JP2018508761A - 温度センサ - Google Patents

Abstract

所定の温度までの温度変化を検知する温度センサ及び温度検知システムが開示される。温度センサは、微細構造光ファイバに沿って延びる複数の長手方向チャネルを含む微細構造光ファイバを備える。また、温度センサは、微細構造光ファイバのコア領域に沿って屈折率の周期的な変調を生じさせることにより微細構造光ファイバ内に形成されたファイバブラッグ格子も備える。ファイバブラッグ格子は、光ファイバのコア領域における温度変化に従って変動する反射波長にてバンド反射を生じさせるように動作可能である。

Description

参照による援用
本明細書においては、２００６年１０月１２日に出願され、本出願人に譲渡された同時係属特許出願である米国特許出願第１２／０９０，０１１号「METHOD AND DEVICE FOR FORMING A MICROSTRUCTURE FIBER」（微細構造ファイバを形成する方法と装置）を参照し、そのすべての内容を援用する。

本発明は、温度センサに関する。特定の一形態において、本発明は、光ファイバベースの温度センサに関する。

多くの工業プロセスにおいては、関連する最終製品を生産するとともに、排出基準等の制約を満たすために、温度の精密な制御が重要な基準である。この目的のために、多様な異なる物理的プロセスに依拠した多くの光ファイバベースの温度センサが開発されている。

これらファイバベースの温度センサの１つのカテゴリとして、ファイバに沿った単一点又は位置で温度を測定又は検知するものがある。この種の温度センサの一例は、関連づけてドープされた（relevantly doped）ファイバの２つの離隔エネルギーレベルの強度の蛍光強度比（ＦＩＲ，fluorescence intensity ratio）の温度依存性に依拠して温度を測定するファイバベースのセンサである。他の単一点ファイバベースセンサとしては、干渉計の位置で屈折率を局所的に決定するファブリ−ペロー干渉計（Fabry-Perot interferometer）及び多モード干渉計（multi-mode interferometer）等、干渉測定に基づくものが挙げられる。ファイバ材料の温度によって屈折率が知られているように変動するので、干渉計の位置における温度が決定可能である。

ファイバベースの温度センサの別のカテゴリとして、多点又は多重化されたものがある。これらのセンサによれば、ファイバに沿った多くの離散位置で温度を測定することができる。これらは通例、格子に基づくものであり、長周期格子、キラル格子、又はファイバブラッグ格子（ＦＢＧ，fiber Bragg grating）及びファイバに沿った位置での温度に応じた屈折率変動の結果としての当該位置における個々の格子領域の透過又は反射バンドの移動等、格子と関連付けられた温度依存効果に依拠している。個々の格子領域のバンド反射を十分に分離することによって、ファイバに沿った位置に対応する個々の格子領域の温度を決定することができる。これは、波長分割多重(wavelength division multiplexing)として知られている。

ＦＢＧの場合、これらは、光ファイバのコアに沿って屈折率の周期的な変調を生じさせることにより形成される。波長は、ガラスの屈折率の温度応答性により、温度の影響を受け、その結果、特定の設計波長にて狭バンド反射が生じる。そして、波長分割多重（多点）検知[wavelength division multiplexed(multi-point) sensing]は、ファイバに沿って異なるピッチで複数の格子を形成し、センサ素子ごとに一意の反射波長をもたらすことにより達成することができる。

ＦＢＧの多点検知能力(multi-point sensing capability)をその高精度且つ高精密な高速反射モード動作及び明確に規定された微少空間分解能(small spatial resolution)と併せることにより、多くの構造健全性モニタリング温度検知用途(structural health monitoring temperature sensing applications)に対して、この種のセンサが設計上の選択となる。残念ながら、ＦＢＧは、紫外（ＵＶ，ultra-violet）光を用いて感光性ファイバ内に作製されるので、高温で行われる屈折率修正のための熱アニーリングにより約５００℃の最高動作温度限界(a maximum operating temperature limit)に曝される。結果として、市販のＦＢＧベースの温度センサは一般的に、２５０℃以下に定格付けされ、多くの高温検知用途には不適となる。

従来のＦＢＧベースの温度センサを容易に採用できないいくつかの非限定的な例としては、鉄及び亜鉛処理等の精錬炉運転が挙げられる。亜鉛スラグから亜鉛を抽出するには、温度が通常１０００℃〜１１００℃の範囲であり、１２００℃を超える可能性もあるスラグ発煙炉において、亜鉛スラグを蒸発させる。とりわけ、この高腐食且つ高温環境において、標準的な熱電対ベースの熱測定装置は、数分と持ちこたえられない。また、電気センサによっても、多重検知をもたらし得ない。これらの炉運転が高度にエネルギー集約型であるので、温度の制御及びモニタリングに基づくプロセスの最適化によって、効率を大きく向上させることができる。

したがって、標準的なＦＢＧベースの温度センサの利点を有し、高い温度を測定可能な温度センサが求められている。

第１の態様においては、所定の温度までの温度変化を検知する温度センサであって、
微細構造光ファイバ(microstructured optical fiber)に沿って延びる複数の長手方向チャネル(longitudinal channels)を含む前記微細構造光ファイバと、
微細構造光ファイバのコア領域に沿って屈折率の周期的な変調を生じさせることにより微細構造光ファイバ内に形成されたファイバブラッグ格子(fiber Bragg grating)であって、光ファイバのコア領域における温度変化に従って変動する反射波長にてバンド反射を生じさせるように動作可能な、前記ファイバブラッグ格子と、
を備えた、温度センサが提供される。

別の形態において、微細構造光ファイバのコア領域に沿った屈折率の周期的な変調は、コア領域に沿うレーザアブレーション欠損(laser ablating defects)によって形成される。

