JP3040130B2 - ３つのパラメータを測定できる光学繊維センサとそのシステム - Google Patents

３つのパラメータを測定できる光学繊維センサとそのシステム

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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は，光ファイバセンサを使用して１またはそれ
以上のパラメータの測定をする技術とシステムに関す
る。
（従来の技術） 1970年代の中期から後期にかけて，ある長さの光ファ
イバの一端に特殊な設計がなされた光学センサを設け，
その他端には電気光学的測定装置が接続されているもの
で，種々のパラメータの測定に向けられた多くの提案と
開発努力が成されている。
これらの仕事の多くは電磁界の存在する中で測定がそ
れらのフィールドの影響を受けないとか，センサそれ自
体がそのフィールドを掻き乱したりしない非金属性のセ
ンサを提供したいという思想により，動機づけられてい
た。
ロゼル等の米国特許No.4,016,761（1977年）には液晶
材料を温度センサとして用いたものが記述されている。
そのような材料は温度の関数として吸収特性を変える。
セタスの米国特許No.4,140,393（1979年）は温度プロ
ーブとして複屈折材料の使用を提案している。
クリステッセンの米国特許No.4,136,566（1979年）は
ガリウム砒素ダイオードの温度に依存する光吸収特性を
持つものを温度センサとして使用することを提案してい
る。
サーキーの米国特許No.4,179,927（1979年）は温度依
存性を有する光吸収性を持つ気体材料を提案している。
ウイッカーシェイムの米国特許No.4,075,493（1978
年）は温度センサとしてルミネッセンス物質の使用を提
案しており，測定器から光ファイバを介して,1波長範囲
の励起放射が伝達され，センサからの温度に依存するル
ミネッセンス放射が前記測定器による検出と測定のため
にもどされる。
これはルミネッセンスセンサ技術であり，これは光フ
ァイバ測定における大きな商業的な利用可能性を見出し
ており，第１の理由は安定性を持つこと，広い温度範囲
に利用できること，温度に関連しない光の変化に対する
効果を最少にすることができる能力，センササイズを小
形にできる等々である。
現在用いられている実用技術の例としてウイッカーシ
ェイム等の米国特許出願4,652,143（1987年）を挙げる
ことができる。
光ファイバの温度測定技術は，従来の電気的な温度セ
ンサ，例えばサーミスタとかサーモカップルが良好に機
能しない応用の分野における使用のために主として研究
されてきた。
そのような利用の一つは強い無線周波数やマイクロ波
電界領域中における応用であり，これについてはすでに
述べられている。
この例は，マイクロ波フィールドによる工業加熱の領
域の乾燥や硬化の利用における加熱される物体の温度測
定である。他の例は人間の体内にセンサを埋め込み，マ
イクロ波によって体内のある領域が加熱される。すなわ
ち，癌の治療における光熱療法技術における人体内の温
度の測定である。
光ファイバ温度測定技術が商業的に受け入れられるよ
うになったので，類似する装置において，付加的なパラ
メータ，例えば重量，圧力，屈折率，または湿度等を測
定するための要求が増大している。液体の流れの速度を
他の関連するパラメータの中で，測定するためにルミネ
ッセンスファイバ光学プローブを使用する例は，フィリ
ップスの米国特許No.4,621,929（1986年）に示されてい
る。
光ファイバにそって，赤外線放射がセンサに導かれ，
そしてそれは，その目的のために準備された材料の層に
よって吸収される。
一度加熱されると，センサは液体の流れによって，冷
却され始める。そしてその冷却がルミネッセンスセンサ
によって測定される。
冷却の率は，取り囲む液体の熱伝達特性と，流量に比
例している。
サン等の米国特許No.4,752,141（1988年）は圧力と温
度を弾性高分子光学要素が，光ファイバの一端に前記こ
の光要素の凸表面の外壁に被覆されたルミネッセンス物
質といっしょに光学ファイバの一端に付着させられてい
る。前記光学要素を圧縮するように加えられた力は，ル
ミネッセンス被覆表面を変形するし，その結果，ルミネ
ッセンス光学信号をそのような力を独立に，または温度
と同時に検出するように作用する。
（発明の目的） 本発明の主たる目的は，単一のパラメータまたは，多
数のパラメータを光学的に検出する改良された技術を提
供することである。
医学における応用に極めて有効である光ファイバセン
サを提供することもまた本発明の目的である。これに関
連してでき得る限り，小さな形状の単一のセンサを用い
ていくつかの有効なパラメータの測定をすることは本発
明の目的の一つである。
（発明の要約） これらのさらに付加的な目的は，本発明の種々の対応
によって完成されるものであり，簡潔にかつ一般的に言
えば，一本の光ファイバの端末に形成された単一のセン
サを使用することにより,3つまでの異なったパラメータ
