JP3300249B2 - 圧力測定装置およびそれを用いた圧力測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、内燃機関
の圧縮器内や燃焼器内の圧力測定に用いられる圧力測定
装置およびそれを用いた圧力測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近時、内燃機関の圧縮器内等の圧力測定
には、耐熱性、防爆性、耐腐食性等が優れた圧力測定装
置が用いられている。この種の圧力測定装置は、加えら
れる圧力に応じてたわむダイアフラム、半導体レーザ、
光ファイバ等から構成されており、ファブリ・ペロー干
渉計の原理を利用して光学的に圧力を測定する装置であ
る。この圧力測定装置は、信号源としてレーザ光を用い
ているため電磁ノイズの影響を受けないという利点を有
している。

【０００３】図７は、上述した従来の圧力測定装置の構
成を示すブロック図である。この図において、１は、可
干渉性光たるレーザ光Ｌａを発生するＨｅ−Ｎｅレーザ
である。２は、光ファイバカプラであり、光ファイバ３
を介して入射されるレーザ光Ｌａを光ファイバ４の端面
へ出射するとともに、光ファイバ４を介して入射される
干渉光Ｌｉを光ファイバ５の端面へ出射する。上記干渉
光Ｌｉの詳細については後述する。

【０００４】６は、内燃機関の圧縮器内に設けられた圧
力センサであり、上記圧縮器内の圧力を検出する。ここ
で、図８を参照して、上記圧力センサ６の構成について
詳述する。この図に示す圧力センサ６において、７は、
略円板形状のダイアフラムであり、その中央部７ａおよ
び周縁部７ｂが厚肉形成されており、かつ中央部７ａと
周縁部７ｂとの間の環状部７ｃが薄肉形成されている。
このダイアフラム７は、可撓性材料から構成されてお
り、その表面たる受圧面７ｄに加えられる被測定圧力Ｐ
ｍに応じてたわむ。

【０００５】８は、ダイアフラム７を支持する略円柱形
状の支持部材であり、その上部には、凹部８ａが形成さ
れている。また、支持部材８の中央部には、軸線に沿っ
て凹部８ａから下面８ｃまでを連通してなる連通孔８ｂ
が形成されており、さらに支持部材８には、上記連通孔
８ｂの近傍に凹部８ａから下面８ｃまでを連通してなる
連通孔８ｄが形成されている。

【０００６】すなわち、支持部材８とダイアフラム７と
の間には、内部空間１０が形成されており、この内部空
間１０は、連通孔８ｄを介して大気開放状態とされてい
る。つまり、内部空間１０内部の圧力は、大気圧Ｐａで
ある。

【０００７】光ファイバ４（図７参照）の一端部分は、
支持部材８の連通孔８ｂに接着剤９を介して挿通固定さ
れており、その端面４ａは、ダイアフラム７の裏面たる
反射面７ｅに対して光学的な距離ｄをおいて位置してい
る。

【０００８】図７において、１１は、光パワーメータで
あり、光ファイバ５を介して入射される干渉光Ｌｉをそ
の光強度に応じた電気信号Ｓｉに変換する。１２は、電
気信号Ｓｉの波形を表示するストレージオシロスコープ
である。

【０００９】次に、上述した従来の圧力測定装置の動作
について説明する。図７において、Ｈｅ−Ｎｅレーザ１
が駆動されると、レーザ光Ｌａは、光ファイバ３、光フ
ァイバカプラ２を介して光ファイバ４へ導かれる。そし
て、該レーザ光Ｌａの一部は、図８に示す光ファイバ４
の端面４ａにより反射され参照光として光ファイバ４内
を伝搬する一方、残りのレーザ光Ｌａは、端面４ａより
出射した後、ダイアフラム７の反射面７ｅにより反射さ
れ、再び端面４ａに反射光として入射する。

【００１０】これにより、上述した参照光と反射光と
は、互いに干渉して干渉光Ｌｉとして光ファイバ４内部
を伝搬する。この干渉光Ｌｉは、参照光と反射光との間
に光路差２ｄ（図８参照）が存在することにより、ファ
ブリ・ペロー干渉計の原理に基づいて生じる。従って、
干渉光Ｌｉの光強度は、図９に示す、ダイアフラム７の
たわみ量Δｄ、言い換えれば、上述した光路差２ｄの変
化に応じて周期的に変化する。さらに言い換えれば、干
渉光Ｌｉの光強度は、被測定圧力Ｐｍの変化に応じて周
期的に変化する。すなわち、干渉光Ｌｉには、明暗なる
フリンジ（干渉縞）が存在しており、このフリンジの次
数Ｆ（０、１、・・・）は、たわみ量Δｄがレーザ光Ｌ
ａの波長λの２分の１変化する毎に１次数増加または減
少する。また、フリンジの次数Ｆは、図１１に示すよう
に被測定圧力Ｐｍに対して比例関係にある。

【００１１】そして、図７に示す干渉光Ｌｉは、光ファ
イバカプラ２および光ファイバ５を介して光パワーメー
タ１１へ入射する。これにより、光パワーメータ１１か
らは、干渉光Ｌｉの光強度に対応した電気信号Ｓｉがス
トレージオシロスコープ１２へ出力され、ストレージオ
シロスコープ１２には、電気信号Ｓｉの波形が表示され
る。

【００１２】今、被測定圧力Ｐｍが、ある値Ｐｍ１（図
１１参照）であるものとすると、ダイアフラム７のたわ
み量Δｄは一定であってかつ変化しない。従って、図９
に示す干渉光Ｌｉの光強度も一定値であることから、ス
トレージオシロスコープ１２に表示されている電気信号
Ｓｉは変化しない。このとき、ストレージオシロスコー
プ１２の表示を見ただけでは、図１１に示す被測定圧力
Ｐｍ１に対応するフリンジの次数Ｆがいくつであるかを
特定することができない。