別の形態において、微細構造光ファイバの構造は、前記微細構造光ファイバのコア領域に沿うレーザアブレーション欠損を容易に形成するように構成されている。

別の形態において、微細構造光ファイバの構造は、コア領域と微細構造ファイバの外側クラッド部との間に延びて、前記クラッド部のみを介したコア領域へのレーザアクセス(laser access)を提供する単一の長手方向チャネルを含む。

別の形態において、単一の長手方向チャネルの断面形状は、微細構造ファイバのコア領域に沿うレーザアブレーション欠損を形成するためのコア領域へのレーザの集束を支援するように構成されている。

別の形態において、単一の長手方向チャネルの断面形状は、アブレーション欠損形成のための実質的に平面状のコア領域を含む。

別の形態において、単一の長手方向チャネルの断面形状は、クラッド部に対して実質的に平面状の外面を含む。

別の形態において、単一の長手方向チャネルの断面形状は、クラッド部に対して実質的に平面状の内面を含む。

別の形態において、微細構造光ファイバの構造は、コア領域への直接レーザアクセスを提供する、コア領域に沿って延びる開放長手方向チャネルを含む。

別の形態において、微細構造光ファイバの構造は、前記微細構造光ファイバに沿った電磁放射のシングルモード誘導を容易にするように構成されている。

別の形態において、微細構造光ファイバに沿って延びる複数の長手方向チャネルの選択は、前記微細構造光ファイバに沿って電磁放射を伝搬するためのシングルモード条件(single mode condition)を満たす平均又は有効屈折率を有することにより、シングルモード誘導(single mode guidance)を容易にするように構成されている。

別の形態において、微細構造光ファイバは、シリカ材料で形成され、センサは、少なくとも１０００℃の所定温度用に構成されている。

別の形態において、微細構造光ファイバは、シリカ材料で形成され、センサは、少なくとも１３５０℃の所定温度用に構成されている。

別の形態において、微細構造光ファイバは、シリカ材料で形成され、センサは、少なくとも１５５０℃の所定温度用に構成されている。

別の形態において、微細構造光ファイバは、サファイア結晶で形成され、センサは、少なくとも１６００℃の所定温度用に構成されている。

別の形態において、微細構造光ファイバは、サファイア結晶で形成され、センサは、少なくとも２０００℃の所定温度用に構成されている。

第２の態様においては、微細構造光ファイバの第２のコア領域に沿って屈折率の周期的な変調を生じさせることにより前記微細構造光ファイバ内に形成された第２のファイバブラッグ格子を含み、第２のコア領域が第１のファイバブラッグ格子の第１のコア領域から離隔しており、第２のファイバブラッグ格子が、第１のファイバブラッグ格子の第１の反射波長と異なる第２の反射波長にてバンド反射(band reflection)を生じさせるように動作可能であり、第２の反射波長が光ファイバの第２のコア領域における温度変化に従って変動する、第１の態様に係る温度センサが提供される。

第３の態様においては、
電磁放射源と、
前記電磁放射源に結合された第１の態様に係る温度センサと、
前記温度センサに結合され、ファイバブラッグ格子が位置する前記温度センサのコア領域からのバンド反射の反射波長を検出する検出器と、
前記反射波長のシフトに基づいて、前記コア領域の温度を決定するデータプロセッサと、
を備えた、温度検知システムが提供される。

別の形態において、反射波長を検出する検出器は、温度センサのファイバブラッグ格子からの反射光信号(reflected optical signal)を検出する。

別の形態において、反射波長を検出する検出器は、温度センサのファイバブラッグ格子からの透過光信号(transmitted optical signal)を検出する。

別の形態において、電磁放射源及び反射波長を検出する検出器は、組み合わされている。

第４の態様においては、
電磁放射源と、
前記電磁放射源に結合された第２の態様に係る温度センサと、
前記温度センサに結合され、第１のファイバブラッグ格子が位置する第１のコア領域からのバンド反射の第１の反射波長と第２のファイバブラッグ格子が位置する第２のコア領域からのバンド反射の第２の反射波長とを検出する検出器と、
前記第１の反射波長及び前記第２の反射波長の各シフトに基づいて、前記温度センサの前記第１のコア領域及び前記第２のコア領域の両者の温度を決定するデータプロセッサと、
を備えた、多重温度検知システムが提供される。

別の形態において、電磁放射源並びに第１及び第２の反射波長を検出する検出器は、組み合わされている。

第５の態様においては、ある位置での温度を検知する方法であって、
コア領域が前記位置に位置するように、第３の態様の温度センサシステムを展開するステップと、
温度センサのバンド反射の反射波長のシフトを検出するステップと、
反射波長の前記シフトに基づいて、前記位置での温度を決定するステップと、
を含む、前記方法が提供される。

第６の態様においては、第１の位置及び第２の位置での温度を検知する方法であって、
第１のコア領域が前記第１の位置に位置し、第２のコア領域が前記第２の位置に位置するように、第４の態様の多重温度検知システムを展開するステップと、
温度センサの第１の反射波長及び第２の反射波長の各シフトを検出するステップと、
第１及び第２の反射波長の前記各シフトに基づいて、前記第１及び第２の位置での温度を決定するステップと、
を含む、前記方法が提供される。

以下、添付の図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
例示的な一実施形態に係る温度センサの模式上面図である。 図１に示す温度センサの模式端面図である。 図１及び図２に示す温度センサの端面図の画像である。 図１に示す温度センサのＦＢＧ領域の詳細斜視図であって、コア領域に形成されたアブレーション欠損を示した図である。 例示的な一実施形態に係る温度検知システムの模式ブロック図である。 図５に示す温度検知システムにより測定された波長の関数としての反射光パワースペクトルを示した図である。 図５に示す温度検知システムにより測定された温度の関数としての反射波長のシフトのグラフであって、データに対する２次フィッティングをさらに示した図である。 別の例示的な実施形態に係る温度センサの模式端面図である。 別の例示的な実施形態に係る温度センサの模式端面図である。 さらに別の例示的な実施形態に係る温度センサの模式端面図である。 別の例示的な実施形態に係る温度センサの模式端面図である。