を計測することができる。
この３つのパラメータは温度と圧力と流量である。こ
れらの３つのパラメータをそのような小さなセンサによ
って測定できるという能力は，医学の分野の応用，例え
ば極めて限定された空間しか与えられないカテーテルの
中の利用に大きな可能性を持つものである。
したがって，本発明の特殊な側面によれば，圧力（ま
たはそれに関連する力とか変位などのパラメータ）は，
前記センサが体験させられる圧力におけるセンサの曲率
の変化に応答する表面からの光の反射により，測定され
る。
好ましい形態においては，高分子弾性材料から形成さ
れた光学要素が光ファイバの一端に付着させられ，そし
てそれは平面でない外表面があたえられているので，そ
れは少なくとも部分的に反射材料により被覆されている
ことになる。
本発明の他の特殊な側面によれば，同時に温度を測定
する能力は温度依存性を持つ光学要素を変形可能な表面
の回りまたは前記温度依存性を持つ要素がルミネッセン
ス材料である場合においては，その材料自身を反射すべ
きものとすることにより，提供されるいずれの場合にお
いても，異なった波長の帯域の放射がセンサに向けら
れ,1または各々のパラメータが促成されることが好まし
い。これにより，測定された各々のパラメータの光学信
号を容易に分離することができる。
本発明の第３の側面によれば，第３のパラメータ，例
えば熱の流れ，または液体の速度が赤外線放射を容易に
吸収する材料で，光学的温度検出措置をコートすること
によって測定される。
通信用の光ファイバを介して，供給される赤外線放射
によってセンサが加熱された後に，環境の流体の流れに
よって，それが冷却される特性は光学的温度センサによ
って，測定される。
この３パラメータセンサの好ましい形態においては，
前記センサの光学要素は変形可能であり，平面でない表
面は３層で提供され,1層はお互いの頂面にあり，一つの
層がそれぞれのパラメータのために測定される。質問の
ための光照射は，各パラメータに対応してそれぞれ異な
った波長帯域で向けられる。
その他の目的や，本発明の利点，特徴は添付図面に関
連して説明される，その好ましい具体例の説明から明確
になるであろう。
（実施例） 第１図は，本発明の一つの具体例の光ファイバセンサ
の断面図である。センサ11は光ファイバ13の末端に取り
つけられている。
光ファイバ13は市販で容易に入手できるものであり，
クラッド17によって囲まれたコア15を持っている。これ
らの図面においては，外周の保護ジャケットは図示され
ていない。光ファイバ13の中心軸19は，説明のために示
されたものである。センサ11はファイバの端部で，コア
15に直接取りつけられている。
センサ11は，主要な光学要素として光学要素21を含ん
でいる。
この要素21は，圧縮可能である高分子弾性材料から構
成されており，ほぼ半球状に成形されており，外表面23
は凸状である。その表面には,3つの付加層が設けられて
おり，各々のうち１つは第１図のセンサが測定しようと
するパラメータのそれぞれに対応するものである。光学
要素21の凸状の外表面23に直接にコーティングされた反
射層25が施されている。前記反射層25は，圧力かまたは
それに関連する力または，変位の量を測定するために用
いられる。温度に依存する光学検出材料の層よりなる温
度依存層27は，反射層25の上と光学要素21の表面23の露
出されている部分に被覆されている。第１図および第２
図を参照すると、媒体または光ファイバ13の図示されて
いない他端側から見たときの反射層25の視野の外周部分
の温度依存層27がセンサの一部として機能する。前記外
周部の温度依存層27は，温度を測定するために用いられ
る。最後に温度依存層27の上に赤外線吸収材料よりなる
吸収層29がコートされており，この層は流量等の測定に
関連して用いられる。
光学要素21は好ましくは，実質的に光学的に透明であ
り，光ファイバ13のコア15の屈折率と実質的に同じ屈折
率を持つことが好ましい。光学要素21は光分子弾性材料
から作られ，それはその一端が反対側から力が加えられ
ると変形する。そのような力は，弾性要素21を変形する
過程において，その外表面23を変形させる。そしてその
結果，反射層25と光ファイバ13間の光学結合のレベルに
影響を与える。センサ11に加えられる力または圧力の関
数としての可変結合は，ファイバ13に入射した光の一部
に検出可能な変化を発生させて，それは要素25によって
ファイバ13に沿って戻される。
要素21として用いられる材料は，記憶を持つべきであ
る。すなわち、その材料は，それに加えられた力が除去
されたときには，第１図に示されている押されていない
形，つまり当初の形状に復帰すべきである。前記弾性と
圧力は前記要素21に対して測定されるべき力または圧力
の範囲と矛盾しないように選ばれている。
光学要素21を形成する材料として，ダウコーニング社
によって販売されているコードNo.96−038である珪素の
高分子弾性材料が好ましい。前記光ファイバ13の端部に
光学要素21を形成するために高分子弾性材料はまず初め
に，ガラス板の上に液体の状態で，光学要素の最大の厚
