設され、前記被検出物により反射された前記出射光の反射光が端面より入射される第２の光ファイバと、
   端面を前記被検出物に向けるとともに、少なくとも端面の近傍において前記第１の光ファイバに平行となされ該第１の光ファイバに対して前記第２の光ファイバと同一の方向に該第２の光ファイバよりも離間して配設され、前記被検出物により反射された前記出射光の反射光が端面より入射される第３の光ファイバと、
   前記第２及び第３の光ファイバにより伝搬された反射光をそれぞれ受光して電気信号に変換して出力する第１及び第２の受光素子と、
   前記第１及び第２の受光素子から出力される電気信号の比率に基づいて、前記被検出物の変位量を算出する演算処理手段と
   を備え、
   前記第１の光ファイバの端面は、光軸に対する傾斜面となっており、前記第２及び第３の光ファイバが配設された方向の反対側に向けた傾斜面となされている
   ことを特徴とする光学式センサ。
2. 前記第１乃至第３の光ファイバの端面は、無反射コーティングがなされている
   ことを特徴とする請求項１記載の光学式センサ。
3. 前記第２及び第３の光ファイバの端面は、光軸に対する傾斜面となっており、前記第１の光ファイバが配設された方向の反対側に向けた傾斜面となされている
   ことを特徴とする請求項１、または、請求項２記載の光学式センサ。

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