ここで図１及び図２を参照すると、例示的な一実施形態に係る温度センサ１００の模式上面図及び側断面図が示されている。この実施形態において、温度センサ１００は、少なくとも１３５０℃までの温度を検知するように構成されるとともに、シリカ材料で形成された微細構造光ファイバ（ＭＯＦ，microstructured optical fiber）１１０で構成されている。この例において、シリカ材料は、Heraeus Quarzglas社から入手可能な市販の高純度溶融シリカF300HQ（商標）である。シリカは、約２０００℃の温度で溶融するので、少なくとも５００℃からおそらく約１６００℃の最高温度までの高い温度を測定するのに優れた温度特性を有するファイバ材料を提供することが理解されるであろう。

微細構造光ファイバ１１０は、サスペンデッドコア（ＳＣ，suspended core）ＭＯＦとして構成されており、図２から最もよく分かるように、外側クラッド又はジャケット領域１２０と、温度センサ１００に沿って長手方向に延びる内側サスペンデッドコア１３０とを備える。この例において、コア１３０は、当該コア１３０からジャケット領域１２０まで延びる３つの等角な半径方向延伸支柱(equiangular radially extending struts)１５０によって支持されているので、コア１３０を囲むとともに、温度センサ１００に沿って長手方向に延びる３つの支柱間チャネル(inter-strut channels)１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃを形成している。

図３から最もよく分かるように、この例示的な実施形態においては、ＳＣ−ＭＯＦの外径が約１６０μｍであり、コア径が約８μｍであり、３つの孔又はチャネルそれぞれの直径が約５０μｍである。外径は、５０μｍ〜１０００μｍの範囲であってもよいが、通常は、８０μｍ〜２００μｍの範囲であることは理解されるであろう。コア径は、０．５μｍから２０μｍまで変動し得るが、典型的には、２μｍ〜１２μｍの範囲である。さらに、孔の直径は、５μｍから１００μｍまで変動し得るが、通常は、１０μｍ〜６０μｍの範囲である。この種のＳＣ構成の孔の数は、２つから７つまで変動し得るが、典型的には、３つである。

この実施形態において、光ファイバ１１０は、最初に１２ｍｍのF300HQ（商標）シリカロッドの中心周りに正三角形パターンで３つの孔又はチャネルを超音波穿孔する（２０ｋＨｚ）ことにより予備成形物(preform)を製作することによって作製される。そして、この予備成形物は、２０００℃で動作する黒鉛抵抗炉が予備成形物供給速度１ｍｍ／分で動作するとともに、予備成形物の孔に８〜１２ｍｂａｒの正の内圧が印加された状態で、高さ６ｍの延伸タワーを採用してファイバに延伸される。ファイバの延伸速度は、結果的な延伸ファイバの外径が１６０μｍとなるように選択される。

微細構造ファイバを形成する他のプロセスは、ファイバ予備成形物の押出工程を含む。この作製方法に関する技術及び装置については、２００６年１０月１２日に出願され、本出願人に譲渡された米国特許出願第１２／０９０，０１１号「METHOD AND DEVICE FOR FORMING A MICROSTRUCTURE FIBER」（微細構造ファイバを形成する方法と装置）に記載されており、そのすべての内容を援用する。

微細構造光ファイバには、ファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）１６０が組み込まれており、この例においては、コア１３０の領域に沿って形成されている。大きく見ると、ＦＢＧは、光ファイバの屈折率の周期的な変調を生じさせることにより形成される。ＦＢＧは、格子の位置でブラッグ又は反射波長（λ_Ｂ）の狭バンド反射が生じ、その際、λ_Ｂは、周期的な変調のピッチ（Λ）及び屈折率（ｎ）の両方に線形依存する。

そして、この狭バンド反射により、λ_Ｂにおいて、透過スペクトルの減衰（dip）及び反射のピークが生じる。材料の温度が上昇すると、屈折率も高くなる。そして、このことから、反射波長λ_Ｂの位置がより高い波長へとシフトする。同様に、温度が低下すると、材料の屈折率が低くなり、λ_Ｂの位置はより低い波長へとシフトする。このλ_Ｂの波長シフトを屈折率変化と直接関連させることができ、これが温度変化と直接関連付けられ得るので、λ_Ｂの値のモニタリングによって、温度を決定することができる。

この実施形態において、ファイバブラッグ格子１６０は、材料の物理的な除去によってコア１３０に沿った一連のキャビティ又は孔１６１（「ナノホール」としても知られる）の形態の欠損を生じさせることにより屈折率の周期的な変調を生じさせるフェムト秒レーザ(femtosecond laser)の使用によって、コア１３０の外面部又はコア領域１３１への書き込み又は切り込みがなされる（図４から最もよく分かる）。この実施形態において、キャビティは、おおよそのサイズが６００ｎｍ、深さが６００ｎｍである。他の実施形態においては、サイズが１００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲であってもよく、深さが１００ｎｍ〜５０００ｎｍの範囲であってもよい。

孔の幅は、ＦＢＧピッチをいく分超えていてもよいが、大きくは超えないようにして、周期性のレベルを維持できるようにする。孔の深さは、センサの損失及び信号強度に影響する。孔が深いと、屈折率の差が大きくなるので、より強い信号に寄与するものの、センサの損失が大きくなるとともに、場合によっては多重化能力が制限される可能性がある。また、孔が深いと、より短い格子の書き込みが可能となり得る。この例において、ＦＢＧの長さは、約２０ｍｍであるが、当然のことながら、要件に応じて０．１ｍｍ〜１００ｍｍの範囲であってもよい。