さにほぼ等しい層に広げて配置される。ファイバ13の開
放端が前記高分子弾性材料層に接触状態にされる。前記
材料はファイバコアとクラッディングに接着されやすい
という特性をもっており，高分子弾性材料層の一部は，
ファイバ13の端部に付着する。ファイバ端を前記液層か
ら引き離すと，第１図に示されているような凸形状の要
素21が結果として得られる。この高分子弾性体はそれを
加熱オーブンの中に配置することによって硬化させられ
る。
反射層25は非金属で，白いコーティングであることが
好ましい。なぜならば，光学ファイバ測定技術の非常に
有利な点は，センサは高い電磁界フィールドの中でそれ
自体が加熱されることなくまたそのフィールドを乱すこ
とがないということであり，前記センサに金属，または
金属材料を付加することは好ましいことではない。
第２図から反射コーティング25は円形状であり，その
中心は光ファイバ13の光軸19とほぼ一致をしており，そ
してそれは，光学要素21の露出された凸表面23の一部の
みを覆っている。第１図に示されている特定の具体的な
構造において，光学的温度検出層27は不透明な反射コー
ティング25の回りの表面層23の部分と連絡することが許
容されている。しかしながら，第１図のセンサの一つの
パラメータの変化に有用なものにおいてさえ，温度に感
度を有する光学層27と赤外線吸収層29は用いられない
で，反射コーティング層は，予想される外力の範囲にお
いて，最も大きな変形をする表面23の部分に制限してコ
ーティングされることが好ましい。
表面23のその外周近くのコーティングはかなりの領域
を持っているものであるから，そこから光ファイバに反
射して戻される光は，光学要素21に押されてその表面の
形状が変形させられた場合においても，ほとんど変わら
ないというように理解できる。
温度検出材料27はこの出願の当初の方で，他の人達に
よって提案された光学的温度計測プローブで用いられる
数種のものを利用することができる。
しかしながら、ルミネッセンス材料が適している。あ
る波長の励起放射は，不透明な反射材料25を取り囲む領
域で，層27にあたり，温度に依存するルミネッセンス放
射は他の波長で前記ファイバを介してモードを返信され
る。
好ましいルミネッセンス材料は前述した米国特許No.
4,652,143に明確に述べられたものである。ルミネッセ
ンス材料は好ましくは粒状の形態であって，それらは自
主的に光学的に透明なバインダ，光学要素21と同じ材料
が利用される。
この特殊なルミネッセンス層27はそれ自体ほとんど赤
外線を吸収しない。任意の赤外線吸収は，光ファイバ13
に沿って通り，その反射領域25の回りの領域の中の吸収
層29に到達する。
そのような赤外線吸収材料の例は，低濃度のカーボン
充填または，黒色顔料で染められた樹脂である。センサ
11が浸積された液体の中の流量を測定するにあたり，ま
ず層29が光ファイバ３に沿って導かれた赤外線放射によ
って加熱される。
赤外線放射が消されると，センサ11の温度降下は温度
依存性を持つルミネッセンス層27によってモニタされ
る。これが行なわれる方法は，前述した米国特許No.4,6
21,929により完全に記述されており，この記述は明白に
引用されるべきものである。
第１図と第２図に示しているセンサの優れた特徴は,3
つのパラメータを１つの小さいセンサで測定できるとい
うことである。
しかしながら，多数の光ファイバの束を利用すること
もできるが,1本の光ファイバ13を用いることは，それに
沿って，十分な光信号を移送することができ，かつその
センサの大きさを小さくするという点において好まし
い。１本の光ファイバ端の直径，あるいはそれと同様に
センサの直径は，容易に1mm以内にすることができ，必
要ならば1/2mm以下にすることも可能である。そのよう
な小さいセンサで３つのパラメータを光学的に測定でき
るという能力は，同一の測定においては,3つの異なるセ
ンサを使用しなければならないであろう医学の用途にお
いて，極めて大きな利点が得られる。
第１図と，第２図に示されているセンサは，仮に全て
の３つのパラメータを測定しない場合においても，有効
である。例えば，同時に温度と圧力を測定できれば，十
分な用途において，第１図と第２図に示されている同じ
センサが単にセンサへの赤外線放射加熱伝達を省略する
ことによって，利用できる。同様に温度の光学情報を提
供するために必要である光学検出層27への励起または他
の放射を単に提供しないことによって，温度の測定を省
略することができる。
当然のことではあるが，温度の測定が必要でないとい
うことがわかっているときには，温度検出層をセンサか
ら除去することは可能である。
しかし，温度を測定する能力を持たないセンサが多く
の用途を持つとは考えられないのは，温度はコーティン
グ25から反射されてくる圧力測定のための信号を温度の
影響によって修正するということが好ましい。
第６図と第７図を参照すると，そこには第１図と第２
図に示したセンサを用いて同時に３つのパラメータの全
てを測定するための電気的光学的測定が略図的に示され