【００１３】そして、今、図１１に示す被測定圧力Ｐｍ
が、Ｐｍ１からＰｍ２へ増加したとすると、ストレージ
オシロスコープ１２に表示されている電気信号Ｓｉのレ
ベルは、最大値と最小値とを周期的にとる。上記電気信
号Ｓｉのレベルが最大値（最小値）→最小値（最大値）
→最大値（最小値）という具合に１周期分変化したと
き、フリンジの次数Ｆの次数が１つ繰り上がるかまたは
繰り下がる。

【００１４】上記電気信号Ｓｉのレベルが変化している
間、測定者は、電気信号Ｓｉのレベルが何周期分変化し
たかを観測することにより、被測定圧力Ｐｍ1に対応す
るフリンジの次数Ｆ（未知数）と被測定圧力Ｐｍ2に対
応するフリンジの次数Ｆ（未知数）との次数差ΔＦを求
める。そして、測定者は、上記次数差ΔＦから被測定圧
力Ｐｍ1と被測定圧力Ｐｍ2との圧力差ΔＰｍを求める。

【００１５】なお、上述した測定時において電気信号Ｓ
ｉのレベルが最大値または最小値である場合、被測定圧
力Ｐｍの変化の向きが逆転したとき、従来の圧力測定装
置においては、被測定圧力Ｐｍが増加しているか、また
は減少しているかを判別することができない。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来の圧力測定装置においては、被測定圧力Ｐｍがある値
から違う値に変化した場合の圧力差ΔＰｍ、すなわちイ
ンクリメンタル（変化分）のみしか測定することができ
ず、絶対圧力を測定することが原理上できないという欠
点があった。さらに、上述した圧力測定装置において
は、被測定圧力Ｐｍがある値から違う値に変化した場合
に、上記被測定圧力Ｐｍが増加する向きに変化したの
か、または減少する向きに変化したのかをも判別するこ
とができないという欠点があった。本発明はこのような
背景の下になされたもので、絶対圧力および圧力変化の
向きを高精度で測定することができる圧力測定装置およ
びそれを用いた圧力測定方法を提供することを目的とす
る。

【００１７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、被測定圧力に応じて第１および第２のたわみ量をも
ってたわむ第１および第２の部分を有し前記第１のたわ
み量が前記第２のたわみ量のＮ倍とされており、かつレ
ーザ光を反射するダイアフラムであって、最大の被測定
圧力が加えられたとき前記第２のたわみ量が前記レーザ
光の２分の１波長より小とされているダイアフラムと、
所定周期でリニアに変化する波形状に周波数変調された
前記レーザ光を発生するレーザ光発生手段と、前記レー
ザ光を２分岐する分岐手段と、前記分岐手段により分岐
された一方のレーザ光を前記ダイアフラムの前記第１の
部分へ導く第１の光ファイバと、前記分岐手段により分
岐された他方のレーザ光を前記ダイアフラムの前記第２
の部分へ導く第２の光ファイバと、前記一方のレーザ光
の一部が前記第１の光ファイバの端面に反射された第１
の参照光と、前記一方のレーザ光の残り一部が前記第１
の部分に反射され前記端面に入射した第１の反射光との
第１の干渉光を第１の電気信号に変換する第１の変換手
段と、前記他方のレーザ光の一部が前記第２の光ファイ
バの端面に反射された第２の参照光と、前記他方のレー
ザ光の残り一部が前記第２の部分に反射され前記端面に
入射した第２の反射光との第２の干渉光を第２の電気信
号に変換する第２の変換手段と、前記第２の電気信号の
第２の位相変化量を求め、該第２の位相変化量に前記た
わみ比Ｎを乗じた乗算結果に基づいて、前記第１の干渉
光のフリンジ次数を求めるフリンジ次数算出手段と、前
記フリンジ次数算出手段により算出されたフリンジ次数
に基づいて、前記第１の電気信号の第１の位相変化量を
求める位相変化量算出手段と、前記第１の位相変化量に
基づいて、前記被測定圧力を求める圧力算出手段とを具
備することを特徴とする。また、請求項２に記載の発明
は、請求項１に記載の圧力測定装置において、前記第１
の位相変化量と前記被測定圧力との関係を表す変換テー
ブルを記憶する記憶手段とを有し、前記圧力算出手段
は、求めた前記第１の位相変化量を前記変換テーブルに
適用することにより、前記被測定圧力を求めることを特
徴とする。また、請求項３に記載の発明は、請求項１ま
たは２に記載の圧力測定装置において、前記第１および
前記第２の光ファイバの各先端部分を各々支持するとと
もに、自身と前記ダイアフラムの反射面との間に形成さ
れた空間を大気開放状態として前記ダイアフラムを支持
する支持部材を具備することを特徴とする。また、請求
項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の圧力測
定装置において、前記第１および前記第２の光ファイバ
の各先端部分を各々支持するとともに、自身と前記ダイ
アフラムの反射面との間に形成された空間を真空状態と
して前記ダイアフラムを支持する支持部材を具備するこ
とを特徴とする。また、請求項５に記載の発明は、請求
項１ないし４のいずれかに記載の圧力測定装置におい
て、前記レーザ光発生手段は、ランプ波形状に周波数変
調された前記レーザ光を発生することを特徴とする。ま
た、請求項６に記載の発明は、請求項１ないし４のいず
れかに記載の圧力測定装置において、前記レーザ光発生
手段は、三角波形状に周波数変調された前記レーザ光を
発生することを特徴とする。また、請求項７に記載の発
明は、被測定圧力に応じて第１および第２のたわみ量を
もってたわむ第１および第２の部分を有し前記第１のた
わみ量が前記第２のたわみ量のＮ倍とされており、かつ
レーザ光を反射するダイアフラムであって、最大の被測
定圧力が加えられたとき前記第２のたわみ量が前記レー
ザ光の２分の１波長より小とされているダイアフラム
と、所定周期でリニアに変化する波形状に周波数変調さ
れた前記レーザ光を発生するレーザ光発生手段と、前記
レーザ光を２分岐する分岐手段と、前記分岐手段により
分岐された一方のレーザ光を前記ダイアフラムの前記第
１の部分へ導く第１の光ファイバと、前記分岐手段によ
り分岐された他方のレーザ光を前記ダイアフラムの前記
第２の部分へ導く第２の光ファイバと、前記一方のレー
ザ光の一部が前記第１の光ファイバの端面に反射された
第１の参照光と、前記一方のレーザ光の残り一部が前記
第１の部分に反射され前記端面に入射した第１の反射光
との第１の干渉光を第１の電気信号に変換する第１の変
換手段と、前記他方のレーザ光の一部が前記第２の光フ
ァイバの端面に反射された第２の参照光と、前記他方の
レーザ光の残り一部が前記第２の部分に反射され前記端
面に入射した第２の反射光との第２の干渉光を第２の電
気信号に変換する第２の変換手段と、前記第１および第
２の電気信号を表示する表示手段とを有する圧力測定装
置において、前記表示手段に表示された前記第２の電気
信号の第２の位相変化量を求め、該第２の位相変化量に
前記たわみ比Ｎを乗じた乗算結果に基づいて、前記第１
の干渉光のフリンジ次数を求める第１の過程と、前記第
１の過程において算出されたフリンジ次数に基づいて、
前記第１の電気信号の第１の位相変化量を求める第２の
過程と、前記第１の位相変化量に基づいて、前記被測定
圧力を求める第３の過程とからなることを特徴とする。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態について説明する。図１は本発明の一実施形態に
よる圧力測定装置の構成を示すブロック図である。図１
において、２０は、ファンクションジェネレータであ
り、図２（ｂ）に示すランプ波形の変調信号Ｓｍおよび
トリガ信号Ｓｔを出力する。この変調信号Ｓｍおよびト
リガ信号Ｓｔは、周期がＴであって、繰り返し周波数が
ｆｍとされている。２１は、変調信号Ｓｍに対応するラ
ンプ波形の駆動電流Ｉにより半導体レーザ２２を駆動す
る。この駆動電流Ｉは、周期がＴであって、周波数がｆ
ｍとされている。