この実施形態において、ファイバブラッグ格子１６０の書き込みに用いられる集束フェムト秒レーザビームは、２つのガラス−空気界面を通過する。すなわち、ＭＯＦ１１０のクラッド又はジャケット領域１２０の外表面１２１を通過した後、クラッド領域１２０の内表面１２２を通過する。このように、コア１３０とクラッド領域１２０との間に単一の長手方向レーザアクセスチャネル１４０ａが延びる場合、微細構造光ファイバの構造は、アブレーションレーザがクラッド領域１２０を介してコア１３０にアクセス可能であるので、コア領域に沿ったキャビティのレーザアブレーションを容易にするように構成されている。

この実施形態においては、アブレーションが純粋なシリカ製のファイバに施され、その結果、コア１３０に物理的な欠損を形成する。したがって、ＦＢＧ１６０は、１６００℃前後のシリカ材料の軟化点で溶融シリカ材料が軟化し始める点まで持ちこたえることになる。この実施形態において、温度センサは、少なくとも１３５０℃までの温度を測定するように構成されているが、上記実施形態に係る温度センサは、１３５０℃を上回って軟化点に近づく高温状況においても機能し続ける。このために、上記実施形態に係る温度センサは、少なくとも１３７５℃、１４００℃、１４２５℃、１４５０℃、１４７５℃、１５００℃、１５２５℃、１５５０℃、又は１５７５℃までの温度変化の検知又は温度の測定を行うように構成及び適宜較正されていてもよい。

ここで図４を参照すると、フェムト秒レーザアブレーションにより形成されたＦＢＧ１６０が示されている。この例示的な実施形態においては、クラッド領域１２０の外面及び内面並びにレーザアクセスチャネル１４０ａを介して、ＦＢＧ１６０のコア１３０上への刻み込み又はアブレーションがなされている。この例において、ＦＢＧ１６０は、８００ｎｍフェムト秒Ｔｉ：サファイアレーザ（Spectra Physics社のHurricane）システムを用いてコア１３０に書き込まれている。ブラッグ格子は、上述のように、フェムト秒レーザビームを、外側クラッド１２０を介して光学ファイバー１３０の表面に集束して、ＭＯＦのコア１２０に一連のキャビティ又は孔１６１をアブレーションによって形成することによって書き込まれ、その結果、コア領域１３１に欠損が形成される。

この例において、レーザは、４５０ｎＪのパルスエネルギーにより１００Ｈｚでパルス化されるとともに、長い作動距離（顕微鏡対物の５０倍）で集束される。ファイバは、約１５５０ｎｍの波長で１０８０ｎｍピッチの２次ブラッグ格子を生じさせるように計算された速度で移動する。この例においては、ファイバの長さが約１メートルである一方、ＦＢＧの長さが２０ｍｍであるために、コア１３０には約１８，５００点が刻み込まれる。当然のことながら、ＳＣ−ＭＯＦは、張力を印加して適切に載置することにより、刻み込まれるコア領域全体が確実にフェムト秒レーザの焦点面となるようにする必要がある。これは、フェムト秒レーザの焦点面からの予想される刻み込み領域の平面の２μｍ以上程度の逸脱によって、所要キャビティを製作するのに強度が不十分となり得るためである。

フェムト秒レーザビームが所要の物理的欠損をコア１３０に形成していることを確認するために、ＦＢＧ１６０が形成されている場合に赤色光の散乱が観測されるように、赤色発光レーザがコア１３０に接続されていてもよい。

ここで図５を参照すると、本明細書に記載の実施形態に係る温度センサ５１０を内蔵した例示的な一実施形態に係る温度センサシステム５００の模式ブロック図が示されている。この実施形態において、フェムト秒書き込みＦＢＧ５１５を有するＳＣ−ＭＯＦを備えた温度センサ５１０は、従来のシングルモードファイバ５３０に接合されている。この接合は、従来のアーク接合技術によって達成されている。この例においては、標準シングルモードファイバ設定を下回る４．０ｍＡの電流を採用し、２．０秒の標準持続期間と比較して、主電流持続期間が３．０秒のFujikura（商標）社FSM-100P（商標）アークスプライサが用いられる。

シングルモードファイバ５３０は、温度センサ５１０からのバンド反射の反射波長を検出する光センサインテロゲータ５４０に接続されたＬＣ／ＡＰＣコネクタ等の標準的な光ファイバコネクタ５３１によって他端が終端されている。光センサインテロゲータは、光ファイバに入力するために所定の波長範囲にわたって電磁放射を生じさせる電磁放射源と所定のサンプリング周波数で光ファイバから反射された電磁放射を受信する受信機とを組み合わせた電気光学装置である。そして、光センサインテロゲータは、この反射放射の光パワー対波長を決定する（例えば、図６参照）。これらの装置は、複数の光入力に対する複数の入力チャネルを有する場合が多い。

この例において、光センサインテロゲータ５４０は、それぞれ１５１０〜１５９０ｎｍの８０ｎｍの波長範囲にわたって光信号を生成するとともに、１ｐｍの波長精度で反射光信号を測定する４つの光チャネルを有するNational Instruments（商標）社のPXIe-4844（商標）である。光センサインテロゲータ５４０は、適当なソフトウェア又は他のカスタマイズされたデータプロセッサを動作させて解析を行うパーソナルコンピュータ（ＰＣ，personal computer）に接続されていてもよい。一例において、光センサインテロゲータ５４０がＰＣに結合されている場合、ＰＣは、光入力上の複数のＦＢＧセンサのオペレータによる識別を可能とし、データの言語解析によって、各ＦＢＧセンサに関する各データの個別解析を可能にするソフトウェアを動作させる。

