JP3736156B2 - ブラッググレーティング圧力センサ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は波長変化特性により圧力を計測するブラッググレーティングセンサに関し、特に、水圧を計測するのに好適な圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバは、軽量でかつ細径であるため、狭い空間での使用が可能であること、絶縁体であるために電磁ノイズに強く高圧電領域での計測が容易に可能なこと、またファイバが石英ガラスを素材としていることで高温や可燃性ガス雰囲気中でも使用可能であるという特徴がある。この様な特徴を生かして、ファイバを用いた様々なセンサの研究がされている。その中の光ファイバ圧力センサとしては、従来技術として図７に図示する様な方法がある。
【０００３】
図７において、100 は発光ダイオード(LED) やスーパルミネッセンスダイオード(SLD) の様な光源で、102 は光源100 から出射された光を光ファイバ103 へ集光するためのレンズである。光ファイバ103 の一部は、圧力センシング部104 が設置されている。105 は光ファイバ103 から出射される光量を検出する検出器である。この様な圧力センシング部104 の詳細を図８に図示する。図８において、106 は圧力を受ける受圧治具で、内側が波形状となっている部材を向かい合わせて組み合わせてある。この波形状の間に、光ファイバ103 を挟むことにより、圧力センシング部104 を構成することができる。
【０００４】
かかる構成において、圧力センシング部104 の動作原理は、圧力により受圧治具106 が変位し光ファイバ103 を圧迫する。光ファイバ103 は周期の短い不規則な曲がりが加わるとマイクロベンド損と呼ばれる損失を生じる。受圧治具106 は圧力によって光ファイバ103 にこのマイクロベンド損を発生させることで、光ファイバ103 を伝搬する光量が損失し検出器105 で計測される光量が下がる。
【０００５】
マイクロベンド損失と圧力とは比例関係にあるので、検出器出力と圧力を対応させることで圧力の計測が可能である。
この詳細な例として、特開平7-306109が開示されている。この開示例はエンジン制御のためのシリンダ内の圧力計測である。図９において、圧力センサは、ガスケット140 に形成された溝110a,110b,110c内に、ベース部120aとダイアフラム121 を中央部に有するダイアフラム部120bとの間に光ファイバ150 を挟んでなる圧力センシング部を挿入して、内圧シール手段130 でシールして構成され、シリンダ内の圧力は内圧導入口111 より導入される。
【０００６】
かかる構成において、内圧導入口111 よりシリンダ内の圧力が導入され、ダイアフラム121 を変位させて光ファイバ150 の一部を変形させ、光ファイバ150 にマイクロベンド損を発生させて光ファイバ150 を透過する光量を減衰させる。この透過光量を計測することによりシリンダ内圧を計測することができる。
【０００７】
この様な圧力センサにおける課題の一つに光源光量の安定化がある。このセンサの検出原理は、前述の様に光ファイバを透過する光量変化を検出するので、圧力が０のときの光量が、光源の劣化や温度などの変動により、安定性が損なわれると圧力検出精度が低下するという問題がある。
【０００８】
またこの対策として、図10に図示する様な干渉方式がある。図10において、圧力センサは、圧力センシング部104 の受圧の影響を受けて変位・変形する圧力検出用光ファイバ103aと、並列に設置され圧力の影響を受けない参照用光ファイバ103bとを備え、光源100 からの光を２分岐して光ファイバ103a,103b の一方の端面に入射し、他方の端面から出射する光を検出器105 で計測する。両光ファイバ103a,103b の光路長は、光ファイバ103aが圧力０のとき、両光ファイバ103a,103b から出射し、検出器105 で受光する光波が干渉して光波がゼロとなる様に構成する。
【０００９】
かかる構成により、光源の劣化や温度などの変動により、上述の圧力が０のときの圧力検出精度が低下の問題を解決することができるが、検出装置が高価となる欠点がある。
【００１０】
また、上述の様な量検出方式あるいは干渉方式は、計測可能な測定点は１点の圧力しか計測できない方法であるため、多点の圧力を計測しようとする場合、その計測点数に対応した光源と検出器を用意するか、１×Ｎ個の光スイッチを用いてスキャニングする方法を用いる必要がある。
【００１１】
前者の光源と検出器を測定点数に合わせて用意する方法は、センサ数に比例して使用する光ファイバの長さ、本数ともに増えるためコストが非常に高価となりシステムとして大型化してしまう。また、後者の光スイッチの方法では、光スイッチの損失特性の影響が加わるため誤差要因が多くなるという問題がある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
この様に、従来技術による方法での課題を整理すると、従来技術の光ファイバ圧力センサでは、第１の課題は、光源の光量を非常に安定化して圧力センサに光を伝播させなくてはならないこと、第２の課題は、この検出原理が多点の圧力計測には適さないという課題がある。
【００１３】
本発明は上記の点にかんがみてなされたものであり、その目的は前記した課題を解決して、光源の光量の変動の影響の少ない、かつ、多点の圧力計測に適したブラッググレーティング圧力センサを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明においては、力を受け変位するセンシング部と、このセンシング部に設けられる光導波路と、この光導波路の一部に形成された変位検出用ブラッググレーティング（以下、ブラッググレーティングをＢＧと略称する）と、前記光導波路の一部で変位検出用ＢＧの近傍領域に設置される補償用ＢＧと、を備えるものとする。
かかる構成により、この補償用ＢＧのブラッグ波長を測定することにより補償値を導出し、この補償値を用いて変位検出用ＢＧの特性を補償することができる。
【００１５】
また、力を受け変位するセンシング部はダイアフラムとし、光導波路は光ファイバとし、このダイアフラムの変位箇所に光ファイバの一部に形成された圧力検出用光ファイバブラッググレーティング（以下、ＦＢＧと略称する）と、この圧力検出用ＦＢＧの近傍領域でダイアフラムの圧力変化の影響の少ない箇所に温度補償用ＦＢＧと、を設置するものとする。
【００１６】
かかる構成により、この温度補償用ＦＢＧのブラッグ波長を測定することにより温度を導出し、この温度を用いて圧力検出用ＦＢＧの温度特性を補償することができる。
【００１７】
また、圧力検出用ＦＢＧと温度補償用ＦＢＧは、光ファイバ上に形成されたＦＢＧ箇所とは別箇所をＵ字型に曲げて接続する、あるいは、同一光ファイバ上に形成された圧力検出用ＦＢＧと温度補償用ＦＢＧとは別箇所をＵ字型に曲げることができる。
【００１８】
また、ダイアフラムと圧力検出用ＦＢＧは、接着剤を用いて固定することができる。
また、光ファイバが塑性変形する温度以下でダイアフラムに使用されている材料と接合可能な金属材料を圧力検出用ＦＢＧにコーティングし、この圧力検出用ＦＢＧと、ダイアフラムとを金属による溶融接合をすることができる。
【００１９】
また、ダイアフラムはシリコンダイアフラムとし、少なくとも、光ファイバに形成される圧力検出用ＦＢＧ部分はシリコンと静電接合が可能なパイレックスガラスをコーティングし、この圧力検出用ＦＢＧと、シリコンダイアフラムとを静電接合することができる。
【００２０】
また、力を受け変位するセンシング部はダイアフラムとし、このダイアフラム上にチャンネル導波路を一体に形成し、このチャンネル導波路のダイアフラムの変位箇所の一部に形成される圧力検出用ブラッググレーティング（ＢＧ）と、この圧力検出用ＢＧの近傍領域でダイアフラムの圧力変化の影響の少ない箇所に一体に形成される（光導波路の）温度補償用ＢＧと、を備えるものとする。
かかる構成により、この温度補償用ＢＧのブラッグ波長を測定することにより温度を導出し、この温度を用いて圧力検出用ＢＧの温度特性を補償することができる。
【００２１】
また、チャンネル導波路はリッジ型導波路とし、圧力検出用ＢＧおよび温度補正用ＢＧはリッジ型導波路上に導波路と同じ材料を用いて周期的な凹凸構造を設けてブラッグ回折条件を満たすＢＧを構成することができる。
また、チャンネル導波路はコア埋込み型導波路とし、圧力検出用ＢＧおよび温度補正用ＢＧはその一部にＢＧを構成することができる。
【００２２】
また、圧力検出用ＢＧおよび温度補正用ＢＧは、ダイアフラム上に構成する光導波路のコア部に、ゲルマニウム、セリウム、エルビウムあるいはユーロビュームをドープして感光性を付与し、紫外線領域の光による干渉縞に曝すことによりＢＧを製作することができる。
【００２３】