【００１９】半導体レーザ２２は、上記駆動電流Ｉが注
入されることにより、レーザ光を図３に示す中心周波数
ν0、周波数変調幅△νおよび変調周波数ｆｍ（周期
Ｔ）で周波数変調して、これをレーザ光Ｌａ0として出
射する。２３は、光ファイバであり一端が半導体レーザ
２２の出射端に、他端が光ファイバカプラ２４の入射端
に各々接続されており、上記レーザ光Ｌａ0を光ファイ
バカプラ２４の入射端へ導く。

【００２０】光ファイバカプラ２４は、光ファイバ２３
を介して入射されるレーザ光Ｌａ0を、第１のレーザ光
Ｌａ1と第２のレーザ光Ｌａ2とに２分岐する。２５1
は、光ファイバであり、一端が光ファイバカプラ２４の
一方の出射端に、他端が後述する光ファイバカプラ２６
1の入射端に各々接続されており、第１のレーザ光Ｌａ1
を光ファイバカプラ２６1の入射端へ導く。２５2は、光
ファイバであり、一端が光ファイバカプラ２４の他方の
出射端に、他端が後述する光ファイバカプラ２６2の入
射端に各々接続されている。

【００２１】光ファイバカプラ２６1は、光ファイバ２
５1を介して入射端へ入射される第１のレーザ光Ｌａ1
を、一方の出射端より出射するとともに、後述する第１
の干渉光Ｌi1を他方の出射端より出射する。２７1は、
光ファイバであり、一端が光ファイバカプラ２６1の一
方の出射端に接続されている。この光ファイバ２７1
は、光ファイバカプラ２６1の一方の出射端より出射さ
れる第１のレーザ光Ｌａ1を後述する圧力センサ２８へ
導く。

【００２２】一方、光ファイバカプラ２６2は、上述し
た光ファイバカプラ２６1と同一の構成とされており、
光ファイバ２５2を介して入射端へ入射される第２のレ
ーザ光Ｌａ2を、一方の出射端より出射するとともに、
後述する第２の干渉光Ｌi2を他方の出射端より出射す
る。２７2は、光ファイバ２７1に対して併設された光フ
ァイバであり、一端が光ファイバカプラ２６2の一方の
出射端に接続されている。この光ファイバ２７2は、光
ファイバカプラ２６2の一方の出射端より出射される第
２のレーザ光Ｌａ2を圧力センサ２８へ導く。

【００２３】圧力センサ２８は、内燃機関の圧縮器内に
設けられており、上記圧縮器内の圧力を検出する。ここ
で、図４を参照して、上記圧力センサ２８の構成につい
て詳述する。この図に示す圧力センサ２８において、４
０は、可撓性材料から構成された略円板形状のダイアフ
ラムであり、その表面たる受圧面４０ａに加えられる被
測定圧力Ｐｍに応じてたわむ。このダイアフラム４０
は、その中央部４０ｂが最もたわみ量が大きく、該中央
部４０ｂから端縁に行くにしたがってたわみ量が小さく
なる。

【００２４】具体的には、図６に示すように、ダイアフ
ラム４０の中央部４０ｂの第１のたわみ量Δｄ1と同周
縁部４０ｃの第２のたわみ量Δｄ2とのたわみ比は、
Ｎ：１とされている。上記たわみ比Ｎは、実際にダイア
フラム４０の受圧面４０ａに被測定圧力Ｐｍを加え、こ
のときの第１のたわみ量Δｄ1および第２のたわみ量Δ
ｄ2を図示しない計測装置により実測したデータに基づ
いて求められたものである。

【００２５】ここで、上記ダイアフラム４０の周縁部４
０ｃとは、受圧面４０ａに最大の被測定圧力Ｐｍが加え
られたときの上記第２のたわみ量Δｄ2がレーザ光Ｌａ0
の波長λの２分の１より小さい値の部分をいう。