ている。光ファイバ13の一端31はセンサ11を保持してい
る端部の反対側であり，その部分は第６図の光学システ
ム33の計測装置と光学的に通信可能に構成されている。
光学システム33は異なった波長帯域の３つの光源を含ん
でおり，測定されるべき各々のパラメータは一つの光源
に対応させられている。
原理的には３つの光源は光帯域のスペクトル入力のい
ずれをも行使することができる。しかしながら，各々の
波長帯域は，容易に分解することができるような十分な
差異があることが好ましい。例えば,LED35は測定の期間
中動作させられるように回路37によって制御され，セン
サ11のコーティング25から反射されるべき，光を放出し
ている。この特殊な例においては，光は緑の領域に制限
されており，その帯域幅39は第７図に示されている。
温度測定のためにセンサ17の中で，用いられているル
ミネッセンス材料層27はタイミング回路43の制御下に，
周期的にパルスを発生するコントロール回路41によって
点灯させられるフラッシュランプ40の使用が必要とな
る。適当な光学要素45を通過した後に，フラッシュラン
プ45の広帯域なスペクトル出力はフィルタ47によって第
７図に示されているスペクトルレンジ49のように深い青
または，紫外光に制限される。
第３番目の光源はダイオードレーザ151であって，制
御回路53の制御に応答してパルス状のエネルギを放出
し，それは第７図のバンド幅55によって示されているよ
うに，近赤外領域のスペクトル中にある。
この光源は、センサ11の層（赤外線吸収材料層）29に
よって吸収されるエネルギーの源であり、前記センサ周
辺の流体の熱伝導または流れを決定するために前記セン
サの冷却をモニタする前に前記センサを加熱するために
用いられる。
これらの３つの光源からの光は,3つのダイクロイック
ミラー57,59,61の列を通って，光ファイバ13に沿って伝
播させられる。
これらのダイクロイックミラーはある特殊な光源のバ
ンド幅を反射するように調整され，他の波長の通過を許
容している。
特にダイクロイックミラー57はバンド幅39の緑の光を
反射する一方，そのバンド幅以外の光の通過を許容する
ように設計されている。かくしてLEDからの緑の光は，
ビーム63としてビームスプリッタ65を通過し，それらが
ミラー57に向けられる。
ダイクロイックミラー59はルミネッセンス材料励起波
長領域49を反射し，それよりも長い波長の自由に通過す
るように光学的に設計されている。ミラー61は帯域55内
の赤外線放射を効果的に反射し，一方それよりも，低い
波長を自由に通過するように調整されている。かくし
て，ダイオードレーザ51の赤外線放射は適当な光学要素
67を介してミラー61に向けられる。
光学繊維13によってセンサからもどされた２つの光学
信号が，興味の対象である。そのような信号の一つはル
ミネッセンス放射であり，第７図に赤のバンド幅の領域
69内に示されているものであり，それは容易に３つのダ
イクロイックミラーをビーム71として通過できるもので
ある。
適当な光学要素73は，ビーム71をある光学バンドパス
フィルタ75を通じて，検出器77へ向ける。検出器77の電
気的な信号出力は回路79により，センサ11中のルミネッ
センス材料27の温度を決定するために処理される。
センサからもどされた興味のある第２の信号は，セン
サ11の反射領域25から反射された緑色の反射光である。
この光は緑の光源63と同様な経路をたどり，ダイクロ
イックミラー57により反射された後に，ビームスプリッ
タ65に達する。
ビームスプリッタ65はそこに到達した半分の光を透過
させ，これにより，そして残りの半分を反射する。かく
してセンサ11によって反射された緑の光の強度の半分
は，ビームスプリッタ65により，圧力の光信号81として
反射させられる。そのスペクトル成分は第７図に82とし
て示されている。光学要素83により検出器85に向けられ
た光学信号は，電気信号に変換されて，センサ11の圧力
を検出させるために，処理回路87に供給される。
第２の信号は比較の目的で，処理回路87に供給される
のであるが，この第２の信号は検出器89からのものであ
る。検出器89は，光源35からの光であって，ビームスプ
リッタ65により反射された散乱光91を受けるように配置
されている。
この散乱光はビームスプリッタ65がそこに入射した光
の約半分を反射するようになっているから，かなりの強
さのものである。
圧力に関連する検出器85からの光は，検出器89からの
出力と処理回路87で，センサ11における圧力の表示とし
て計られる可能性のある反射光18の中に含まれる光源35
の強度の変化の影響を除去するために，処理回路87にお
いて比率，またはその他の方法で比較される。
まさにそれはセンサによって検出された圧力の変化の
中に光源35の出力のバラツキが誤りとして取り込まれな
いようにすることを意図したものである。
加得るに，反射されてきた光学信号81から光ファイバ
13がある状況下において，曲げられたことによって生ず
る効果を希望する精度の範囲で除去することが好まし
い。
ファイバを曲げることによって生ずる効果は，ファイ