また、圧力検出用ＢＧおよび温度補正用ＢＧは、チャンネル導波路のコア部に導波方向と直角方向に周期的に切り欠き部分を形成し、このコア部の切り欠き部分およびコア部の周辺部にクラッド材で充填して構成することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施例としての光導波路を用いたＢＧ変位センサの要部構成図、図２は本発明の一実施例によるＢＧ変位センサの特性図、図３は本発明の一実施例としての光ファイバを用いたＦＢＧ圧力センサの要部構成図、図４は静電接合を行うための光ファイバの処理方法を説明する説明図、図５はリッジ型導波路のＢＧ圧力センサのダイアフラム断面斜視図、図６はコア埋込み型導波路のＢＧ圧力センサのダイアフラム断面斜視図であり、図11〜図14は他文献を引用して本発明の概念を説明する図であり、図11は光導波路にＢＧを形成する原理図、図12は光導波路のＢＧの動作説明図、図13は光導波路ＢＧセンサの説明図、図14は光導波路ＢＧセンサの製造方法の説明図である。
【００２５】
図１において、ブラッググレーティング変位センサは、力を受け変位するセンシング部６と、このセンシング部６の変位箇所に設置される光導波路１の一部に形成された変位検出用ＢＧ３と、センシング部６の変位影響の少ない箇所で変位検出用ＢＧ３の近傍領域に設置される補償用ＢＧ４と、を備えて構成される。
【００２６】
かかる構成により、光導波路１は、図示省略された光源からの入射光(1E)の内、センシング部６上にある変位検出用ＢＧ３およびセンシング部６の変位影響の少ない箇所に設置される補償用ＢＧ４から後述する屈折率変化周期と屈折率とから定まる特定な波長（ブラッグ波長）の光信号が選択的に反射される。この補償用ＢＧ４のブラッグ波長を測定することにより例えばセンシング部６の周辺温度を検出し、この補償値を導出し、この補償値を用いて変位検出用ＢＧ３の温度特性などを補償することができる。
【００２７】
このＢＧ変位センサの実施形態としては、光導波路１として光ファイバ1Aを用いた実施形態１と、光導波路１としてチャンネル導波路2A,2B を用いた実施形態２があり、また、力を受け変位するセンシング部６は、本発明ではダイアフラム61で説明するが、微小な変位が許容される力平衡型の各種機構を有するセンサに適用することができる。
〔実施形態１〕
図３において、力を受け変位するセンシング部６は、ダイアフラム61とし、光導波路１は光ファイバ1Aとし、このダイアフラム61の変位箇所に光ファイバ1Aの一部に形成された圧力検出用ＦＢＧ31を設置し、この圧力検出用ＦＢＧ31の近傍領域でダイアフラム61の圧力変化の影響の少ない箇所に温度補償用ＦＢＧ41を設置して構成される。ダイアフラム61は、例えば、ベース５に凹部51を構成しこの中央部分に圧力検出用ＦＢＧ31を、また、ダイアフラム61の近傍であるが凹部51が構成されていない箇所に温度補償用ＦＢＧ41を、実施例で後述する接着法あるいは接合法によって固定することができる。
【００２８】
かかる構成により、温度補償用ＦＢＧ31のブラッグ波長を測定することにより補償温度を導出し、この補償温度を用いて圧力検出用ＦＢＧ31の温度特性を補償することができる。
〔実施形態２〕
図５（図６）において、力を受け変位するセンシング部６は、ダイアフラム61とし、このダイアフラム61上にチャンネル導波路2A(2B)を形成し、このチャンネル導波路2A(2B)のダイアフラムの変位箇所の一部に形成される圧力検出用ＢＧ32(33)と、図示省略されているが、この圧力検出用ＢＧ32(33)の近傍領域でダイアフラム61の圧力変化の影響の少ない箇所に形成される（光導波路の）温度補償用ＢＧ42と、を備え、この温度補償用ＢＧ42のブラッグ波長を測定することにより補償温度を導出し、この補償温度を用いて圧力検出用ＢＧ32(33)の温度特性を補償することができる。
【００２９】
このようなシリコンを用いたダイアフラムとＢＧとを一体構造として構成する方法として電気学会誌1997年12月号 832〜835 頁で羽根氏に紹介された「光マイクロマシン」の技術を用いることができる。この技術を用いることにより、上述したＦＢＧに金属をコーティングし金属のダイアフラムと溶融接合する方法、あるいは、静電接合により結合する方法よりも、より信頼性の高いセンサを構成することができる。即ち、実施形態２では、接合工程がなくダイアフラムの一部としてＢＧを作り込むことができるため、接合部が剥がれる可能性がないからである。
【００３０】
【実施例】
はじめに、光導波路１にＢＧあるいは、光ファイバ11にＦＢＧを形成する方法について説明する。図11において、図示例は光ファイバ11が図示されているが、光導波路１についても同様な原理で形成することができるので、光ファイバ11で説明する。圧力検出用ＦＢＧ31あるいは温度補償用ＢＧ42に用いる光ファイバ1Aは、コア11ａとクラッド11b とからなるシングルモード光ファイバ11のブラッググレーティング（ＢＧ）形成箇所に、予め定められた格子間隔で一方の面に微小な凹凸面81を有するフェーズマスク８を介して、エキシマレーザなどの紫外線光（248nm のＵＶ光）９を照射して形成する。このＵＶ光９は、フェーズマスク８の微小な凹凸面81での回折光9A,9B の干渉により、フェーズマスク８の予め定められた格子間隔で定まる干渉縞を作り、この干渉縞で感光性光ファイバ11のＢＧ形成箇所を照射することで、コア11ａ内の局部的な化学変化によって、周期的な屈折率変化をもたせたものである。
【００３１】
次に、図12によりＦＢＧの動作を説明する。図12において、光ファイバ11のコア11ａを伝送する入射光1Eは、この周期的に屈折率が変化するブラッググレーティング（ＢＧ）12がある部分で、部分反射された多数の後進波（反射波）1Fが発生する（ブラッグ回折）。この関係は、後進波1Fの波長をλB 、コアの屈折率をｎ、屈折率変化の周期をΛとすると、 (1)式で示される。
【００３２】
【数１】
λB ＝２ｎΛ・・・・・・(1)
この後進波（以下、反射波と呼ぶ）1Fの波長λB をブラッグ波長と呼ぶ。このブラッグ波長λB は、光ファイバ11に加わる歪みや温度の影響により、光ファイバ11のＦＢＧ12の部分が伸縮されたり、曲げられたりすることにより、コア11ａ内の屈折率変化周期Λが変化し、ブラッグ波長λB が変化することを利用して、センサとして使用することができる。
〔実施例１〕
この様なＦＢＧ12を用いたＦＢＧ圧力センサの実施例を図３に図示する。図３において、31は圧力検出用ＦＢＧ部で、例えば SUSやハステロイ、アルミなどの金属材料からなるダイアフラム61の上に接着や接合により固定されている。41は温度検出用ＦＢＧ部であり、圧力検出の温度を補償するためにダイアフラム61の近くに、接着や接合の手段を用いて、ベース５の上に設置される。なお、図示例では、同一光ファイバ1A上に圧力検出用ＦＢＧ31および温度検出用ＦＢＧ41が形成され、このＦＢＧ31、41が形成された箇所とは別箇所の光ファイバ1Aの一部がＵ字状に曲げて、ダイアフラムの近傍に設置される。
【００３３】
ダイアフラム61とベース５は、図３の(B) に図示する様に、同一部材でダイアフラム61を構成する箇所だけ薄くして凹部51を形成して構成するか、あるいは、ベース５とは別の部材を用いてダイアフラム61部分を溶接して構成してもよい。ダイアフラム61への光ファイバ1Aの固定方法については実施例２で後述する。
【００３４】
かかる構成において、圧力がダイアフラム61に加わると、ダイアフラム61が変形し、この変形によってダイアフラム61に固定された圧力検出用ＦＢＧ31が伸縮し、ＢＧ間隔Λも変化し、(1) 式に従い、ブラッグ波長λB が変化する。
【００３５】
図３の(B) において、この圧力センサにおけるブラッグ波長λB 変化と圧力との関係について説明する。厚さｈが均一なダイアフラム61が圧力ｐを受けたとき、ダイアフラム61の中心から半径ｒの位置におけるダイアフラムの変位ｘは、S.P.チモシェンコ「板とシェルの理論」（ブレイン図書出版株式会社1973）によれば(2) 式で示すことができる。
【００３６】
【数２】
【００３７】
ここで、ν：ポアソン比
ａ：ダイアフラム半径
ＥD ：ダイアフラムの弾性係数
ダイアフラム61が加圧され変位したときに、圧力検出用ＦＢＧ31もダイアフラム61と同様に変形するものとすると、(2) 式による変位ｘからＦＢＧ31の伸びが計算できる。簡単化のためにＦＢＧ31の屈折率ｎは、この変形ｘでは変化しないものとし、かつ温度によるブラッグ波長λB 変化もないものと仮定すれば、(1) 式により波長λB 変化を計算することができる。
【００３８】
一例として図２にSUS316で厚さ0.5mm,直径55mmのダイアフラム61と圧力ｐによる変位ｘの計算した結果を示す。この例では、１bar で180pm 程度のブラッグ波長λB 変化を見込むことができる。
【００３９】