【００２６】４１は、ダイアフラム４０を支持する略円
柱形状の支持部材であり、その上部には、凹部４１ａが
形成されている。また、支持部材４１の中央部には、軸
線に沿って凹部４１ａから下面４１ｃまでを連通してな
る第１の連通孔４１ｂが形成されており、支持部材４１
には、上記第１の連通孔４１ｂの同図左側に、周縁部４
０ｃに対向する部分に凹部４１ａから下面４１ｃまでを
連通してなる第２の連通孔４１ｄが形成されている。加
えて、支持部材４１には、上記第１の連通孔４１ｂの同
図右側に凹部４１ａから下面４１ｃまでを連通してなる
第３の連通孔４１ｅが形成されている。

【００２７】すなわち、支持部材４１とダイアフラム４
０との間には、内部空間４２が形成されており、上記内
部空間４２は、第３の連通孔４１ｅを介して大気開放状
態とされている。つまり、内部空間４２内部の圧力は、
大気圧Ｐａである。なお、今の場合、封止部材４３は、
設けられていないものとする。

【００２８】光ファイバ２７1（図１参照）の一端部分
は、支持部材４１の第１の連通孔４１ｂに図示しない接
着剤を介して挿通固定されており、その端面２７1ａ
は、中央部４０ｂの裏面たる反射面４０ｄに対して光学
的な第１の距離ｄ1をおいて位置している。

【００２９】一方、光ファイバ２７2の一端部分は、支
持部材４１の第２の連通孔４１ｄに図示しない接着剤を
介して挿入固定されており、その端面２７2ａは、周縁
部４０ｃの裏面たる反射面４０ｄに対して光学的な第２
の距離ｄ2をおいて位置している。これら第１の距離ｄ1
と第２の距離ｄ2とは、被測定圧力Ｐｍと大気圧Ｐａと
が等しいとき、言い換えれば、第１のたわみ量Δｄ1と
第２のたわみ量Δｄ2とが共にゼロのとき、同値であ
る。

【００３０】図１において、３０は、光／電気変換機能
を有する光パワーメータであり、光ファイバ２９1およ
び光ファイバ２９2を介して入射される第１の干渉光Ｌ
ｉ1および第２の干渉光Ｌｉ2を、各光強度に応じた第１
の電気信号Ｓｉ1および第２の電気信号Ｓｉ2に変換す
る。

【００３１】ここで、第１の干渉光Ｌｉ1および第２の
光干渉光Ｌｉ2の各光強度と第１の距離ｄ1および第２の
距離ｄ2と時間との関係を図５に示す。この図からわか
るように、第１の電気信号Ｓｉ1および第２の電気信号
Ｓｉ2の各光強度は、第１の距離ｄ1および第２の距離ｄ
2が一定値であっても、正弦波的に変化する。これは、
図１に示すレーザ光Ｌａ0が周波数変調されたものであ
るからである。

【００３２】さらに、図５に示すように、第１の干渉光
Ｌｉ1（第１の電気信号Ｓｉ1）および第２の干渉光Ｌｉ
2（第２の電気信号Ｓｉ2）の各位相は、第１の距離ｄ1
および第２の距離ｄ2が増加する方向に変化したとき、
同図に波線で示す矢印＋方向へシフトする。他方、第１
の干渉光Ｌｉ1（第１の電気信号Ｓｉ1）および第２の干
渉光Ｌｉ2（第２の電気信号Ｓｉ2）は、第１の距離ｄ1
および第２の距離ｄ2が減少する方向に変化したとき、
同図に一点鎖線で示す矢印−方向へシフトする。上述し
た第１の干渉光Ｌｉ1（第１の電気信号Ｓｉ1）および第
２の干渉光Ｌｉ2（第２の電気信号Ｓｉ2）が位相シフト
する理由については、理論式を用いて後述する。

【００３３】図１に示す３１は、図２（ａ）および
（ｂ）に各々示す上記第１の電気信号Ｓｉ1および第２
の電気信号Ｓｉ2の各波形を表示するオシロスコープで
ある。図２（ａ）および（ｂ）に実線で示す各波形は、
被測定圧力Ｐｍ（図４参照）がゼロの場合のものであ
る。

【００３４】３２は、ＣＰＵ（中央処理装置）であり、
第２の電気信号Ｓｉ2、トリガ信号Ｓｔ、演算データＤ
ｃ等に基づいて被測定圧力Ｐｍの値、被測定圧力Ｐｍの
変化の向き等を演算により求め、演算結果を測定データ
Ｄｐとして出力する。このＣＰＵ３２の動作の詳細につ
いては、後述する。

【００３５】ここで、演算データＤｃとは、前述したた
わみ比Ｎ、レーザ光Ｌａ0の中心波長λ0、第１の電気信
号Ｓｉ1の第１の初期位相φ1、第２の電気信号Ｓｉ2の
第２の初期位相φ2、第１の位相変化量／被測定圧力変
換テーブルを総称したデータをいう。この演算データＤ
ｃは、いずれも既知のデータである。

【００３６】上記第１の電気信号Ｓｉ1の第１の初期位
相φ1とは、図４に示すダイアフラム４０の受圧面４０
ａにゼロの被測定圧力Ｐｍを加えたときの、図１に示す
トリガ信号Ｓｔに対する第１の電気信号Ｓｉ1の位相を
いう。具体的には、図２（ａ）に示す例において、トリ
ガ信号Ｓｔの立ち下がりに対する第１の電気信号Ｓｉ1
の位相φ1をいい、この第１の初期位相φ1は、予めキャ
リブレーションにより求められたものである。

【００３７】また、上記第２の電気信号Ｓｉ2の第２の
初期位相φ2とは、図４に示すダイアフラム４０の受圧
面４０ａにゼロの被測定圧力Ｐｍを加えたときの、図１
に示すトリガ信号Ｓｔに対する第２の電気信号Ｓｉ2の
位相をいう。具体的には、図２（ｂ）に示す例におい
て、トリガ信号Ｓｔの立ち下がりに対する第２の電気信
号Ｓｉ2の位相φ2をいい、この第２の初期位相φ2は、
予めキャリブレーションにより求められたものである。