バ13に近接して，同様に曲げられるように配置されてい
るが，センサ11に接続されていない光ファイバによっ
て，得ることができる。
光源35からの第２の光ファイバの中の緑の光の伝達量
に見られる変化は，処理回路87において，圧力の読み取
りが行なわれる際に調整のために利用される。
処理回路79による温度の測定は，前述した米国特許N
o.4,652,143に開示されたそれと，ほとんど同じものが
この実施例で用いられるものである。回路43は，光源40
からの一つのパルスの発生を開始させ、それから処理回
路79に前記励起パルス光の終了と同時に，引続き行なわ
れるルミネッセンスの減衰を検出器17によってモニタ
し，処理回路79によって処理させる。
この期間におけるルミネッセンス強度の減衰の時定数
が温度に比例するものとして測定される。
センサ11による温度の測定は，それを取り囲む材料ま
たは流体によって維持される，もちろんその温度のこと
である。
部分的な熱とか，流れを測定したい場合においては、
センサ11はタイミング回路43によって光源51によって赤
外線パルスが発生するようにさせることによって，加熱
させられる。
流量を決定するために，どのようにしてそのような技
術が働くかという説明は，前述の米国特許No.4,621,929
に示されており，この実施例においても，用いられる。
したがって，処理回路79は温度と流量の表示の出力信
号を発生する。そしてそれは，表示部95または，その他
の希望する出力装置に供給される。同様にして，処理回
路87からの圧力の読み取りも表示部95に供給される。
第３図には，センサ11の変形例が示されている。ここ
において，第１図と用いられたものと同じものには，ダ
ッシュをつけて説明を省略している。他の相違点は反射
コーティング25の分離を省略したことである。
層97の中のルミネッセンス粒子は，明るい色に選ばれ
ているので，それらは可視光の良好な反射物体として働
く。同様に３つのパラメータが１つのセンサにより，第
６図，第７図に関連して説明した同じ光学システムによ
って，測定できる。
光学的ルミネッセンス励起光源40が十分に安定してい
るときには，圧力測定のための反射光のためにそれを用
いることができ，異なる光源35を用いる必要がないとい
う光学的電気的簡単化が可能である。この場合におい
て，ビームスプリッタは励起光がダイクロイックミラー
29を叩く前に，反射されて検出器18への光を再度方向を
変えるために，その前に配置される。
処理回路87によって，光源の強度をモニタするために
用いられる検出器89の使用は同様に保留することができ
る。
第１図と第３図に示されるセンサは，流体の中のそれ
らが浸積される流体の中の圧力を測定するためには，圧
力を受けるべき光学要素21が全ての方向において，同じ
圧力を受ける点において，適当ではない。したがって，
第４図と第５図に示す具体例においては，第１図または
第３図のいずれかのセンサを取り囲む密封領域を作り，
液体が光学要素31を押しつけるように構成したものであ
る。
第４図において，円筒形のスリーブ99はファイバ13に
設けられ，これを密封している。可撓性のダイヤフラム
101がスリーブ99の開口端にスリーブの中の空間を密封
するために設けられている。ダイヤフラム101に硬くす
るためのディスク105が好ましくは設けられており，こ
れにより，包み込まれたチェインバ103内の流体と取り
囲む流体媒体との間の圧力差が，高分子弾性材料21への
押し圧力となるように設けられている。
第５図は，同じ目的で用いられたさらに他の具体例を
示している。円筒形のスリーブ107,それは細い管であっ
て，光ファイバ13を密封するように付着させられてい
る。滑動するピストンのような要素109が前記スリーブ1
07の開放端に位置させられ，その中に入れられた密封液
体，例えばオイル等を入れている。そしてそのピストン
は，前後に移動してセンサのチェインバ111の内外の圧
力差に応じて移動する。
本発明の種々の側面が特定の具体例について説明をさ
れたが本発明は添付の請求の全範囲内において保護が与
えられるべきと理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
第１図は，本発明によるセンサの具体例の断面図であ
る。 第２図は，第１図のセンサの切断線２−２によって示さ
れる曲線に沿ってある部分を除去して示した端面図であ
る。 第３図は，本発明による他の具体例にしたがうセンサの
断面図である。 第４図は，第１図または第２図に示すいずれかのセンサ
の具体例の変形例を示す図である。 第５図は，第１図または第３図の具体例のいずれかの変
形例を示す図である。 第６図は，第１図から第５図に示したいずれかの具体例
または変形例を使用した電気光学的装置のブロックダイ
ヤグラムを示す図である。 第７図は，第６図のシステムにおける種々の光学信号に