しかし実際には、周知の様にＦＢＧ31は, 温度の影響によってもブラッグ波長λB が変化する。ブラッグ波長λB の変化は、(1) 式からグレーティングＢＧ周期間隔Λと屈折率ｎにより決定されるが、図３の実施例では、ダイアフラム61上に固定されているため、このダイアフラム61の材料による線膨張係数と光ファイバ1Aの材料である溶融石英の線膨張係数の２つに影響されて変化する。
【００４０】
光ファイバ1Aと線膨張係数が異なる材料との接着または接合された状態における温度変化によるＦＢＧ31のブラッグ波長λB の変化は、水波徹「ファイバーグレーティング温度センサ」（O plus E, No.205）によれば(3) 式で示すことができる。
【００４１】
【数３】
【００４２】
ここで、ΔλB ：波長シフト量
λB ：ブラッグ反射波長
α ：石英の熱膨張係数 0.55×10-6 (1/°C)
ξ ：屈折率の温度変化を示す熱光学係数 8×10-6 (1/°C)
ｐe ：光弾性係数 0.22
αS ：ベースの熱膨張係数
図３の実施例においては、この温度特性を補償するために圧力検出用ＦＢＧ31と温度補償用ＦＢＧ41を用いている。この圧力検出用ＦＢＧ31と温度検出用ＦＢＧ41は、中心波長λB を変えておき、お互いに干渉しない様にして温度補正用ＦＢＧ41はダイアフラム61の圧力感度を補正するため、なるべくダイアフラム61の近傍で、かつ、ダイアフラム61の変位ｘの影響を受けない所（あるいは変位ｘの影響の少ない所）に設置すれば、ＦＢＧ31、ＦＢＧ41のブラッグ波長をそれぞれλB1、λB2とすれば、圧力をｐ、温度をＴとしたとき、λB1は圧力ｐ、温度Ｔの関数として(4) 式で表すことができる。
【００４３】
【数４】
【００４４】
また、圧力検出用ＦＢＧ31と温度補償用ＦＢＧ41が近傍にあり同一温度と仮定し、さらに温度補償用ＦＢＧ41は圧力ｐの影響を受けないとすれば、λB2は温度Ｔの関数として(5) 式で表すことができる。
【００４５】
【数５】
【００４６】
(5) 式からλB2を測定して温度Ｔを求め、別に測定して求めたλB1とこの温度Ｔを（４）式に代入することにより、圧力ｐを求めることができる。
【００４７】
以上、ここでは光ファイバ11に圧力検出用ＦＢＧ31と温度検出用ＦＢＧ41を形成し、温度検出用ＦＢＧ41で測定した波長λB2から補償温度Ｔを求め、別に圧力検出用ＦＢＧ31で測定して求めた波長λB1と補償温度Ｔから圧力ｐを求める原理は、光導波路１に対しても同様に拡張して展開することができる。即ち、光導波路１に圧力検出用ＢＧ３と温度検出用ＢＧ４を形成し、温度検出用ＢＧ４で測定した波長λB2から補償温度Ｔを求め、圧力検出用ＢＧ３で測定して求めた波長λB1と補償温度Ｔから圧力ｐを求めることができる。
〔実施例２〕
次に、ダイアフラム61への光ファイバ1Aの固定方法について詳細に説明する。ブラッググレーティング（ＦＢＧ）が形成される光ファイバ1Aは、溶融石英であるコア(11a) とクラッド(11b) およびクラッド(11b) の周囲を囲むコーティング層の３層構造であることが多い。ブラッググレーティング（ＦＢＧ）は、上述の第３層であるコーティング層を剥がした状態の光ファイバ1Aを紫外線例えば波長248nm のＵＶ光で形成した干渉縞の中にさらし、ブラッググレーティングＦＢＧ31を書き込みした後、第３層であるコーティング層を再コーティングして製作される。このため、ダイアフラム61にＦＢＧ31を接着する場合には、コーティング材料とダイアフラムとの接着となる。従って、ダイアフラム61の材料が金属や樹脂、あるいはガラスなどであれば、室温から 150°C 位の使用温度範囲であれば、エポキシ系接着剤が適用可能であり、また、使用温度範囲が 300°C 位であればポリイミド系接着剤が適用可能である。
〔実施例３〕
また、ダイアフラム61と光ファイバ1Aとの固定において信頼性が要求される場合は、接着では対応しきれない場合がある。適用される周辺環境条件が悪く、特に、酸性ガスや有機溶剤を含む液体などに浸される場合などでは、接着剤の耐環境性に問題を発生することがある。この様な場合には接合技術が用いられる。
【００４８】
例えば、ハンダ接合を行う場合について説明する。ダイアフラム61がステンレスの場合、直接ハンダを用いて接合することはできない。この様な場合は、例えば、ダイアフラム61の上に第１層としてクロム、そしてこのクロムの上の第２層として金あるいはニッケルを蒸着技術あるいはスパッタリング技術などにより膜を形成する。
【００４９】
また、光ファイバ1A側もハンダコーティング処理されたＦＢＧ31,41 か、あるいは、金などをコーティング処理したＦＢＧ31,41 を用意し、成膜処理されたダイアフラム61とコーティング処理された光ファイバ1AのＦＢＧ31,41 の両者をハンダの融点まで加熱することで接合することで接合が可能となる。
【００５０】
この光ファイバのＦＢＧ部分に対するハンダコーティング処理技術は、例えば、Likarn Wang が「Thermal Performance of a Solder coated Fiber Bragg Grating Sensor 」（IEEE LEOS Annual Meeting 10th Vol.2 ）の論文で紹介しており、また、コマーシャルベースでも、アルミや金の金属をコーティングした光ファイバ1Aが市販されている。
【００５１】
この様に、ハンダと接合可能な金属がコ―ティングされたＦＢＧ31,41 をダイアフラム61上におき、さらに接合が必要な部分にだけテープ型の幅の広いハンダを用いてかぶせ、ハンダの融点まで加熱し、溶融後冷却すればＦＢＧ31,41 と金属ダイアフラム61とを接合することが可能である。
【００５２】
このハンダの融点は、低融点ハンダであれば 120°C 位であり、ＦＢＧ31,41 において問題のない使用温度範囲である。この様な接合技術が適用可能条件は、光ファイバ1Aの軟化温度以下であること、光ファイバ1Aの素材である溶融石英へのコーティング処理が可能な材料とダイアフラム61の材料である金属が接合可能であることなどが必要である。
〔実施例４〕
次に、他の接合技術として静電接合を用いる場合を説明する。この静電接合を用いる場合は、特に、ダイアフラム61がシリコンで構成された場合であり、このダイアフラム61と光ファイバ1Aとの接合技術について説明する。
【００５３】
シリコンで構成されたダイアフラム61と光ファイバ1Aとの接合技術で問題となるのはガラス側である光ファイバ1Aの処理方法である。シリコンとガラスとの静電接合は、ガラス中の酸素イオン(O2-) とシリコンとの反応によって静電接合が行われるものである。このため、ガラスの中には酸素イオン(O2-) をキャリヤする酸化ナトリュム(Na2O)の存在が必要となり、パイレックスガラスが一般的に用いられる。
【００５４】
図４において、光ファイバ1Aは円柱状であるため接合面積が取れない。従って、光ファイバ1Aのクラッド11b の一部切削部11d を研磨により切削し、平面切削部 11eを形成し、この後、光ファイバ1Aの周囲にパイレックスガラス11c をスパッタリングにて着ける。あるいは、図示省略されているが、光ファイバ1Aにパイレックスガラス11c をスパッタリングで着けた後、パイレックスガラスを残す様にして光ファイバ1Aの一部を研磨して平面部を形成する。この様な加工処理を行うことにより、パイレックスガラス11c とシリコンとの接合となるので、静電接合技術の適合が可能となる。
【００５５】
また、他の静電接合技術の適合として、予め、光ファイバ1Aに酸化ナトリュム(Na2O)ドーピングし、光ファイバ1Aの側面を研磨することにより接合面積を確保して、静電接合することも可能である。
〔実施例５〕
この様なダイアフラム61上に固定した圧力検出用ＦＢＧ31と、同じ基板５上に固定した温度検出ＦＢＧ41により圧力センサを構成することで、ＦＢＧ31,41 が波長検出型であることから、劣化や周囲温度変化により光源光量が変化しても測定精度に影響を受けず、また、圧力検出用ＢＧ31と温度検出用ＢＧ41の対において、各対毎のブラッグ波長を変えて、この対を直列に接続することで多点の圧力計測を行えるメリットがある。
〔実施例６〕
次に第２実施形態の実施例として、シリコンを用いたダイアフラムとＢＧとを一体構造として構成した例について説明する。
【００５６】
MOEMS*97 Technical Digest に記載された「Distributed Optical Bending Sensor with Bragg Gratings in Optical Waveguide 」には、図13に図示するブラッググレーティングＢＧを用いた光導波路センサが開示されている。図13において、コア72とクラッド75とからなる光導波路にグレーティング周期間隔（Λ1,Λ2,Λ3)が異なるブラッググレーティング（ＢＧ1,ＢＧ2,ＢＧ3)を構成し、入射光1Eを入射すると、それぞれのＢＧが形成された箇所からグレーティング周期間隔（Λ1,Λ2,Λ3)に対応するブラッグ波長（λ1,λ2,λ3)の反射光1Fが戻ってくる。このブラッグ波長（λ1,λ2,λ3)を測定することにより、ＢＧが形成された各箇所からの計測量を測定することができる。