【００３８】また、第１の位相変化量／被測定圧力変換
テーブルとは、図１０に示すものをいい、第１の電気信
号Ｓｉ1（図２（ａ）参照）の、第１の初期位相φ1に対
する第１の位相変化量Δφ1と被測定圧力Ｐｍとの関係
を表すテーブルをいう。この第１の位相変化量／被測定
圧力変換テーブルは、予めキャリブレーションにより求
められたものである。

【００３９】図１に示す３３は、上述した演算データＤ
ｃを記憶するメモリである。３５は、表示器であり、Ｃ
ＰＵ３２より入力される測定データＤｐに応じた測定結
果たる被測定圧力Ｐｍを表示する。３４は、測定者によ
り操作されるデータ入力部であり、上述した演算データ
Ｄｃの入力に用いられる。

【００４０】次に、上述した一実施形態による圧力測定
装置の動作を説明する。圧力測定開始時において、図４
に示すダイアフラム４０の受圧面４０ａに加えられてい
る被測定圧力Ｐｍの値は、Ｐｍ１（図１０参照）である
ものとする。従って、今の場合、図４に示す第１のたわ
み量Δｄ1は、第２のたわみ量Δｄ2のＮ（たわみ比Ｎ）
倍である。

【００４１】この状態において、図１に示す装置各部に
電源が供給されると、ファンクションジェネレータ２０
より変調信号Ｓｍ（図２（ｂ）参照）およびトリガ信号
Ｓｔがドライバ２１、オシロスコープ３１およびＣＰＵ
３２へ出力される。これにより、半導体レーザ２２から
は、ランプ波形状に周波数変調されたレーザ光Ｌａ0が
出射される。このレーザ光Ｌａ0の周波数ν（ｔ）は、
中心周波数をνo、周波数偏移をΔν、図２に示す変調
信号Ｓｍの周波数をｆｍ、時間をｔとすると、次の
（１）式で表される。

【数１】

【００４２】そして、上記レーザ光Ｌａ0は、光ファイ
バ２３を介して光ファイバカプラ２４の入射端へ入射さ
れ、光ファイバカプラ２４により第１のレーザ光Ｌａ1
および第２のレーザ光Ｌａ2に２分岐され、これら第１
のレーザ光Ｌａ1および第２のレーザ光Ｌａ2は、光ファ
イバカプラ２４の各出射端より各々出射される。

【００４３】一方の第１のレーザ光Ｌａ1は、光ファイ
バ２５1内を伝搬して、光ファイバカプラ２６1の入射端
へ入射される。他方の第２のレーザ光Ｌａ2は光ファイ
バ２５2内を伝搬して、光ファイバカプラ２６2の入射端
へ入射される。そして、一方の第１のレーザ光Ｌａ1
は、光ファイバカプラ２６1の一方の出射端より出射さ
れ、さらに、光ファイバ２７1内を伝搬する。そして、
図４に示す上記第１のレーザ光Ｌａ1は、光ファイバ２
７1の端面２７1aにその一部が反射され第１の参照光Ｌs
1として第１のレーザ光Ｌａ1とは逆方向に光ファイバ２
７1内を伝搬する。この第１の参照光Ｌｓ1の電界は、振
幅をａＥ0、位相をΦ（ｔ）とすると次の（２）式で表
される。

【数２】

【００４４】他方、第１のレーザ光Ｌａ1の残りの一部
は、光ファイバ２７1の端面２７1aより出射され、第１
の出射光Ｌd1として、ダイアフラム４０の中央部４０ｂ
へ向けて内部空間４２を伝搬する。そして、上記第１の
出射光Ｌｄ1は、ダイアフラム４０の中央部４０ｂの反
射面４０ｄに反射され、第１の反射光Ｌr1として、光フ
ァイバ２７1の端面２７1aへ向けて空間を伝搬する。こ
の第１の反射光Ｌｒ1の電界は、振幅をｂＥ0、位相をΦ
（ｔ−τ）とすると次の（３）式で表される。

【数３】 この（３）式において、時間差τは、図４に示す第１の
距離ｄ1をｄ、光速をｃとすると、次の（４）式で表さ
れ、光ファイバ２７1の端面２７1aと中央部４０ｂの反
射面４０ｄとの間の光路長（２ｄ1）による伝搬時間に
対応している。

【数４】

【００４５】そして、上記第１の反射光Ｌr1は、光ファ
イバ２７1の端面２７1aより入射され、光ファイバ２７1
内を伝搬する。つまり、光ファイバ２７1内には、図４
に示す第１の参照光Ｌs1と第１の反射光Ｌr1とが伝搬す
る。そして、第１の参照光Ｌs1および第１の反射光Ｌr1
は、干渉して第１の干渉光Ｌi1として、光ファイバ２７
1内を伝搬する。ここで、上記第１の干渉光Ｌｉ1の電界
Ｅ（ｔ）は、上述した（２）式および（３）式より、次
の（５）式で表される。