温度検知システム５００は、掃引波長源(swept wavelength source)を用いた光センサインテロゲータを採用しているが、当然のことながら、任意の波長シフトを測定する干渉計構成と組み合わせて、別個の電磁放射源又は初期光信号源が採用されていてもよい。一実施形態においては、白熱電球又はスーパーコンティニウム源(super continuum source)等の白色光源が電磁放射源として機能するようになっていてもよい。一例において、別個の電磁波源は、通過ポートに温度センサ５１０を内蔵し、反射ポートに電磁放射スペクトル検出器を内蔵した光ファイバサーキュレータに結合されていてもよい。電磁スペクトル検出器は、分光計、光スペクトルアナライザ、又はファブリ−ペロー干渉計を具備していてもよいが、これに限定されない。

上記実施形態に係る温度検知システム５００は、透過モードにおいても適用可能であり、反射光信号の測定並びに反射スペクトルの反射波長に対応するスペクトルピークの存在及びシフトの検出及び決定の代わりに、透過光信号を測定するとともに、透過スペクトルの反射波長に対応する吸収の減衰（absorption dip）の存在を検出し、吸収の減衰のシフトを決定して温度を決定することも可能であることは理解されるであろう。

この例において、シングルモードファイバ５３０に結合又は接合されたＳＣ−ＭＯＦ（すなわち、接合ＳＣ−ＭＯＦ）を備えた温度センサ５１０は、この実施形態では耐高温セラミック材料で形成された保護シース又はハウジング５２０に挿入されている。耐熱セラミック材料は、検知する予想最高温度に基づいて選択され、素焼きアルミナ（１４２７℃）、焼結アルミナ（１６４９℃）、又はイットリア安定化ジルコニア（１８００℃）等の材料が挙げられるが、これに限定されない。シース又はハウジング５２０は、他の環境因子からの接合ＳＣ−ＭＯＦの保護を支援するように選択可能であり、このような因子としては、腐食性材料及び／又は構造的応力の存在が挙げられるが、これらに限定されない。

他の実施形態においては、ステンレス鋼管を備えたシース又はハウジングに接合ＳＣ−ＭＯＦが挿入される。さらに他の実施形態においては、シリカ材料で形成されたシース又はハウジングに接合ＳＣ−ＭＯＦが挿入されるようになっていてもよい。ハウジング５２０は、接合ＳＣ−ＭＯＦを受容するように構成されており、いくつかの例において、耐熱ハウジング５２０の内径は、ＳＣ−ＭＯＦ ＦＢＧベースの温度センサ５１０の外径と実質的に一致している。他の実施形態においては、ハウジング５２０とＳＣ−ＭＯＦ ＦＢＧベースの温度センサ５１０との間に空隙が形成されていてもよい。したがって、ハウジングの内径は、５０μｍ〜２０ｍｍの範囲であってもよい。ハウジング５２０の外径は、予想される環境に対して必要な柔軟性又は剛性を与えるように選択され、１００μｍ〜５０ｍｍの範囲であってもよく、外径が大きいほど必要に応じて剛性が高くなる。

別の実施形態において、保護ハウジング５２０は、同じ材料又は異なる材料で形成された２又は３以上の同心チューブ又はシースの使用を含む。非限定的な一例においては、接合ＳＣ−ＭＯＦがシリカチューブに挿入され、これがセラミックチューブに挿入されていてもよい。一実施形態において、シリカチューブは、内径が０．８ｍｍ〜１．２ｍｍ、外径が１．５ｍｍ超であってもよく、これが、シリカチューブの外径よりも大きな内径及び１０ｍｍ超の外径を有するセラミックチューブに挿入されている。この例において、温度センサ５１０は、同一材料と直接接触することにより、センサ５１０と保護ハウジング５２０との間の熱膨張の不整合に関する潜在的な問題が抑えられるように構成されている。

別の実施形態において、接合ＳＣ−ＭＯＦは、設置を目的として、検知対象の予想される高温に持ちこたえないように選択された犠牲ハウジングを内蔵していてもよい。非限定的な一例として、犠牲ハウジングは、高温で溶融するものの、センサの設置を支援するプラスチック又はポリマー材料で形成されていてもよい。

保護ハウジング５２０は、必ずしもすべての検知環境において必要なわけではなく、要件に応じて決まることになることは理解されるであろう。

ここで図６を参照すると、図５に示す温度検知システム５００により、ＳＣ−ＭＯＦ ＦＢＧベースの温度センサ５１０から測定した反射光信号の反射パワー（ｄＢ）対波長（ｎｍ）のグラフ６００が示されている。当然のことながら、ＳＣ−ＭＯＦ ＦＢＧベースの温度センサ５１０は、必ずしもシングルモードでなくてもよく、この例においては、基本モード６２０及び高次モード６１０に関するピークが存在する。

前述のように、光センサインテロゲータ５４０によりモニタリングされたこれらピークのうちの１又は２以上の反射波長のシフトを測定することによって、パワースペクトル６００から温度が決定される。この例においては、溶融シリカ材料で形成されたＳＣ−ＭＯＦに基づいて、２００℃の温度までは、温度検知システム５００の温度の関数として予想される波長シフトが本質的に線形である。２００℃を超える温度の場合、反射ブラッグ波長λ_Ｂの波長シフトは、図７に示すように、２次関数によって最もよく表される非線形従属状態へと遷移する。

線形及び２次従属関数の係数は、高温での波長シフトの測定を含む較正手順に従って決定される。他の高次フィッティング関数又はスプラインベースのフィッティング法を使用して、λ_Ｂのシフトに基づく温度を決定するようにしてもよいことは理解されるであろう。この例において、１０００℃までの温度の反射波長λ_Ｂのシフトは、最大１５ｎｍである。１４００℃までの温度の場合、λ_Ｂのシフトは、最大２５ｎｍである。そして、１４００℃より高い温度の場合、λ_Ｂのシフトは、２５ｎｍ超である。センサが展開される予想温度環境に関する特定の温度範囲にわたって、より高い精度を与えることができるよう、フィッティング関数をカスタマイズしても良いことは理解されよう。