【００５７】
また、この論文の図14に図示する様な製造方法によれば、ブラッグ回折条件を満たせる様々な周期間隔（Λ1,Λ2,Λ3)でグレーティングを製作することが可能である。図14において、光導波路センサは、図14の(A) でシリコンウェハ71上にポリスチレン熱可塑性エラストマーを構成して光導波路のコア部72に相当する層を形成する。次に、図14の(B) で光導波路のコア部72相当箇所に帯状のアルミ層73を形成する。図14の(C) でこの帯状のアルミ層73の下部のポリスチレン熱可塑性エラストマー72のみ残して他のエラストマー部分をエッチングする。さらに、図14の(D) でアルミ層73を除去し、電子ビームリソグラフィによってサブミクロンオーダのブラッググレーティングＢＧ74を形成する。次に、図14の(E) でこのブラッググレーティングＢＧ74の上に、シリコンラバーをコーティングして上部クラッド75を形成し、図14の(F) でシリコンウェハ71をエッチング除去して、図14の(G) でこの除去されたシリコンウェハ71の箇所にシリコンラバーをコーティングして下部クラッド76を形成して構成することができる。
【００５８】
図５は圧力検出ダイアフラム上に「光マイクロマシン」技術によりＢＧをダイアフラムと一体に構成した光導波路ブラッググレーティング圧力センサの断面斜視図である。図５において、61はシリコンからなる圧力ダイアフラムであり、このシリコン圧力ダイアフラム61の上に21で図示される酸化シリコン(SiO2)とこの酸化シリコン21の中央部に帯状に伸びる酸化シリコン(SiO2)からなる凸部22とからなるリッジ型光導波路2Aがある。このリッジ型光導波路2Aは、同一屈折率を有する酸化シリコン21、22で構成しても、帯状凸部22の影響を受け、帯状凸部22の下部に相当する部分2Aの屈折率が等価的にやや増加して、光導波路2Aを構成する。この帯状凸部22の上部に更に凸部23を予め定めた間隔（グレーティング周期Λ）で設けることにより、ステップ状に変化する屈折率変化をリッジ型光導波路2Aに設けて、ブラッググレーティング（ＢＧ）32を構成することができる。
【００５９】
図５に図示されるこの様な構成の光導波路2Aとダイアフラム61との一体型の構成においても、上述した光ファイバ1Aを用い、接着あるいは接合方式によるＦＢＧ圧力センサの場合と同様に同一動作を行うことができる。
〔実施例７〕
図５に図示したリッジ型光導波路2Aと同様に、図６に図示する埋め込み型の光導波路2Bを用いてもリッジ型光導波路2Aと同様な効果を得ることができる。図６において、61はシリコンからなる圧力ダイアフラムであり、このシリコン圧力ダイアフラム61の上に25で図示されクラッド層を形成する酸化シリコン(SiO2)と、この酸化シリコン21の中央部に帯状に配置され屈折率が酸化シリコン25よりやや高いコア部を形成する酸化シリコン(SiO2)2Bと、さらに、このコア部2Bを取り囲んで、コア部2B左右および上部に配置されクラッド層を形成する酸化シリコン25と、からなる埋め込み型光導波路2Bがある。この埋め込み型光導波路2Bは、コア部2Bは、ゲルマニウム、セリウム、エルビウムあるいはユーロビュームをドーピングして感光性を付与する。この様にドーピングすることによって、ＦＢＧ31の場合と同様に、ダイアフラム61上に光導波路2Bを作成した後、例えば、248nm の紫外線を用いたＵＶ光の干渉縞にさらすことによって、光導波路2Bのコア部に周期的な屈折率変化を生じさせ、ブラッググレーティング（ＢＧ）33を形成することができる。ＢＧでの反射波長を1500nm、コア屈折率を1.5 とすると、 (1)式から屈折率変化の周期は500nm である。図６でＢＧ33は、ハッチングの付いた部分とハッチングのない部分を周期的に記載されているが、これは周期的な屈折率変化を模式的に図示したものである。
〔実施例８〕
実施例７のＢＧを構成する他の方法として、「光マイクロマシン」技術を用いて、チャンネル導波路のコア部を導波方向に対して直角方向に周期的に切り欠き部分を形成し、コア部の周辺をクラッド材で構成すると同時に、当該コアの切り欠き部分をクラッド材と同じ材料で埋めてＢＧを製作することができる。なお、クラッド材としては、空気でもよい。即ち、何も埋めなくてもよい。
【００６０】
この実施例８の場合も図６に図示するＢＧ33は、ハッチングの付いた部分とハッチングのない部分が周期的に記載されているが、これは当該切り欠き部分が周期的に配置されていることを図示したものである。
【００６１】
図５、図６には図示省略されているが、勿論、図１の光導波路を用いたＢＧ変位センサの要部構成図に示した様に、ダイアフラム６の近傍に（温度）補償用ブラッググレーティングＢＧ４を配置し、圧力検出用ＢＧ３の温度特性などの補償は行われる。
【００６２】
なお、実施例５で述べたと同様に、ＢＧのブラッグ波長をセンサごとに変えておくことにより、（例えば、センサ１の圧力検出用ＢＧのブラッグ波長をλB1、温度補償用ＢＧのブラッグ波長をλB2、センサ２の圧力検出用ＢＧのブラッグ波長をλB3、温度補償用ＢＧのブラッグ波長をλB4、・・・）、多点の圧力測定が可能となる。
【００６３】
【発明の効果】
以上述べた様に本発明によれば、ダイアフラム上にＦＢＧを接着または接合する、さらにはまた、「光マイクロマシン」技術によりダイアフラムと光導波路のＢＧとを一体構造にし、これを圧力検出用ＦＢＧまたはＢＧとし、温度補償用のＦＢＧまたはＢＧを圧力変化の影響を受けないあるいは影響の少ないダイアフラムの近傍箇所に設け、当該圧力検出用ＦＢＧまたはＢＧの温度特性をこの温度補償用ＦＢＧまたはＢＧの出力で補正することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としての光導波路を用いたＢＧ変位センサの要部構成図
【図２】一実施例によるＢＧ変位センサの特性図
【図３】一実施例としての光ファイバを用いたＦＢＧ圧力センサの要部構成図
【図４】静電接合を行うための光ファイバの処理方法を説明する説明図
【図５】リッジ型導波路のＢＧ圧力センサのダイアフラム断面斜視図
【図６】コア埋込み型導波路のＢＧ圧力センサのダイアフラム断面斜視図
【図７】従来技術による光ファイバ圧力センサの概念図
【図８】圧力センシング部の詳細図
【図９】エンジン制御用のシリンダ内圧計測センサの要部構成図
【図１０】従来技術の干渉方式による光ファイバ圧力センサの概念図
【図１１】光導波路にＢＧを形成する原理図
【図１２】光導波路のＢＧの動作説明図
【図１３】光導波路ＢＧセンサの説明図
【図１４】光導波路ＢＧセンサの製造方法の説明図
【符号の説明】
１,2A,2B 光導波路
11,1A 光ファイバ
12 ＦＢＧ
1E 入射光
1F 反射光
1G 透過光
11a,72 コア
11b,75,76 クラッド
11c パイレックスガラス
11d 切削部
11e 平面切削部
12 グレーティング
21 酸化シリコン
22 帯状凸部
23 凸部
25 クラッド部
３ 変位検出用ＢＧ
31 圧力検出用ＦＢＧ
32,33 圧力検出用ＢＧ
４ 補償用ＢＧ
41 温度補償用ＦＢＧ
５ ベース
51 凹部
６ センシング部
61 ダイアフラム
71 シリコンウェハ
73 アルミ
８ フェーズマスク
81 凹凸面
９ ＵＶ光
9A,9B 回折光
100 光源
102 レンズ
103 光ファイバ
104 圧力センシング部
105 検出部
110a,110b 溝
111 内圧導入口
120a ベース部
120b ダイアフラム部
121 ダイアフラム
130 シール手段
150 光ファイバ
【発明の属する技術分野】
この発明は波長変化特性により圧力を計測するブラッググレーティングセンサに関し、特に、水圧を計測するのに好適な圧力センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバは、軽量でかつ細径であるため、狭い空間での使用が可能であること、絶縁体であるために電磁ノイズに強く高圧電領域での計測が容易に可能なこと、またファイバが石英ガラスを素材としていることで高温や可燃性ガス雰囲気中でも使用可能であるという特徴がある。この様な特徴を生かして、ファイバを用いた様々なセンサの研究がされている。その中の光ファイバ圧力センサとしては、従来技術として図７に図示する様な方法がある。
【０００３】
図７において、100 は発光ダイオード(LED) やスーパルミネッセンスダイオード(SLD) の様な光源で、102 は光源100 から出射された光を光ファイバ103 へ集光するためのレンズである。光ファイバ103 の一部は、圧力センシング部104 が設置されている。105 は光ファイバ103 から出射される光量を検出する検出器である。この様な圧力センシング部104 の詳細を図８に図示する。図８において、106 は圧力を受ける受圧治具で、内側が波形状となっている部材を向かい合わせて組み合わせてある。この波形状の間に、光ファイバ103 を挟むことにより、圧力センシング部104 を構成することができる。