【数５】

【００４６】また、上記第１の干渉光Ｌi1の光強度Ｉ
（ｔ）は、（５）式に示す電界Ｅ（ｔ）の絶対値の２乗
たる次の（６）式で表される。

【数６】 上記（６）式において、右辺第２項は第１の干渉光Ｌi1
の振動成分であり、その位相Φ（ｔ）−Φ（ｔ−τ）
は、次の（７）式で表される。

【数７】 なお、上記（７）式は、図３に示す区間［０、Ｔ］につ
いて考察したものである。

【００４７】続いて、位相Φ（ｔ）の時間微分がレーザ
光Ｌａ0の周波数ν（ｔ）であるという関係より次の
（８）式が導き出される。

【数８】 さらに、上記（８）式を（７）式に代入すると、次の
（９）式が導き出される。

【数９】

【００４８】ここで、上記（９）式の右辺において、２
πｆ_mΔντおよび２πν₀τは、各々次の（１０）式お
よび（１１）式で表される。

【数１０】

【数１１】 次に、（６）式に（９）式〜（１１）式を代入すると、
第１の干渉光Ｌｉ1の光強度Ｉ（ｔ）は、次の（１２）
式で表される。

【数１２】 ここで、（１２）式における光強度Ｉ（ｔ）の交流成分
の位相φは、第１の干渉光Ｌｉ1の中心波長をλ0とする
と、次の（１３）式で表される。

【数１３】

【００４９】また、上述した（１２）式および（１３）
式から明らかなように、第１の干渉光Ｌｉ1の光強度Ｉ
（ｔ）の位相φは、距離ｄが増加、すなわち被測定圧力
Ｐｍが減少したとき、図５に破線で示す矢印＋方向へシ
フトする。一方、上記光強度Ｉ（ｔ）の位相φは、距離
ｄが減少、すなわち被測定圧力Ｐｍが増加したとき、図
５に一点鎖線で示す矢印−方向へシフトする。従って、
上記位相φを測定することにより、次の（１４）式のご
とく、距離ｄを求めることができる。

【数１４】

【００５０】一方、図４に示す上記第２のレーザ光Ｌａ
2は、上述した第１のレーザ光Ｌａ1と同様にして、光フ
ァイバ２７2の端面２７2aにその一部が反射され第２の
参照光Ｌｓ2として第２のレーザ光Ｌａ2とは逆方向に光
ファイバ２７2内を伝搬する。他方、第２のレーザ光Ｌ
ａ2の残りの一部は、第２の出射光Ｌd2として光ファイ
バ２７2の端面２７2aより出射された後、周縁部４０ｃ
の反射面４０ｄにより反射され第２の反射光Ｌｒ2とし
て光ファイバ２７2の端面２７2aへ入射する。そして、
上記第２の反射光Ｌｒ2および第２の参照光Ｌｓ2は、干
渉して第２の干渉光Ｌｉ2として光ファイバ２７2内を伝
搬する。

【００５１】そして、図１に示す上述した第１の干渉光
Ｌi1および第２の干渉光Ｌi2は、光ファイバ２７1およ
び２７2、光ファイバカプラ２６1および２６2、ならび
に光ファイバ２９1および２９2を介して、光パワーメー
タ３０へ入力される。

【００５２】これにより、光パワーメータ３０は、第１
の干渉光Ｌｉ1および第２の干渉光Ｌｉ2を第１の電気信
号Ｓｉ1および第２の電気信号に変換する。上記第１の
電気信号Ｓｉ1および第２の電気信号Ｓｉ2は、オシロス
コープ３１およびＣＰＵ３２へ各々入力される。

【００５３】これにより、オシロスコープ３１には、図
２（ａ）および（ｂ）に各々破線でで示す第１の電気信
号Ｓｉ1および第２の電気信号Ｓｉ2が各々表示される。
すなわち、図２（ａ）に破線で示す第１の電気信号Ｓｉ
1は、みかけ上の位相がφ1’とされており、実線で示す
第１の電気信号Ｓｉ1（第１の初期位相φ1）に対して真
の位相が２Ｆπ＋φ1’だけ同図に示す矢印＋方向へシ
フトしている。なお、このＦは、前述したフリンジの次
数である。つまり、実線で示す第１の電気信号Ｓｉ1に
対する、破線で示す第１の電気信号Ｓｉ1の第１の位相
変化量Δφ1は、２Ｆπ＋φ1’であるが、オシロスコー
プ３１の表示を見ただけでは、フリンジの次数Ｆが特定
できないため正確な値を知ることができない。

【００５４】一方、図２（ｂ）に破線で示す第２の電気
信号Ｓｉ2は、位相がφ2’とされており、実線で示す第
２の電気信号Ｓｉ2（第２の初期位相φ2）に対して同図
に示す矢印＋方向へシフトしている。ここで、注意すべ
きは、前述したように、図４に示す受圧面４０ａに最大
の被測定圧力Ｐｍが加えられたときの第２のたわみ量Δ
ｄ2がレーザ光Ｌａ0の波長λの２分の１より小さい値と
されているため、第２の電気信号Ｓｉ2の第２の位相変
化量Δφ2（｜φ2−φ2’｜）は、２πを越えることが
ない。

【００５５】また、図１に示すＣＰＵ３２は、入力され
た第１の電気信号Ｓｉ1および第２の電気信号Ｓｉ2の各
位相を、図２（ａ）および（ｂ）に示すようにφ1’お
よびφ2’と求める。ここで、上記位相φ1’は、見かけ
上の位相である。次に、ＣＰＵ３２は、メモリ３３に記
憶されている第２の初期位相φ2を読み出した後、第２
の初期位相φ2から先ほど求めた位相φ2’とを減算した
ものの絶対値を、上述した第２の位相変化量Δφ2とし
て求める。

【００５６】次に、ＣＰＵ３２は、メモリ３３に記憶さ
れているたわみ比Ｎを読み出した後、これと上記第２の
位相変化量Δφ2とを乗算して、ＮΔφ2なる乗算結果を
得る。ここで、上記（ＮΔφ2）と上述した（２Ｆπ＋
φ1’）との間には、微少誤差分を考慮すればほぼ等し
いという関係が成立する。従って、ＣＰＵ３２は、（Ｎ
Δφ2）と（２Ｆπ＋φ1’）とを比較した結果に基づい
て整数のフリンジ次数Ｆを求める。すなわち、ＣＰＵ３
２は、（ＮΔφ2）および（２Ｆπ＋φ1’）に各々既知
たるＮ、Δφ2およびφ1’を代入したときの、（ＮΔφ
2）と（２Ｆπ＋φ1’）との差の絶対値が最小となる整
数のフリンジ次数Ｆを求める。

【００５７】次いで、ＣＰＵ３２は、先ほど求めた第１
の電気信号Ｓｉ1の見かけ上の位相φ1’およびフリンジ
次数Ｆを２Ｆπ＋φ1’なる式に代入して、第１の電気
信号Ｓｉ1の第１の位相変化量Δφ1を求める。