より専有される波長帯域を示すグラフである。 11……センサ 13……光ファイバ（ファイバ） 15……光ファイバのコア 17……光ファイバのクラッド（クラッド） 19……光ファイバの中心軸 21……光学要素 23……外表面（21の外表面） 25……反射層 27……温度依存層（ルミネッセンス材料層） 29……吸収層（赤外線吸収材料層） 31……光ファイバの末端 33……光学システム 35……LED 37……反射光制御 39……バンド幅 40……フラッシュランプ 41……光パルス発生回路 43……温度／流量タイミング回路 45……光学要素 47……フィルタ 49……U.V.スペクトル領域 51……ダイオードレーザ 53……赤外線制御 55……バンド幅 57,59,61……ダイクロイックミラー 63……ビーム 65……ビームスプリッタ 67……光学要素 69……バンド幅、71……ビーム 73……光学要素、75……フィルタ 77……検出器、79……温度処理 81……圧力光学信号 82……反射された光（線） 83……光学要素、85……検出器 87……圧力処理、89……検出器 91……迷光、95……表示部 99……円筒、101……ダイヤフラム 103……空間、105……円板 107……円筒、109……ピストン 111……容器内空間
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−61435（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−98345（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−90033（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−38335（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−217132（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−80929（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01L 1/24 G01L 9/00 G01D 5/26 G01J 5/08 G01K 11/12

Claims (26)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】測定システムであって、 第１および第２の端部を持つある長さの光ファイバ伝送
    媒体と、 前記媒体の第１の端部に支持されている１つのセンサで
    あって，そのセンサは、光学的に透明な高分子弾性材料
    であり，前記媒体の端部から曲面の表面を持ち，その曲
    面がそれに加えられた圧力により，押されて変化するこ
    とによって特徴づけられている光学的に透明な弾性高分
    子材料と、可撓性の光学反射材料であって，少なくとも
    前記曲面の一部に設けられ，そして前記媒体と光学的に
    通信連絡するものである可撓性光学反射材料層とを含
    み、 前記伝送媒体の前記第２の端部から前記反射層に向けて
    光学的な放射を送出し，これにより，少なくとも，前記
    光学放射の一部を前記層により前記媒体に前記第２の端
    部方向へ戻す手段と、 前記媒体の第２端に設けられており，前記反射された放
    射のレベルを検出し，これにより，前記反射層の変位を
    計測し，そして前記センサに加えられた力，また圧力を
    決定するための手段と、 から構成した測定システム。
  2. 【請求項２】請求項１記載の測定システムであって、 前記媒体の第２の端部にその放射送出手段から前記第２
    の端部に入射する放射光のレベルを検出するための手段
    と、 前記媒体を介して放射される光のレベルと前記媒体を介
    して反射されてきたレベルとを前記媒体の第２の端部に
    おいて比較するための手段とを付加的にさらに設けた測
    定システム。
  3. 【請求項３】請求項１記載の測定システムにおいて、前
    記センサの高弾性高分子材料の曲面は凸形であり、前記
    高弾性高分子材料は前記媒体の第１の端に付着させられ
    ているものである測定システム。
  4. 【請求項４】請求項３記載の測定システムにおいて，前
    記媒体は１本の光ファイバである測定システム。
  5. 【請求項５】請求項４記載のシステムにおいて、前記反
    射材料は，円形の形状をしており，前記１本の光ファイ
    バの長手方向の軸に対して実質的に対象になるように位
    置させられており，前記第２端から見たときの光ファイ
    バの視野の一部を専有するものであり、変位，力または
    圧力と異なるパラメータに応答してその検出されるべき
    光学的特性が変わるものであり，前記光ファイバの視野
    で前記視野と重ならない部分に配置されている材料をも
    つシステム。
  6. 【請求項６】請求項５記載のシステムにおいて、前記変
    化するパラメータは温度である計測システム。
  7. 【請求項７】請求項６記載のシステムにおいて，前記材
    料の部分にはルミネッセンス材料が含まれるシステム。
  8. 【請求項８】請求項１記載のシステムにおいて、前記セ