【０００４】
かかる構成において、圧力センシング部104 の動作原理は、圧力により受圧治具106 が変位し光ファイバ103 を圧迫する。光ファイバ103 は周期の短い不規則な曲がりが加わるとマイクロベンド損と呼ばれる損失を生じる。受圧治具106 は圧力によって光ファイバ103 にこのマイクロベンド損を発生させることで、光ファイバ103 を伝搬する光量が損失し検出器105 で計測される光量が下がる。
【０００５】
マイクロベンド損失と圧力とは比例関係にあるので、検出器出力と圧力を対応させることで圧力の計測が可能である。
この詳細な例として、特開平7-306109が開示されている。この開示例はエンジン制御のためのシリンダ内の圧力計測である。図９において、圧力センサは、ガスケット140 に形成された溝110a,110b,110c内に、ベース部120aとダイアフラム121 を中央部に有するダイアフラム部120bとの間に光ファイバ150 を挟んでなる圧力センシング部を挿入して、内圧シール手段130 でシールして構成され、シリンダ内の圧力は内圧導入口111 より導入される。
【０００６】
かかる構成において、内圧導入口111 よりシリンダ内の圧力が導入され、ダイアフラム121 を変位させて光ファイバ150 の一部を変形させ、光ファイバ150 にマイクロベンド損を発生させて光ファイバ150 を透過する光量を減衰させる。この透過光量を計測することによりシリンダ内圧を計測することができる。
【０００７】
この様な圧力センサにおける課題の一つに光源光量の安定化がある。このセンサの検出原理は、前述の様に光ファイバを透過する光量変化を検出するので、圧力が０のときの光量が、光源の劣化や温度などの変動により、安定性が損なわれると圧力検出精度が低下するという問題がある。
【０００８】
またこの対策として、図10に図示する様な干渉方式がある。図10において、圧力センサは、圧力センシング部104 の受圧の影響を受けて変位・変形する圧力検出用光ファイバ103aと、並列に設置され圧力の影響を受けない参照用光ファイバ103bとを備え、光源100 からの光を２分岐して光ファイバ103a,103b の一方の端面に入射し、他方の端面から出射する光を検出器105 で計測する。両光ファイバ103a,103b の光路長は、光ファイバ103aが圧力０のとき、両光ファイバ103a,103b から出射し、検出器105 で受光する光波が干渉して光波がゼロとなる様に構成する。
【０００９】
かかる構成により、光源の劣化や温度などの変動により、上述の圧力が０のときの圧力検出精度が低下の問題を解決することができるが、検出装置が高価となる欠点がある。
【００１０】
また、上述の様な量検出方式あるいは干渉方式は、計測可能な測定点は１点の圧力しか計測できない方法であるため、多点の圧力を計測しようとする場合、その計測点数に対応した光源と検出器を用意するか、１×Ｎ個の光スイッチを用いてスキャニングする方法を用いる必要がある。
【００１１】
前者の光源と検出器を測定点数に合わせて用意する方法は、センサ数に比例して使用する光ファイバの長さ、本数ともに増えるためコストが非常に高価となりシステムとして大型化してしまう。また、後者の光スイッチの方法では、光スイッチの損失特性の影響が加わるため誤差要因が多くなるという問題がある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
この様に、従来技術による方法での課題を整理すると、従来技術の光ファイバ圧力センサでは、第１の課題は、光源の光量を非常に安定化して圧力センサに光を伝播させなくてはならないこと、第２の課題は、この検出原理が多点の圧力計測には適さないという課題がある。
【００１３】
本発明は上記の点にかんがみてなされたものであり、その目的は前記した課題を解決して、光源の光量の変動の影響の少ない、かつ、多点の圧力計測に適したブラッググレーティング圧力センサを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明においては、力を受け変位するセンシング部と、このセンシング部に設けられる光導波路と、この光導波路の一部に形成された変位検出用ブラッググレーティング（以下、ブラッググレーティングをＢＧと略称する）と、前記光導波路の一部で変位検出用ＢＧの近傍領域に設置される補償用ＢＧと、を備えるものとする。
かかる構成により、この補償用ＢＧのブラッグ波長を測定することにより補償値を導出し、この補償値を用いて変位検出用ＢＧの特性を補償することができる。
【００１５】
また、力を受け変位するセンシング部はダイアフラムとし、光導波路は光ファイバとし、このダイアフラムの変位箇所に光ファイバの一部に形成された圧力検出用光ファイバブラッググレーティング（以下、ＦＢＧと略称する）と、この圧力検出用ＦＢＧの近傍領域でダイアフラムの圧力変化の影響の少ない箇所に温度補償用ＦＢＧと、を設置するものとする。
【００１６】
かかる構成により、この温度補償用ＦＢＧのブラッグ波長を測定することにより温度を導出し、この温度を用いて圧力検出用ＦＢＧの温度特性を補償することができる。
【００１７】
また、圧力検出用ＦＢＧと温度補償用ＦＢＧは、光ファイバ上に形成されたＦＢＧ箇所とは別箇所をＵ字型に曲げて接続する、あるいは、同一光ファイバ上に形成された圧力検出用ＦＢＧと温度補償用ＦＢＧとは別箇所をＵ字型に曲げることができる。
【００１８】
また、ダイアフラムと圧力検出用ＦＢＧは、接着剤を用いて固定することができる。
また、光ファイバが塑性変形する温度以下でダイアフラムに使用されている材料と接合可能な金属材料を圧力検出用ＦＢＧにコーティングし、この圧力検出用ＦＢＧと、ダイアフラムとを金属による溶融接合をすることができる。
【００１９】
また、ダイアフラムはシリコンダイアフラムとし、少なくとも、光ファイバに形成される圧力検出用ＦＢＧ部分はシリコンと静電接合が可能なパイレックスガラスをコーティングし、この圧力検出用ＦＢＧと、シリコンダイアフラムとを静電接合することができる。
【００２０】
また、力を受け変位するセンシング部はダイアフラムとし、このダイアフラム上にチャンネル導波路を一体に形成し、このチャンネル導波路のダイアフラムの変位箇所の一部に形成される圧力検出用ブラッググレーティング（ＢＧ）と、この圧力検出用ＢＧの近傍領域でダイアフラムの圧力変化の影響の少ない箇所に一体に形成される（光導波路の）温度補償用ＢＧと、を備えるものとする。
かかる構成により、この温度補償用ＢＧのブラッグ波長を測定することにより温度を導出し、この温度を用いて圧力検出用ＢＧの温度特性を補償することができる。
【００２１】
また、チャンネル導波路はリッジ型導波路とし、圧力検出用ＢＧおよび温度補正用ＢＧはリッジ型導波路上に導波路と同じ材料を用いて周期的な凹凸構造を設けてブラッグ回折条件を満たすＢＧを構成することができる。
また、チャンネル導波路はコア埋込み型導波路とし、圧力検出用ＢＧおよび温度補正用ＢＧはその一部にＢＧを構成することができる。
【００２２】
また、圧力検出用ＢＧおよび温度補正用ＢＧは、ダイアフラム上に構成する光導波路のコア部に、ゲルマニウム、セリウム、エルビウムあるいはユーロビュームをドープして感光性を付与し、紫外線領域の光による干渉縞に曝すことによりＢＧを製作することができる。
【００２３】
また、圧力検出用ＢＧおよび温度補正用ＢＧは、チャンネル導波路のコア部に導波方向と直角方向に周期的に切り欠き部分を形成し、このコア部の切り欠き部分およびコア部の周辺部にクラッド材で充填して構成することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施例としての光導波路を用いたＢＧ変位センサの要部構成図、図２は本発明の一実施例によるＢＧ変位センサの特性図、図３は本発明の一実施例としての光ファイバを用いたＦＢＧ圧力センサの要部構成図、図４は静電接合を行うための光ファイバの処理方法を説明する説明図、図５はリッジ型導波路のＢＧ圧力センサのダイアフラム断面斜視図、図６はコア埋込み型導波路のＢＧ圧力センサのダイアフラム断面斜視図であり、図11〜図14は他文献を引用して本発明の概念を説明する図であり、図11は光導波路にＢＧを形成する原理図、図12は光導波路のＢＧの動作説明図、図13は光導波路ＢＧセンサの説明図、図14は光導波路ＢＧセンサの製造方法の説明図である。
【００２５】
図１において、ブラッググレーティング変位センサは、力を受け変位するセンシング部６と、このセンシング部６の変位箇所に設置される光導波路１の一部に形成された変位検出用ＢＧ３と、センシング部６の変位影響の少ない箇所で変位検出用ＢＧ３の近傍領域に設置される補償用ＢＧ４と、を備えて構成される。