【００５８】次に、ＣＰＵ３２は、メモリ３３に記憶さ
れている第１の位相変化量／被測定圧力変換テーブル
（図１０参照）から、先ほど求めた第１の位相変化量Δ
φ1に対応する被測定圧力Ｐｍ1を求める。これにより、
表示器３５には、被測定圧力Ｐｍ1が表示される。

【００５９】以上、本発明の一実施形態を図面を参照し
て詳述してきたが、具体的な構成はこの一実施形態に限
られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の
設計変更等があっても本発明に含まれる。例えば、上述
した一実施形態による圧力測定装置においては、図１に
示すランプ波形の変調信号Ｓｍを用いてレーザ光に周波
数変調を掛けた例について説明したが、上記ランプ波形
に代えて三角波形の変調信号Ｓｍを用いてもよい。この
場合には、ファンクションジェネレータ２０として、三
角波形の変調信号Ｓｍを出力できるものを用いればよ
い。

【００６０】さらに、上述した一実施形態による圧力測
定装置においては、図４に示す内部空間４２を大気開放
として差圧計測について説明したが、第３の連通孔４１
ｅの開口部を封止部材４３により封止することにより、
内部空間４２を真空にして真空圧に対する絶対圧計測が
できるように構成してもよい。

【００６１】以上説明したように本発明の一実施形態に
よる圧力測定装置によれば、周波数変調されたレーザ光
Ｌａを用いて、さらに２本の第１の光ファイバ２７1お
よび２７2により第１の干渉光Ｌｉ1および第２の干渉光
Ｌｉ2の位相変化を求めているので、圧力変化の向きを
容易に知ることができるととも、絶対圧力を測定するこ
とができるという効果が得られる。

【００６２】また、一実施形態による圧力測定装置によ
れば、第２の干渉光Ｌｉ2の第２の位相変化量Δφ2にた
わみ比Ｎを乗算した値に基づいて、第１の電気信号Ｓｉ
1（図２（ａ）参照）のフリンジ次数Ｆを特定した後、
第１の電気信号Ｓｉ1の第１の位相変化量Δφ1を２Ｆπ
＋φ1’なる式から正確に求めているので、誤差が累積
されることがなく、高い精度で前述したインクリメンタ
ル測定を行うことができるという効果が得られる。

【００６３】さらに、一実施形態による圧力測定装置に
よれば、光のうなりたる第１の干渉光Ｌｉ1および第２
の干渉光Ｌｉ2の第１の位相変化量Δφ1および第２の位
相変化量Δφ2に基づいて圧力測定しているので、光源
の強度や光ファイバ２７1、２７2等が受ける外乱の影響
をほとんど受けることがなく、従って高精度で圧力測定
を行うことができるという効果が得られる。

【００６４】

【発明の効果】本発明によれば、周波数変調されたレー
ザ光を用いて、さらに２本の第１および第２の光ファイ
バにより第１の干渉光および第２の干渉光の位相変化を
求めているので、圧力変化の向きを容易に知ることがで
きるととも、絶対圧力を測定することができるという効
果が得られる。

【００６５】さらに、本発明によれば、光のうなりたる
第１の干渉光および第２の干渉光の第１の位相変化量お
よび第２の位相変化量に基づいて圧力測定しているの
で、光源の強度や第１および第２の光ファイバ光ファイ
バ等が受ける外乱の影響をほとんど受けることがなく、
従って高精度で圧力測定を行うことができるという効果
が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態による圧力測定装置の構
成を示す図である。

【図２】 図１に示す第１の電気信号Ｓｉ1および第２
の電気信号Ｓｉ2の各波形を示す図である。

【図３】 図１に示すレーザ光Ｌａ0の光周波数νの変
化を示す図である。

【図４】 図１に示す圧力センサ２８の構成を示す拡大
断面図である。

【図５】 本発明の一実施形態による圧力測定装置にお
ける第１の距離ｄ1（第２の距離ｄ2）、第１の電気信号
Ｓｉ1（第２の電気信号Ｓｉ2）および時間の相互関係を
示す３次元グラフである。

【図６】 図４に示す圧力センサ２８における被測定圧
力Ｐｍと第１のたわみ量Δｄ1（第２のたわみ量Δｄ2）
との関係を示すグラフである。

【図７】 従来の圧力測定装置の構成を示すブロック図
である。

【図８】 図７に示す圧力センサ６の構成を示す断面図
である。

【図９】 従来の圧力測定装置における干渉光Ｌｉの光
強度、たわみ量Δｄおよび時間の相互関係を示す３次元
グラフである。

【図１０】 本発明の一実施形態による圧力測定装置に
おける第１の電気信号Ｓｉ1の第１の位相変化量Δφ1と
被測定圧力Ｐｍとの関係を示すグラフである。

【図１１】 従来の圧力測定装置における被測定圧力Ｐ
ｍとフリンジの次数Ｆとの関係を示すグラフである。

【符号の説明】

２０ ファンクションジェネレータ ２１ ドライバ ２２ 半導体レーザ ２３ 光ファイバ ２４ 光ファイバカプラ ２５1 光ファイバ ２５2 光ファイバ ２６1 光ファイバカプラ ２６2 光ファイバカプラ ２７1 光ファイバ ２７2 光ファイバ ２８ 圧力センサ ２９1 光ファイバ ２９2 光ファイバ ３０ 光パワーメータ ３１ オシロスコープ ３２ ＣＰＵ ３３ メモリ ３４ データ入力部 ３５ 表示器 ４０ ダイアフラム ４１ 支持部材 Ｌａ0 レーザ光 Ｌａ1 第１のレーザ光 Ｌｓ1 第１の参照光 Ｌｄ1 第１の出射光 Ｌｒ1 第１の反射光 Ｌｉ1 第１の干渉光 Ｌａ2 第２のレーザ光 Ｌｓ2 第２の干渉光 Ｌｄ2 第２の出射光 Ｌｒ2 第２の反射光 Ｌｉ2 第２の干渉光 Δｄ1 第１のたわみ量 Δｄ2 第２のたわみ量 ｄ1 第１の距離 ｄ2 第２の距離 Ｓｉ1 第１の電気信号 Ｓｉ2 第２の電気信号 Ｐｍ 被測定圧力 Δφ1 第１の位相変化量 φ1 第１の初期位相 φ2 第２の初期位相 Ｉ 駆動電流 Ｓｍ 変調信号 Ｓｔ トリガ信号 Ｄｃ 演算データ Ｄｐ 測定データ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−5028（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−219528（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−260617（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01L 9/00 G01H 9/00 G01L 23/06 G01L 1/24