    ンサの反射材料層は，前記媒体の第２端から見たときの
    視野の一部を専有する一定の領域内に位置させられてお
    り，そして前記視野の一部とは重ならない部分におい
    て，前記センサの一部として位置させられているある量
    の材料は変位と力と圧力とは異なる変化するパラメータ
    に応答して検出可能な光学的特性変化をするものであ
    り，ここにおいて、前記システムは付加的に前記媒体の
    第２の端部において前記光学的に検出可能な特性変化を
    前記変位の検出と同時に検出する手段をさらに備えてい
    るシステム。
  9. 【請求項９】請求項８記載のシステムにおいて，前記パ
    ラメータは温度であるシステム。
  10. 【請求項１０】請求項８記載のシステムにおいて、前記
    光放射伝達手段は，前記放射を第１の波長領域に制限す
    るための手段を含み、さらに前記光学特性検出手段は，
    前記第１の波長レンジと実質的に重なり合わない波長の
    レンジにおいて，前記媒体の上の他のパラメータの材料
    の部分と通信連絡する手段を含み，前記光学的特性を検
    出するものであるシステム。
  11. 【請求項１１】請求項８記載のシステムにおいて、前記
    材料の部分はルミネッセンス材料を含む計測システム。
  12. 【請求項１２】請求項８記載のシステムにおいて、前記
    センサの弾性高分子材料の曲面は，凸曲面であり，前記
    弾性高分子材料は前記第１の媒体の第１の端部に固定的
    に付着されているシステム。
  13. 【請求項１３】請求項９記載のシステムにおいて，前記
    他の材料はさらに赤外のレンジの放射に対しては，実質
    的に，透明であるという特徴を持ち，さらに弾性高分子
    材料から除かれた前記材料部分によって，赤外線吸収層
    が設けられ，さらに前記媒体の第２の端部で前記媒体に
    沿って前記センサに赤外線放射を差し向ける手段を備え
    ているシステム。
  14. 【請求項１４】請求項１記載のシステムにおいて，前記
    センサに対する圧力を測定するために反射光検出手段を
    さらに備えるシステム。
  15. 【請求項１５】請求項１記載のシステムにおいて、前記
    センサは、前記弾性高分子材料と，反射層の回りに密封
    された空間を設け，これにより，前記高弾性高分子材料
    が前記囲まれた容積内と，その外部の圧力の差の圧力に
    比例する量だけ押されるようにしたシステム。
  16. 【請求項１６】請求項１記載のシステムにおいて、前記
    センサの反射材料は，ルミネッセンス材料を含み，第１
    の光に重なり合わない第２の波長領域において，エキサ
    イトされたときに，第１の波長のレンジの温度に比例す
    る放射を発生することによって特徴づけられるものであ
    り、さらに前記放射伝送手段は，第１の波長領域ではな
    く第２の波長領域の光を送信するものであり，前記シス
    テムはさらに前記媒体の第２の端部に前記ルミネッセン
    ス材料から放出された放射のレベルを検出するための手
    段を含み、これにより，前記センサは前記力または圧力
    の計測と同時に温度を測定することができるものである
    システム。
  17. 【請求項１７】少なくとも，第１と第２のパラメータを
    光学的に測定するためのシステムであって、 第１と第２の端面を持ち，ある長さの光ファイバ伝送媒
    体と、 前記媒体の第１の端部に支持されているセンサであっ
    て，そのセンサは、 実質的に光学的に透明である高弾性高分子材料であっ
    て，凸球面を前記媒体の一方から離れる方向にもってお
    り，そしてその曲面がそれに加えられた力に比例して押
    される度合いによって，変わることによって特徴づけら
    れる一定量の固体材料と、 光学放射を反射する材料の可撓性の層であって，前記凸
    曲面の第１の部分に付着させられており，それは前記第
    １端に光学的に通信可能に設けられており，これによ
    り，この形状の変化が前記第１のパラメータの表示とな
    り，これにより，前記凸曲面の第２の部分は，前記反射
    材料を取り囲む一方端の部分を介して，光学的に通信可
    能であり、 少なくとも前記第２の領域に前記第２のパラメータの光
    学的表示を提供するために設けられた手段と、を含むセ
    ンサと、 前記媒体の第２の端部に前記反射層へ前記媒体に沿って
    光学的放射を伝達するために設けられた手段であり，こ
    れにより，前記第１のパラメータに比例する光学的放射
    のある量が前記層によって前記媒体を介してその第２の
    端部に送り戻され、前記媒体の第２の端部に前記反射さ
    れたレベルを検出するために設けられた手段であって，
    これにより，前記第１のパラメータに比例する光学的信
    号を提供し、 前記媒体の第２の端部に前記第２のパラメータに比例す