【００２６】
かかる構成により、光導波路１は、図示省略された光源からの入射光(1E)の内、センシング部６上にある変位検出用ＢＧ３およびセンシング部６の変位影響の少ない箇所に設置される補償用ＢＧ４から後述する屈折率変化周期と屈折率とから定まる特定な波長（ブラッグ波長）の光信号が選択的に反射される。この補償用ＢＧ４のブラッグ波長を測定することにより例えばセンシング部６の周辺温度を検出し、この補償値を導出し、この補償値を用いて変位検出用ＢＧ３の温度特性などを補償することができる。
【００２７】
このＢＧ変位センサの実施形態としては、光導波路１として光ファイバ1Aを用いた実施形態１と、光導波路１としてチャンネル導波路2A,2B を用いた実施形態２があり、また、力を受け変位するセンシング部６は、本発明ではダイアフラム61で説明するが、微小な変位が許容される力平衡型の各種機構を有するセンサに適用することができる。
〔実施形態１〕
図３において、力を受け変位するセンシング部６は、ダイアフラム61とし、光導波路１は光ファイバ1Aとし、このダイアフラム61の変位箇所に光ファイバ1Aの一部に形成された圧力検出用ＦＢＧ31を設置し、この圧力検出用ＦＢＧ31の近傍領域でダイアフラム61の圧力変化の影響の少ない箇所に温度補償用ＦＢＧ41を設置して構成される。ダイアフラム61は、例えば、ベース５に凹部51を構成しこの中央部分に圧力検出用ＦＢＧ31を、また、ダイアフラム61の近傍であるが凹部51が構成されていない箇所に温度補償用ＦＢＧ41を、実施例で後述する接着法あるいは接合法によって固定することができる。
【００２８】
かかる構成により、温度補償用ＦＢＧ31のブラッグ波長を測定することにより補償温度を導出し、この補償温度を用いて圧力検出用ＦＢＧ31の温度特性を補償することができる。
〔実施形態２〕
図５（図６）において、力を受け変位するセンシング部６は、ダイアフラム61とし、このダイアフラム61上にチャンネル導波路2A(2B)を形成し、このチャンネル導波路2A(2B)のダイアフラムの変位箇所の一部に形成される圧力検出用ＢＧ32(33)と、図示省略されているが、この圧力検出用ＢＧ32(33)の近傍領域でダイアフラム61の圧力変化の影響の少ない箇所に形成される（光導波路の）温度補償用ＢＧ42と、を備え、この温度補償用ＢＧ42のブラッグ波長を測定することにより補償温度を導出し、この補償温度を用いて圧力検出用ＢＧ32(33)の温度特性を補償することができる。
【００２９】
このようなシリコンを用いたダイアフラムとＢＧとを一体構造として構成する方法として電気学会誌1997年12月号 832〜835 頁で羽根氏に紹介された「光マイクロマシン」の技術を用いることができる。この技術を用いることにより、上述したＦＢＧに金属をコーティングし金属のダイアフラムと溶融接合する方法、あるいは、静電接合により結合する方法よりも、より信頼性の高いセンサを構成することができる。即ち、実施形態２では、接合工程がなくダイアフラムの一部としてＢＧを作り込むことができるため、接合部が剥がれる可能性がないからである。
【００３０】
【実施例】
はじめに、光導波路１にＢＧあるいは、光ファイバ11にＦＢＧを形成する方法について説明する。図11において、図示例は光ファイバ11が図示されているが、光導波路１についても同様な原理で形成することができるので、光ファイバ11で説明する。圧力検出用ＦＢＧ31あるいは温度補償用ＢＧ42に用いる光ファイバ1Aは、コア11ａとクラッド11b とからなるシングルモード光ファイバ11のブラッググレーティング（ＢＧ）形成箇所に、予め定められた格子間隔で一方の面に微小な凹凸面81を有するフェーズマスク８を介して、エキシマレーザなどの紫外線光（248nm のＵＶ光）９を照射して形成する。このＵＶ光９は、フェーズマスク８の微小な凹凸面81での回折光9A,9B の干渉により、フェーズマスク８の予め定められた格子間隔で定まる干渉縞を作り、この干渉縞で感光性光ファイバ11のＢＧ形成箇所を照射することで、コア11ａ内の局部的な化学変化によって、周期的な屈折率変化をもたせたものである。
【００３１】
次に、図12によりＦＢＧの動作を説明する。図12において、光ファイバ11のコア11ａを伝送する入射光1Eは、この周期的に屈折率が変化するブラッググレーティング（ＢＧ）12がある部分で、部分反射された多数の後進波（反射波）1Fが発生する（ブラッグ回折）。この関係は、後進波1Fの波長をλB 、コアの屈折率をｎ、屈折率変化の周期をΛとすると、 (1)式で示される。
【００３２】
【数１】
λB ＝２ｎΛ・・・・・・(1)
この後進波（以下、反射波と呼ぶ）1Fの波長λB をブラッグ波長と呼ぶ。このブラッグ波長λB は、光ファイバ11に加わる歪みや温度の影響により、光ファイバ11のＦＢＧ12の部分が伸縮されたり、曲げられたりすることにより、コア11ａ内の屈折率変化周期Λが変化し、ブラッグ波長λB が変化することを利用して、センサとして使用することができる。
〔実施例１〕
この様なＦＢＧ12を用いたＦＢＧ圧力センサの実施例を図３に図示する。図３において、31は圧力検出用ＦＢＧ部で、例えば SUSやハステロイ、アルミなどの金属材料からなるダイアフラム61の上に接着や接合により固定されている。41は温度検出用ＦＢＧ部であり、圧力検出の温度を補償するためにダイアフラム61の近くに、接着や接合の手段を用いて、ベース５の上に設置される。なお、図示例では、同一光ファイバ1A上に圧力検出用ＦＢＧ31および温度検出用ＦＢＧ41が形成され、このＦＢＧ31、41が形成された箇所とは別箇所の光ファイバ1Aの一部がＵ字状に曲げて、ダイアフラムの近傍に設置される。
【００３３】
ダイアフラム61とベース５は、図３の(B) に図示する様に、同一部材でダイアフラム61を構成する箇所だけ薄くして凹部51を形成して構成するか、あるいは、ベース５とは別の部材を用いてダイアフラム61部分を溶接して構成してもよい。ダイアフラム61への光ファイバ1Aの固定方法については実施例２で後述する。
【００３４】
かかる構成において、圧力がダイアフラム61に加わると、ダイアフラム61が変形し、この変形によってダイアフラム61に固定された圧力検出用ＦＢＧ31が伸縮し、ＢＧ間隔Λも変化し、(1) 式に従い、ブラッグ波長λB が変化する。
【００３５】
図３の(B) において、この圧力センサにおけるブラッグ波長λB 変化と圧力との関係について説明する。厚さｈが均一なダイアフラム61が圧力ｐを受けたとき、ダイアフラム61の中心から半径ｒの位置におけるダイアフラムの変位ｘは、S.P.チモシェンコ「板とシェルの理論」（ブレイン図書出版株式会社1973）によれば(2) 式で示すことができる。
【００３６】
【数２】
ここで、ν：ポアソン比
ａ：ダイアフラム半径
ＥD ：ダイアフラムの弾性係数
ダイアフラム61が加圧され変位したときに、圧力検出用ＦＢＧ31もダイアフラム61と同様に変形するものとすると、(2) 式による変位ｘからＦＢＧ31の伸びが計算できる。簡単化のためにＦＢＧ31の屈折率ｎは、この変形ｘでは変化しないものとし、かつ温度によるブラッグ波長λB 変化もないものと仮定すれば、(1) 式により波長λB 変化を計算することができる。
【００３８】
一例として図２にSUS316で厚さ0.5mm,直径55mmのダイアフラム61と圧力ｐによる変位ｘの計算した結果を示す。この例では、１bar で180pm 程度のブラッグ波長λB 変化を見込むことができる。
【００３９】
しかし実際には、周知の様にＦＢＧ31は, 温度の影響によってもブラッグ波長λB が変化する。ブラッグ波長λB の変化は、(1) 式からグレーティングＢＧ周期間隔Λと屈折率ｎにより決定されるが、図３の実施例では、ダイアフラム61上に固定されているため、このダイアフラム61の材料による線膨張係数と光ファイバ1Aの材料である溶融石英の線膨張係数の２つに影響されて変化する。
【００４０】
光ファイバ1Aと線膨張係数が異なる材料との接着または接合された状態における温度変化によるＦＢＧ31のブラッグ波長λB の変化は、水波徹「ファイバーグレーティング温度センサ」（O plus E, No.205）によれば(3) 式で示すことができる。
【００４１】
【数３】
ここで、ΔλB ：波長シフト量
λB ：ブラッグ反射波長
α ：石英の熱膨張係数 0.55×10-6 (1/°C)
ξ ：屈折率の温度変化を示す熱光学係数 8×10-6 (1/°C)
ｐe ：光弾性係数 0.22
αS ：ベースの熱膨張係数
図３の実施例においては、この温度特性を補償するために圧力検出用ＦＢＧ31と温度補償用ＦＢＧ41を用いている。この圧力検出用ＦＢＧ31と温度検出用ＦＢＧ41は、中心波長λB を変えておき、お互いに干渉しない様にして温度補正用ＦＢＧ41はダイアフラム61の圧力感度を補正するため、なるべくダイアフラム61の近傍で、かつ、ダイアフラム61の変位ｘの影響を受けない所（あるいは変位ｘの影響の少ない所）に設置すれば、ＦＢＧ31、ＦＢＧ41のブラッグ波長をそれぞれλB1、λB2とすれば、圧力をｐ、温度をＴとしたとき、λB1は圧力ｐ、温度Ｔの関数として(4) 式で表すことができる。