ここで図８を参照すると、ＳＣ−ＭＯＦの変形例である露出コア（ＥＣ，exposed core）ＭＯＦ構成に基づく別の例示的な実施形態に係る温度センサ２００が示されている。この例において、ＦＢＧ２６０は、開放長手方向チャネル２４０ａを介して、露出コア２３０に直接書き込まれている。当然のことながら、ＥＣ−ＭＯＦは、コア２３０に沿ってレーザアブレーションを容易にするように構成されており、コア２３０の外面部又はコア領域２３１が完全に露出して、アブレーションレーザによるアクセスが可能である。ＥＣ−ＭＯＦ構成は、上記参照したＳＣ−ＭＯＦ ＦＢＧベースの温度センサと同様に作製されるが、三角構成では予備成形物への穿孔により形成された３つの孔又はチャネルの１つが、予備成形物に切り込まれた１ｍｍのスロット（このスロットは、ファイバの延伸後は、長手方向チャネル２４０に対応する）により代替される。

ここで図９を参照すると、ＳＣ−ＭＯＦ３１０に基づく温度センサ３００の断面図が示されており、長手方向チャネル３４０ａの断面形状は、レーザの集束によるＦＢＧ３６０の形成を支援するように構成されている。この例において、長手方向レーザアクセスチャネル３４０ａは、（クラッド部３２０の内面３２２に対応する）実質的に平面状の外面３４５を含む。この平面状の外面３４５は、レーザのコア３３０への集束を支援する。また、この例において、コア３３０の外面部又はコア領域３３１は、ＦＢＧ３６０を形成する均一面を提供してアブレーションレーザの集束をさらに支援するように、実質的に平面状に変更されている。

ここで図１０を参照すると、図９に示すものと同様のＳＣ−ＭＯＦ４１０に基づく温度センサの断面図が示されているが、この場合は、長手方向レーザアクセスチャネル４４０ａに対応するクラッド領域４２０の外側クラッド面４２１の断面形状も実質的に平面状であり、コア領域４３１へのアブレーションレーザの集束によるＦＢＧ４６０の形成を支援する。この実施形態において、外側クラッド面４２１及び内側クラッド面４２２の両方がレーザアクセス領域において平面状であるが、内側クラッド面４２２は、必ずしも平面状である必要はないことは理解されるであろう。ＦＢＧ４６０の位置の上方のクラッド領域４２０の厚さについても、アブレーションプロセスを容易にするために抑えられていてもよいことが理解されるであろう。

ここで図１１を参照すると、シングルモード誘導を容易にするように構成されたＳＣ−ＭＯＦ８１０に基づく温度センサ８００の断面図が示されている。この例示的な実施形態において、ＳＣ−ＭＯＦ８１０は、前述のように、コア８３０に沿ったキャビティのレーザアブレーションを容易にするように構成された長手方向レーザアクセスチャネル８４０ａを備える。シングルモード誘導を容易にするために、アクセスチャネル８４０ａに概ね対向して位置する複数の規則的間隔の長手方向チャネル８９０が形成されている。長手方向チャネル８９０は、コア８３０に対して同心円状に配置されるとともに一部がコア８３０を囲むことで、ＳＣ−ＭＯＦ８１０のシングルモード型チャネルを一緒に構成している。この例において、シングルモード型チャネル８９０は、チャネル８９２の内側部リングよりも直径が大きなチャネル８９１の外側部リングを有する断面において円形である。

全体としてシングルモード条件が満足されるとの規律条件のもとで、シングルモード型チャネルの数、厳密なサイズ、間隔、及び構成は変更可能であることは理解されるであろう。ファイバが大幅に折曲又は屈曲され得る場合、シングルモード型チャネルは、屈曲損失の影響を低減するのに十分なサイズ及び最小の間隔となるように構成されていてもよい。

以上、シリカ材料の軟化が始まってＦＢＧの挙動に影響を及ぼす１６００℃の最高温度まで測定温度を検知可能な温度センサに対する溶融シリカ材料の使用を参照して上記実施形態を説明したが、検知する予想最高温度に応じて、他の材料も使用可能である。これら材料及び関連する最高温度の一部としては、１６６０℃の最高温度まで動作する火炎溶融シリカ、１７１０℃の最高温度まで動作する電気溶融シリカ、及び２０３０℃の最高温度まで動作するサファイア結晶が挙げられるが、これらに限定されない。

上記実施形態は、反射波長の最小シフトによって所定温度に達したことが示される閾値温度センサとして動作するようになっていてもよいことは理解されよう。

ＭＯＦ ＦＢＧベースの温度センサの形成材料には、材料の軟化がＦＢＧの性能に影響を及ぼすために、上限があるものの、この温度センサは、少なくとも所定の温度まで測定する要件を満足するように構成されていてもよいことは理解されよう。したがって、ＭＯＦ ＦＢＧベースの温度センサは、然るべき材料の適当な採用並びにＭＯＦ及びＦＢＧの構成によって、少なくとも５００℃、５２５℃、５５０℃、５７５℃、６００℃、６２５℃、６５０℃、６７５℃、７００℃、７２５℃、７５０℃、７７５℃、８００℃、８２５℃、８５０℃、８７５℃、９００℃、９２５℃、９５０℃、９７５℃、１０００℃、１０２５℃、１０５０℃、１０７５℃、１１００℃、１１２５℃、１１５０℃、１１７５℃、１２００℃、１２２５℃、１２５０℃、１２７５℃、１３００℃、１３２５℃、１３５０℃、１３７５℃、１４００℃、１４２５℃、１４５０℃、１４７５℃、１５００℃、１５２５℃、１５５０℃、１５７５℃、１６００℃、１６２５℃、１６５０℃、１６７５℃、１７００℃、１７２５℃、１７５０℃、１７７５℃、１８００℃、１８２５℃、１８５０℃、１８７５℃、１９００℃、１９２５℃、１９５０℃、１９７５℃、２０００℃、又は２０２５℃までの温度変化の検知又は温度の測定用に最適化されていてもよい。