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定圧力に応じて第１および第２のた
   わみ量をもってたわむ第１および第２の部分を有し前記
   第１のたわみ量が前記第２のたわみ量のＮ倍とされてお
   り、かつレーザ光を反射するダイアフラムであって、最
   大の被測定圧力が加えられたとき前記第２のたわみ量が
   前記レーザ光の２分の１波長より小とされているダイア
   フラムと、 所定周期でリニアに変化する波形状に周波数変調された
   前記レーザ光を発生するレーザ光発生手段と、 前記レーザ光を２分岐する分岐手段と、 前記分岐手段により分岐された一方のレーザ光を前記ダ
   イアフラムの前記第１の部分へ導く第１の光ファイバ
   と、 前記分岐手段により分岐された他方のレーザ光を前記ダ
   イアフラムの前記第２の部分へ導く第２の光ファイバ
   と、 前記一方のレーザ光の一部が前記第１の光ファイバの端
   面に反射された第１の参照光と、前記一方のレーザ光の
   残り一部が前記第１の部分に反射され前記端面に入射し
   た第１の反射光との第１の干渉光を第１の電気信号に変
   換する第１の変換手段と、 前記他方のレーザ光の一部が前記第２の光ファイバの端
   面に反射された第２の参照光と、前記他方のレーザ光の
   残り一部が前記第２の部分に反射され前記端面に入射し
   た第２の反射光との第２の干渉光を第２の電気信号に変
   換する第２の変換手段と、 前記第２の電気信号の第２の位相変化量を求め、該第２
   の位相変化量に前記たわみ比Ｎを乗じた乗算結果に基づ
   いて、前記第１の干渉光のフリンジ次数を求めるフリン
   ジ次数算出手段と、 前記フリンジ次数算出手段により算出されたフリンジ次
   数に基づいて、前記第１の電気信号の第１の位相変化量
   を求める位相変化量算出手段と、 前記第１の位相変化量に基づいて、前記被測定圧力を求
   める圧力算出手段と、を具備することを特徴とする圧力
   測定装置。
2. 【請求項２】 前記第１の位相変化量と前記被測定圧力
   との関係を表す変換テーブルを記憶する記憶手段とを有
   し、 前記圧力算出手段は、求めた前記第１の位相変化量を前
   記変換テーブルに適用することにより、前記被測定圧力
   を求めること、 を特徴とする請求項１に記載の圧力測定装置。
3. 【請求項３】 前記第１および前記第２の光ファイバの
   各先端部分を各々支持するとともに、自身と前記ダイア
   フラムの反射面との間に形成された空間を大気開放状態
   として前記ダイアフラムを支持する支持部材、 を具備することを特徴とする請求項１または２に記載の
   圧力測定装置。
4. 【請求項４】 前記第１および前記第２の光ファイバの
   各先端部分を各々支持するとともに、自身と前記ダイア
   フラムの反射面との間に形成された空間を真空状態とし
   て前記ダイアフラムを支持する支持部材、 を具備することを特徴とする請求項１または２に記載の
   圧力測定装置。
5. 【請求項５】 前記レーザ光発生手段は、ランプ波形状
   に周波数変調された前記レーザ光を発生すること、 を特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の圧力
   測定装置。
6. 【請求項６】 前記レーザ光発生手段は、三角波形状に
   周波数変調された前記レーザ光を発生すること、 を特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の圧力
   測定装置。
7. 【請求項７】 被測定圧力に応じて第１および第２のた
   わみ量をもってたわむ第１および第２の部分を有し前記
   第１のたわみ量が前記第２のたわみ量のＮ倍とされてお
   り、かつレーザ光を反射するダイアフラムであって、最
   大の被測定圧力が加えられたとき前記第２のたわみ量が
   前記レーザ光の２分の１波長より小とされているダイア
   フラムと、所定周期でリニアに変化する波形状に周波数
   変調された前記レーザ光を発生するレーザ光発生手段
   と、前記レーザ光を２分岐する分岐手段と、前記分岐手
   段により分岐された一方のレーザ光を前記ダイアフラム
   の前記第１の部分へ導く第１の光ファイバと、前記分岐
   手段により分岐された他方のレーザ光を前記ダイアフラ
   ムの前記第２の部分へ導く第２の光ファイバと、前記一
   方のレーザ光の一部が前記第１の光ファイバの端面に反
   射された第１の参照光と、前記一方のレーザ光の残り一
   部が前記第１の部分に反射され前記端面に入射した第１
   の反射光との第１の干渉光を第１の電気信号に変換する
   第１の変換手段と、前記他方のレーザ光の一部が前記第
   ２の光ファイバの端面に反射された第２の参照光と、前
   記他方のレーザ光の残り一部が前記第２の部分に反射さ
   れ前記端面に入射した第２の反射光との第２の干渉光を
   第２の電気信号に変換する第２の変換手段と、前記第１
   および第２の電気信号を表示する表示手段とを有する圧
   力測定装置において、 前記表示手段に表示された前記第２の電気信号の第２の
   位相変化量を求め、該第２の位相変化量に前記たわみ比
   Ｎを乗じた乗算結果に基づいて、前記第１の干渉光のフ
   リンジ次数を求める第１の過程と、 前記第１の過程において算出されたフリンジ次数に基づ
   いて、前記第１の電気信号の第１の位相変化量を求める
   第２の過程と、 前記第１の位相変化量に基づいて、前記被測定圧力を求
   める第３の過程と、 からなることを特徴とする圧力測定装置を用いた圧力測
   定方法。