【００４３】
【数４】
また、圧力検出用ＦＢＧ31と温度補償用ＦＢＧ41が近傍にあり同一温度と仮定し、さらに温度補償用ＦＢＧ41は圧力ｐの影響を受けないとすれば、λB2は温度Ｔの関数として(5) 式で表すことができる。
【００４５】
【数５】
(5) 式からλB2を測定して温度Ｔを求め、別に測定して求めたλB1とこの温度Ｔを（４）式に代入することにより、圧力ｐを求めることができる。
【００４７】
以上、ここでは光ファイバ11に圧力検出用ＦＢＧ31と温度検出用ＦＢＧ41を形成し、温度検出用ＦＢＧ41で測定した波長λB2から補償温度Ｔを求め、別に圧力検出用ＦＢＧ31で測定して求めた波長λB1と補償温度Ｔから圧力ｐを求める原理は、光導波路１に対しても同様に拡張して展開することができる。即ち、光導波路１に圧力検出用ＢＧ３と温度検出用ＢＧ４を形成し、温度検出用ＢＧ４で測定した波長λB2から補償温度Ｔを求め、圧力検出用ＢＧ３で測定して求めた波長λB1と補償温度Ｔから圧力ｐを求めることができる。
〔実施例２〕
次に、ダイアフラム61への光ファイバ1Aの固定方法について詳細に説明する。ブラッググレーティング（ＦＢＧ）が形成される光ファイバ1Aは、溶融石英であるコア(11a) とクラッド(11b) およびクラッド(11b) の周囲を囲むコーティング層の３層構造であることが多い。ブラッググレーティング（ＦＢＧ）は、上述の第３層であるコーティング層を剥がした状態の光ファイバ1Aを紫外線例えば波長248nm のＵＶ光で形成した干渉縞の中にさらし、ブラッググレーティングＦＢＧ31を書き込みした後、第３層であるコーティング層を再コーティングして製作される。このため、ダイアフラム61にＦＢＧ31を接着する場合には、コーティング材料とダイアフラムとの接着となる。従って、ダイアフラム61の材料が金属や樹脂、あるいはガラスなどであれば、室温から 150°C 位の使用温度範囲であれば、エポキシ系接着剤が適用可能であり、また、使用温度範囲が 300°C 位であればポリイミド系接着剤が適用可能である。
〔実施例３〕
また、ダイアフラム61と光ファイバ1Aとの固定において信頼性が要求される場合は、接着では対応しきれない場合がある。適用される周辺環境条件が悪く、特に、酸性ガスや有機溶剤を含む液体などに浸される場合などでは、接着剤の耐環境性に問題を発生することがある。この様な場合には接合技術が用いられる。
【００４８】
例えば、ハンダ接合を行う場合について説明する。ダイアフラム61がステンレスの場合、直接ハンダを用いて接合することはできない。この様な場合は、例えば、ダイアフラム61の上に第１層としてクロム、そしてこのクロムの上の第２層として金あるいはニッケルを蒸着技術あるいはスパッタリング技術などにより膜を形成する。
【００４９】
また、光ファイバ1A側もハンダコーティング処理されたＦＢＧ31,41 か、あるいは、金などをコーティング処理したＦＢＧ31,41 を用意し、成膜処理されたダイアフラム61とコーティング処理された光ファイバ1AのＦＢＧ31,41 の両者をハンダの融点まで加熱することで接合することで接合が可能となる。
【００５０】
この光ファイバのＦＢＧ部分に対するハンダコーティング処理技術は、例えば、Likarn Wang が「Thermal Performance of a Solder coated Fiber Bragg Grating Sensor 」（IEEE LEOS Annual Meeting 10th Vol.2 ）の論文で紹介しており、また、コマーシャルベースでも、アルミや金の金属をコーティングした光ファイバ1Aが市販されている。
【００５１】
この様に、ハンダと接合可能な金属がコ―ティングされたＦＢＧ31,41 をダイアフラム61上におき、さらに接合が必要な部分にだけテープ型の幅の広いハンダを用いてかぶせ、ハンダの融点まで加熱し、溶融後冷却すればＦＢＧ31,41 と金属ダイアフラム61とを接合することが可能である。
【００５２】
このハンダの融点は、低融点ハンダであれば 120°C 位であり、ＦＢＧ31,41 において問題のない使用温度範囲である。この様な接合技術が適用可能条件は、光ファイバ1Aの軟化温度以下であること、光ファイバ1Aの素材である溶融石英へのコーティング処理が可能な材料とダイアフラム61の材料である金属が接合可能であることなどが必要である。
〔実施例４〕
次に、他の接合技術として静電接合を用いる場合を説明する。この静電接合を用いる場合は、特に、ダイアフラム61がシリコンで構成された場合であり、このダイアフラム61と光ファイバ1Aとの接合技術について説明する。
【００５３】
シリコンで構成されたダイアフラム61と光ファイバ1Aとの接合技術で問題となるのはガラス側である光ファイバ1Aの処理方法である。シリコンとガラスとの静電接合は、ガラス中の酸素イオン(O2-) とシリコンとの反応によって静電接合が行われるものである。このため、ガラスの中には酸素イオン(O2-) をキャリヤする酸化ナトリュム(Na2O)の存在が必要となり、パイレックスガラスが一般的に用いられる。
【００５４】
図４において、光ファイバ1Aは円柱状であるため接合面積が取れない。従って、光ファイバ1Aのクラッド11b の一部切削部11d を研磨により切削し、平面切削部 11eを形成し、この後、光ファイバ1Aの周囲にパイレックスガラス11c をスパッタリングにて着ける。あるいは、図示省略されているが、光ファイバ1Aにパイレックスガラス11c をスパッタリングで着けた後、パイレックスガラスを残す様にして光ファイバ1Aの一部を研磨して平面部を形成する。この様な加工処理を行うことにより、パイレックスガラス11c とシリコンとの接合となるので、静電接合技術の適合が可能となる。
【００５５】
また、他の静電接合技術の適合として、予め、光ファイバ1Aに酸化ナトリュム(Na2O)ドーピングし、光ファイバ1Aの側面を研磨することにより接合面積を確保して、静電接合することも可能である。
〔実施例５〕
この様なダイアフラム61上に固定した圧力検出用ＦＢＧ31と、同じ基板５上に固定した温度検出ＦＢＧ41により圧力センサを構成することで、ＦＢＧ31,41 が波長検出型であることから、劣化や周囲温度変化により光源光量が変化しても測定精度に影響を受けず、また、圧力検出用ＢＧ31と温度検出用ＢＧ41の対において、各対毎のブラッグ波長を変えて、この対を直列に接続することで多点の圧力計測を行えるメリットがある。
〔実施例６〕
次に第２実施形態の実施例として、シリコンを用いたダイアフラムとＢＧとを一体構造として構成した例について説明する。
【００５６】
MOEMS*97 Technical Digest に記載された「Distributed Optical Bending Sensor with Bragg Gratings in Optical Waveguide 」には、図13に図示するブラッググレーティングＢＧを用いた光導波路センサが開示されている。図13において、コア72とクラッド75とからなる光導波路にグレーティング周期間隔（Λ1,Λ2,Λ3)が異なるブラッググレーティング（ＢＧ1,ＢＧ2,ＢＧ3)を構成し、入射光1Eを入射すると、それぞれのＢＧが形成された箇所からグレーティング周期間隔（Λ1,Λ2,Λ3)に対応するブラッグ波長（λ1,λ2,λ3)の反射光1Fが戻ってくる。このブラッグ波長（λ1,λ2,λ3)を測定することにより、ＢＧが形成された各箇所からの計測量を測定することができる。
【００５７】
また、この論文の図14に図示する様な製造方法によれば、ブラッグ回折条件を満たせる様々な周期間隔（Λ1,Λ2,Λ3)でグレーティングを製作することが可能である。図14において、光導波路センサは、図14の(A) でシリコンウェハ71上にポリスチレン熱可塑性エラストマーを構成して光導波路のコア部72に相当する層を形成する。次に、図14の(B) で光導波路のコア部72相当箇所に帯状のアルミ層73を形成する。図14の(C) でこの帯状のアルミ層73の下部のポリスチレン熱可塑性エラストマー72のみ残して他のエラストマー部分をエッチングする。さらに、図14の(D) でアルミ層73を除去し、電子ビームリソグラフィによってサブミクロンオーダのブラッググレーティングＢＧ74を形成する。次に、図14の(E) でこのブラッググレーティングＢＧ74の上に、シリコンラバーをコーティングして上部クラッド75を形成し、図14の(F) でシリコンウェハ71をエッチング除去して、図14の(G) でこの除去されたシリコンウェハ71の箇所にシリコンラバーをコーティングして下部クラッド76を形成して構成することができる。
【００５８】