非限定的な一例として、サファイア結晶材料から形成された上記実施形態に係るＭＯＦ ＦＢＧベースの温度センサは、少なくとも１６００℃までの温度を測定するように設計されていてもよく、一例においては、少なくとも２０２５℃までの温度変化の検知又は温度の測定を行うように構成されていてもよい。

他の実施形態において、ＭＯＦの形成に用いられるガラス材料は、作製プロセス中の任意の段階における熱アニーリングによって、強度を改善することができる。この熱アニーリングプロセスは、予備成形物からのファイバの延伸前、ファイバの延伸後、又はフェムト秒レーザを用いたＦＢＧの書き込み後に行うようにしてもよい。アニーリングは、関連するアニーリング温度（溶融シリカの場合、約１１００℃）近くまで温度を上げ、ゆっくりと温度を下げることによって達成される。一例において、温度の低下速度は、０．１〜１０℃／分の範囲であってもよい。

上記実施形態に係る温度センサは、ＭＯＦに沿って位置しＭＯＦに沿った複数の位置で温度を検知する独自のコア領域とそれぞれ関連付けられた複数のＦＢＧを内蔵していてもよいことは理解されよう。従来の多重化技術に従って、各ＦＢＧは、それぞれのバンド反射と関連付けられた一意の反射波長となる異なるピッチを有するように選択される。そして、これらの反射波長はそれぞれ、温度測定結果を与える各ＦＢＧの位置での温度に従って個別にシフトすることになる。各ＦＢＧの温度範囲は、要件に応じて、当該位置での予想温度に合うように調整することにより、センサ全体について検知可能な最高温度がＭＯＦの材料特性によって決まるものと認識するようにしてもよい。

一例において、溶融シリカチューブに収容された後、アルミナセラミックチューブに挿入された温度センサは、側壁から炉に挿入されてもよい。亜鉛スラグ等の溶融金属生成物が炉に含まれる場合、この例では、温度センサの検知構成要素が溶融金属に貫通していてもよい。

上記実施形態は、従来システムからの如何なる機能又は利便性の損失もなく測定可能な温度の範囲が高くなる点において、従来のＦＢＧベースのセンサに対する有意な改善をもたらしていると理解されるであろう。

本明細書及び後続の特許請求の範囲の全体において、文脈上の別段の必要性がない限り、単語「〜を備える（comprise）」及び「〜を含む（include）」並びに「comprising」及び「including」等の変形は、記載の整数又は整数群の包含を示しており、その他の任意の整数又は整数群の除外を示してはいないことが了解される。

本明細書における如何なる従来技術の言及も、それらが技術常識の一部を構成することを如何なる意味においても示唆するものではなく、これを承認するものでもない。また、そのように捉えられるべきではない。

本発明は、その使用が本明細書に記載した特定の用途に限定されないことは当業者により理解されるであろう。また、本発明は、その好適な実施形態として本明細書に記載又は図示した特定の要素及び／又は特徴に制限されるものではない。本発明は、開示の１つ又は複数の実施形態には限定されず、以下の特許請求の範囲に記載、規定の本発明の範囲から逸脱することなく、多くの再構成、変更、及び置換が可能であることが理解されるであろう。

ここで図４を参照すると、フェムト秒レーザアブレーションにより形成されたＦＢＧ１６０が示されている。この例示的な実施形態においては、クラッド領域１２０の外面及び内面並びにレーザアクセスチャネル１４０ａを介して、ＦＢＧ１６０のコア１３０上への刻み込み又はアブレーションがなされている。この例において、ＦＢＧ１６０は、８００ｎｍフェムト秒Ｔｉ：サファイアレーザ（Spectra Physics社のHurricane）システムを用いてコア１３０に書き込まれている。ブラッグ格子は、上述のように、フェムト秒レーザビームを、外側クラッド１２０を介して光学ファイバー１３０の表面に集束して、ＭＯＦのコア１３０に一連のキャビティ又は孔１６１をアブレーションによって形成することによって書き込まれ、その結果、コア領域１３１に欠損が形成される。

ここで図１１を参照すると、シングルモード誘導を容易にするように構成されたＳＣ−ＭＯＦ８１０に基づく温度センサ８００の断面図が示されている。この例示的な実施形態において、ＳＣ−ＭＯＦ８１０は、前述のように、コア８３０に沿ったキャビティのレーザアブレーションを容易にするように構成された長手方向レーザアクセスチャネル８４０ａを備える。シングルモード誘導を容易にするために、アクセスチャネル８４０ａに概ね対向して位置する複数の規則的間隔の長手方向チャネル８９０が形成されている。長手方向チャネル８９０は、コア８３０に対して同心円状に配置されるとともに一部がコア８３０を囲むことで、ＳＣ−ＭＯＦ８１０のシングルモード型チャネルを一緒に構成している。この例において、シングルモード型チャネル８９０は、チャネル８９２の内側部リングよりも直径が小さなチャネル８９１の外側部リングを有する断面において円形である。

Claims (25)