    る光学信号を提供するように前記第２のパラメータを光
    学的に指示するように結合されている手段とからなるシ
    ステム。
  18. 【請求項１８】請求項17記載のシステムであって，前記
    第２のパラメータは温度であり、前記センサは，前記第
    ２のパラメータを光学的に指示する手段に対して赤外線
    放射を吸収するために，熱的に結合するように位置させ
    られた手段を含み、そしてさらに前記媒体の第２の端部
    に前記媒体に沿って前記センサに赤外線を放射する手段
    を設け，これにより，前記赤外線放射吸収手段によって
    吸収させられ，さらにそしてその温度の測定は，第３の
    パラメータに比例するものであるシステム。
  19. 【請求項１９】請求項18記載のシステムであって、前記
    光学的な放射を伝達する手段は，前記光学的放射が第１
    に定義された波長領域にあるということにおいて，特徴
    づけられ，前記第２のパラメータの光学的通信手段は，
    前記第２のパラメータの光学的表示手段と，前記定義さ
    れた第１の波長領域と重なり合わない，第２の波長領域
    において，前記光ファイバ媒体を介して通信することに
    おいて，特徴づけられており，前記第１および第２の波
    長領域は前記赤外線放射領域とは重ならないものである
    測定システム。
  20. 【請求項２０】請求項17記載のシステムであって、前記
    光学的放射伝達手段は，前記光学的な放射を定義された
    第１の波長領域において，伝送することによって特徴づ
    けられ、前記第２のパラメータの光学的な通信手段は，
    前記光学ファイバ媒体で，前記第２のパラメータ光学表
    示手段と，第２の波長領域内で通信し，その第２の波長
    領域は，前記第１に定義された波長領域とは重なり合わ
    ないものであるシステム。
  21. 【請求項２１】少なくとも，一つの光ファイバの一端に
    支持されたセンサであって、 実質的に光学的に透明である弾性高分子材料であって，
    前記光ファイバの一端から突き出した非平面を持ち，そ
    してその面は，それに加えられる力によって押されるこ
    とによって変化する特徴をもつ高分子材料と、そして 光学的放射を反射する材料の可撓性の層であり，それは
    前記非平面の一部に付着されており，前記光ファイバの
    一方端と接続している可撓性の層とを含み、ここにおい
    て，前記光学的放射を反射する材料の可撓性の層の光学
    反射材料の光学的に検出可能な形状が前記センサに加え
    られる力によって変化するセンサ。
  22. 【請求項２２】請求項21記載のセンサであって、前記弾
    性高分子材料の非平面は凸形状であり，前記弾性高分子
    材料は前記光ファイバの一端に固定されたものであるセ
    ンサ。
  23. 【請求項２３】請求項21記載のセンサであって、前記反
    射材料層は，前記光ファイバの一方端から見た視野の一
    部の固まった領域を専有するものであり，材料の一部
    は，温度の関数として，光学的に検出できる特性を示
    し，前記視野の他の部分に重なり合わないように配置さ
    れていることにより，特徴づけられるものであるセン
    サ。
  24. 【請求項２４】請求項23記載のセンサであって、前記セ
    ンサはさらに赤外線を吸収する材料が前記温度検出材料
    と接触する関係に設けられているセンサ。
  25. 【請求項２５】請求項21記載のセンサであって、前記セ
    ンサはさらに前記高弾性高分子材料と，反射層を包むよ
    うに密閉空間を持ち，前記高弾性高分子材料は，前記包
    まれた空間内と，その外側の圧力差に対応して押される
    ものであるセンサ。
  26. 【請求項２６】中心の長い軸を持つ１本の光ファイバの
    一端に設けられた３パラメータセンサであって、 実質的に透明な弾性高分子材料からなる光学要素であっ
    て，前記ファイバ端に固定され離れた方向に凸曲面を持
    っており，前記ファイバと光学的に通信可能な状態にあ
    る光学要素と、 光学放射反射材料と連続的な過透層であって，前記光学
    要素の表面に設けられ，これにより前記弾性高分子材料
    が押されることにより，変形させられて反射材料層の形
    状の変化が光学的に検出可能であり，これによって，第
    １のパラメータを検出する可撓層と、 少なくとも前記反射層の表面に近接して設けられてお
    り，温度の関数としての検出可能な光学的変化を示すこ
    とによって特徴づけられ，これによって，第２のパラメ
    ータを検出する材料の層と、 赤外線放射を吸収する材料の層で，前記温度検出材料層
    の上に設けられて，それと熱的に導通することにより，
    第３のパラメータの決定を許容する赤外線放射吸収材料
    層とから構成した３パラメータセンサ。
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