図５は圧力検出ダイアフラム上に「光マイクロマシン」技術によりＢＧをダイアフラムと一体に構成した光導波路ブラッググレーティング圧力センサの断面斜視図である。図５において、61はシリコンからなる圧力ダイアフラムであり、このシリコン圧力ダイアフラム61の上に21で図示される酸化シリコン(SiO2)とこの酸化シリコン21の中央部に帯状に伸びる酸化シリコン(SiO2)からなる凸部22とからなるリッジ型光導波路2Aがある。このリッジ型光導波路2Aは、同一屈折率を有する酸化シリコン21、22で構成しても、帯状凸部22の影響を受け、帯状凸部22の下部に相当する部分2Aの屈折率が等価的にやや増加して、光導波路2Aを構成する。この帯状凸部22の上部に更に凸部23を予め定めた間隔（グレーティング周期Λ）で設けることにより、ステップ状に変化する屈折率変化をリッジ型光導波路2Aに設けて、ブラッググレーティング（ＢＧ）32を構成することができる。
【００５９】
図５に図示されるこの様な構成の光導波路2Aとダイアフラム61との一体型の構成においても、上述した光ファイバ1Aを用い、接着あるいは接合方式によるＦＢＧ圧力センサの場合と同様に同一動作を行うことができる。
〔実施例７〕
図５に図示したリッジ型光導波路2Aと同様に、図６に図示する埋め込み型の光導波路2Bを用いてもリッジ型光導波路2Aと同様な効果を得ることができる。図６において、61はシリコンからなる圧力ダイアフラムであり、このシリコン圧力ダイアフラム61の上に25で図示されクラッド層を形成する酸化シリコン(SiO2)と、この酸化シリコン21の中央部に帯状に配置され屈折率が酸化シリコン25よりやや高いコア部を形成する酸化シリコン(SiO2)2Bと、さらに、このコア部2Bを取り囲んで、コア部2B左右および上部に配置されクラッド層を形成する酸化シリコン25と、からなる埋め込み型光導波路2Bがある。この埋め込み型光導波路2Bは、コア部2Bは、ゲルマニウム、セリウム、エルビウムあるいはユーロビュームをドーピングして感光性を付与する。この様にドーピングすることによって、ＦＢＧ31の場合と同様に、ダイアフラム61上に光導波路2Bを作成した後、例えば、248nm の紫外線を用いたＵＶ光の干渉縞にさらすことによって、光導波路2Bのコア部に周期的な屈折率変化を生じさせ、ブラッググレーティング（ＢＧ）33を形成することができる。ＢＧでの反射波長を1500nm、コア屈折率を1.5 とすると、 (1)式から屈折率変化の周期は500nm である。図６でＢＧ33は、ハッチングの付いた部分とハッチングのない部分を周期的に記載されているが、これは周期的な屈折率変化を模式的に図示したものである。
〔実施例８〕
実施例７のＢＧを構成する他の方法として、「光マイクロマシン」技術を用いて、チャンネル導波路のコア部を導波方向に対して直角方向に周期的に切り欠き部分を形成し、コア部の周辺をクラッド材で構成すると同時に、当該コアの切り欠き部分をクラッド材と同じ材料で埋めてＢＧを製作することができる。なお、クラッド材としては、空気でもよい。即ち、何も埋めなくてもよい。
【００６０】
この実施例８の場合も図６に図示するＢＧ33は、ハッチングの付いた部分とハッチングのない部分が周期的に記載されているが、これは当該切り欠き部分が周期的に配置されていることを図示したものである。
【００６１】
図５、図６には図示省略されているが、勿論、図１の光導波路を用いたＢＧ変位センサの要部構成図に示した様に、ダイアフラム６の近傍に（温度）補償用ブラッググレーティングＢＧ４を配置し、圧力検出用ＢＧ３の温度特性などの補償は行われる。
【００６２】
なお、実施例５で述べたと同様に、ＢＧのブラッグ波長をセンサごとに変えておくことにより、（例えば、センサ１の圧力検出用ＢＧのブラッグ波長をλB1、温度補償用ＢＧのブラッグ波長をλB2、センサ２の圧力検出用ＢＧのブラッグ波長をλB3、温度補償用ＢＧのブラッグ波長をλB4、・・・）、多点の圧力測定が可能となる。
【００６３】
【発明の効果】
以上述べた様に本発明によれば、ダイアフラム上にＦＢＧを接着または接合する、さらにはまた、「光マイクロマシン」技術によりダイアフラムと光導波路のＢＧとを一体構造にし、これを圧力検出用ＦＢＧまたはＢＧとし、温度補償用のＦＢＧまたはＢＧを圧力変化の影響を受けないあるいは影響の少ないダイアフラムの近傍箇所に設け、当該圧力検出用ＦＢＧまたはＢＧの温度特性をこの温度補償用ＦＢＧまたはＢＧの出力で補正することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としての光導波路を用いたＢＧ変位センサの要部構成図
【図２】一実施例によるＢＧ変位センサの特性図
【図３】一実施例としての光ファイバを用いたＦＢＧ圧力センサの要部構成図
【図４】静電接合を行うための光ファイバの処理方法を説明する説明図
【図５】リッジ型導波路のＢＧ圧力センサのダイアフラム断面斜視図
【図６】コア埋込み型導波路のＢＧ圧力センサのダイアフラム断面斜視図
【図７】従来技術による光ファイバ圧力センサの概念図
【図８】圧力センシング部の詳細図
【図９】エンジン制御用のシリンダ内圧計測センサの要部構成図
【図１０】従来技術の干渉方式による光ファイバ圧力センサの概念図
【図１１】光導波路にＢＧを形成する原理図
【図１２】光導波路のＢＧの動作説明図
【図１３】光導波路ＢＧセンサの説明図
【図１４】光導波路ＢＧセンサの製造方法の説明図
【符号の説明】
１,2A,2B 光導波路
11,1A 光ファイバ
12 ＦＢＧ
1E 入射光
1F 反射光
1G 透過光
11a,72 コア
11b,75,76 クラッド
11c パイレックスガラス
11d 切削部
11e 平面切削部
12 グレーティング
21 酸化シリコン
22 帯状凸部
23 凸部
25 クラッド部
３ 変位検出用ＢＧ
31 圧力検出用ＦＢＧ
32,33 圧力検出用ＢＧ
４ 補償用ＢＧ
41 温度補償用ＦＢＧ
５ ベース
51 凹部
６ センシング部
61 ダイアフラム
71 シリコンウェハ
73 アルミ
８ フェーズマスク
81 凹凸面
９ ＵＶ光
9A,9B 回折光
100 光源
102 レンズ
103 光ファイバ
104 圧力センシング部
105 検出部
110a,110b 溝
111 内圧導入口
120a ベース部
120b ダイアフラム部
121 ダイアフラム
130 シール手段
150 光ファイバ
Claims (9)
- 力を受け変位するダイヤフラム型のセンシング部と、このセンシング部に設けられる光導波路と、この光導波路の一部に形成された圧力検出用ブラッググレーティング（以下、ＢＧと略称する）と、前記光導波路の一部で前記圧力検出用ＢＧの近傍の同一平面上に形成される補償用ＢＧと、を備え、圧力検出用ブラッググレーティングと補償用ＢＧを接続する光導波路をＵ字型に曲げて配設し、この補償用ＢＧのブラッグ波長を測定して圧力検出用ＢＧの波長特性を補償する、
ことを特徴とするブラッググレーティング圧力センサ。 - 請求項１に記載の圧力センサにおいて、前記光導波路を光ファイバーとし、前記圧力検出用ブラッググレ−ティングをファイバーブラッググレーティング（以下、ＦＢＧと略称する）とし、前記補償用ＢＧをファイバーブラッググレーティングとした、
ことを特徴とする圧力センサ。 - 請求項２に記載の圧力センサにおいて、ダイアフラムに圧力検出用ＦＢＧを接着剤で固定する、
ことを特徴とする圧力センサ。 - 請求項２に記載の圧力センサにおいて、光ファイバが塑性変形する温度以下でダイアフラムに使用されている材料と接合可能な金属材料でコーティングされた圧力検出用ＦＢＧをダイアフラムに溶融接合をする、
ことを特徴とする圧力センサ。 - 請求項２に記載の圧力センサにおいて、シリコンと静電接合が可能なパイレックスガラスでコーティングされた圧力検出用ＦＢＧをシリコンダイアフラムに静電接合する、
ことを特徴とする圧力センサ。 - 請求項１に記載のブラッググレーティング圧力センサにおいて、力を受け変位するセンシング部はダイアフラムとし、このダイアフラム上にチャンネル導波路を形成し、このチャンネル導波路の一部に圧力検出用ブラッググレーティング（ＢＧ）と、温度補償用ＢＧと、を設けた、
ことを特徴とする圧力センサ。 - 請求項６に記載の圧力センサにおいて、チャンネル導波路はリッジ型導波路とし、圧力検出用ＢＧはリッジ型導波路上に導波路と同じ材料を用いて周期的な凹凸構造を設けてブラッグ回折条件を満たすＢＧを構成する、
ことを特徴とする圧力センサ。 - 請求項６に記載の圧力センサにおいて、チャンネル導波路はコア埋込み型導波路とし、圧力検出用ＢＧはその一部にＢＧを構成する、
ことを特徴とする圧力センサ。 - 請求項６に記載の圧力センサにおいて、チャンネル導波路のコア部に導波方向と直角方向に周期的に切り欠き部分を形成し、このコア部の切り欠き部分およびコア部の周辺部にクラッド材で充填して圧力検出用ＢＧを構成する、ことを特徴とする圧力センサ。
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