1. 所定の温度までの温度変化を検知する温度センサであって、
   微細構造光ファイバに沿って延びる複数の長手方向チャネルを含む前記微細構造光ファイバと、
   前記微細構造光ファイバのコア領域に沿って屈折率の周期的な変調を生じさせることにより前記微細構造光ファイバ内に形成されたファイバブラッグ格子であって、前記光ファイバの前記コア領域における温度変化に従って変動する反射波長にてバンド反射を生じさせるように動作可能な、前記ファイバブラッグ格子と、
   を備えた、前記温度センサ。
2. 微細構造光ファイバのコア領域に沿った屈折率の周期的な変調が、前記コア領域に沿うレーザアブレーション欠損によって形成される、請求項１に記載の温度センサ。
3. 微細構造光ファイバの構造が、前記微細構造光ファイバのコア領域に沿うレーザアブレーション欠損を容易に形成するように構成された、請求項２に記載の温度センサ。
4. 微細構造光ファイバの構造が、コア領域と前記微細構造ファイバの外側クラッド部との間に延びて、前記クラッド部のみを介した前記コア領域へのレーザアクセスを提供する単一の長手方向チャネルを含む、請求項３に記載の温度センサ。
5. 単一の長手方向チャネルの断面形状が、微細構造ファイバのコア領域に沿うレーザアブレーション欠損を形成するための前記コア領域へのレーザの集束を支援するように構成された、請求項４に記載の温度センサ。
6. 単一の長手方向チャネルの断面形状が、アブレーション欠損形成のための実質的に平面状のコア領域を含む、請求項５に記載の温度センサ。
7. 単一の長手方向チャネルの断面形状が、クラッド部に対して実質的に平面状の外面を含む、請求項５又は６に記載の温度センサ。
8. 単一の長手方向チャネルの断面形状が、クラッド部に対して実質的に平面状の内面を含む、請求項５〜７のいずれかに記載の温度センサ。
9. 微細構造光ファイバの構造が、コア領域への直接レーザアクセスを提供する、前記コア領域に沿って延びる開放長手方向チャネルを含む、請求項３に記載の温度センサ。
10. 微細構造光ファイバの構造が、前記微細構造光ファイバに沿った電磁放射のシングルモード誘導を容易にするように構成された、請求項１〜９のいずれかに記載の温度センサ。
11. 微細構造光ファイバに沿って延びる複数の長手方向チャネルの選択が、前記微細構造光ファイバに沿って電磁放射を伝搬するためのシングルモード条件を満たす平均又は有効屈折率を有することにより、シングルモード誘導を容易にするように構成された、請求項１０に記載の温度センサ。
12. 微細構造光ファイバが、シリカ材料で形成され、センサが、少なくとも１０００℃の所定温度用に構成された、請求項１〜１１のいずれかに記載の温度センサ。
13. 微細構造光ファイバが、シリカ材料で形成され、センサが、少なくとも１３５０℃の所定温度用に構成された、請求項１〜１１のいずれかに記載の温度センサ。
14. 微細構造光ファイバが、シリカ材料で形成され、センサが、少なくとも１５５０℃の所定温度用に構成された、請求項１〜１１のいずれかに記載の温度センサ。
15. 微細構造光ファイバが、サファイア結晶で形成され、センサが、少なくとも１６００℃の所定温度用に構成された、請求項１〜１１のいずれかに記載の温度センサ。
16. 微細構造光ファイバが、サファイア結晶で形成され、センサが、少なくとも２０００℃の所定温度用に構成された、請求項１〜１１のいずれかに記載の温度センサ。
17. 微細構造光ファイバの第２のコア領域に沿って屈折率の周期的な変調を生じさせることにより前記微細構造光ファイバ内に形成された第２のファイバブラッグ格子を含み、前記第２のコア領域が第１のファイバブラッグ格子の第１のコア領域から離隔しており、前記第２のファイバブラッグ格子が、前記第１のファイバブラッグ格子の第１の反射波長と異なる第２の反射波長にてバンド反射を生じさせるように動作可能であり、前記第２の反射波長が前記光ファイバの前記第２のコア領域における温度変化に従って変動する、請求項１〜１６のいずれかに記載の温度センサ。
18. 電磁放射源と、
    前記電磁放射源に結合された請求項１〜１６のいずれかに記載の温度センサと、
    前記温度センサに結合され、ファイバブラッグ格子が位置する前記温度センサのコア領域からのバンド反射の反射波長を検出する検出器と、
    前記反射波長のシフトに基づいて、前記コア領域の温度を決定するデータプロセッサと、
    を備えた、温度検知システム。
19. 反射波長を検出する検出器が、温度センサのファイバブラッグ格子からの反射光信号を検出する、請求項１８に記載の温度センサ。
20. 反射波長を検出する検出器が、温度センサのファイバブラッグ格子からの透過光信号を検出する、請求項１８に記載の温度センサ。
21. 電磁放射源と反射波長を検出する検出器とが組み合わされた、請求項１８〜２０のいずれかに記載の温度検知システム。
22. 電磁放射源と、
    前記電磁放射源に結合された請求項１７に記載の温度センサと、
    前記温度センサに結合され、第１のファイバブラッグ格子が位置する第１のコア領域からのバンド反射の第１の反射波長と第２のファイバブラッグ格子が位置する第２のコア領域からのバンド反射の第２の反射波長とを検出する検出器と、
    前記第１の反射波長及び前記第２の反射波長の各シフトに基づいて、前記温度センサの前記第１のコア領域及び前記第２のコア領域の両方の温度を決定するデータプロセッサと、
    を備えた、多重温度検知システム。
23. 電磁放射源と第１及び第２の反射波長を検出する検出器とが組み合わされた、請求項２１に記載の多重温度検知システム。
24. ある位置での温度を検知する方法であって、
    コア領域が前記位置に位置するように、請求項１８〜２１のいずれかに記載の温度検知システムを展開するステップと、
    温度センサのバンド反射の反射波長のシフトを検出するステップと、
    反射波長の前記シフトに基づいて、前記位置での温度を決定するステップと、
    を含む、前記方法。
25. 第１の位置及び第２の位置での温度を検知する方法であって、
    第１のコア領域が前記第１の位置に位置し、第２のコア領域が前記第２の位置に位置するように、請求項２１又は２２に記載の多重温度検知システムを展開するステップと、
    温度センサの第１の反射波長及び第２の反射波長の各シフトを検出するステップと、
    第１及び第２の反射波長の前記各シフトに基づいて、前記第１及び第２の位置での温度を決定するステップと、
    を含む、前記方法。