JP4340718B2 - 光ファイバ式温度計及び温度補償型光ファイバセンサ - Google Patents
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Description
本発明は、光ファイバ式温度計及びそれを用いた温度補償型光ファイバセンサに関し、特に、光ファイバ式温度計を用いて温度変化による測定誤差を補償し、圧力などの各種物理量を高精度で測定可能なセンサに関する。
本願は、２００６年１０月１８日に日本に出願された特願２００６−２８４０２７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、２００６年１０月１８日に日本に出願された特願２００６−２８４０２７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
光ファイバを用い、測定部まで光を導波し、測定部での光状態の変化によりセンシングをする光センサは、測定部で電気を使わないことから、防爆性・耐雷性・耐電磁雑音性に優れ、遠隔測定も容易であるなどの利点がある。このような光センサにおいて、比測定対象が温度以外の物理量である場合、温度変化による特性変化は測定精度低化の要因となる。そのため、高精度な測定を行う場合には温度変化による影響を補償する必要がある。
従来、このような温度補償型光ファイバセンサとして、光の干渉を用いる方法（特許文献１，３参照）、ファイバグレーティングの中心波長変化を測定する方法（特許文献４参照）、などが提案されている。しかし、これらの従来技術は、測定原理として、光の波長変化や変調成分を測定するため、測定装置が高価格になるという問題があった。また、温度補償を実現するために周波数可変光源が必要であったり（特許文献１）、特殊な構造体を作製したりする必要がある（特許文献４）ことも、高価格となる原因であった。
一方、光強度の変化で測定することで、より安価な測定装置を用いることが可能な方法も提案されている（例えば、特許文献２，５及び６参照）。これらは、光源からの光をセンシング部まで導光する光ファイバからの出射光を被測定対象物で反射させ、同じ光ファイバに結合する光の強度を測定する方法である。
この方法は、センシング部の構造が単純であり、光強度の変化を測定する測定器も比較的安価に提供できるという利点がある。
しかし、この方法では、投光用光ファイバで受光も行うため、反射光をフォトダイオードなどの受光器に入射するためには、光カプラなどの光分岐素子を使用する必要がある。この光分岐素子は、温度依存性や光源の波長依存性があるため、温度や光源の波長変化によって分岐比が変化してしまう。その結果、特許文献２，５及び６の構造では、光分岐比の変化により測定値が変化して測定精度の低化の要因となる問題があった。
この問題を回避するために、特許文献５では、当該光分岐部の温度を一定にする機構を追加し、測定精度の安定化を図っているが、構造が複雑になり、温度制御機構も必要なため価格が高くなり、実用上問題となっていた。
この方法は、センシング部の構造が単純であり、光強度の変化を測定する測定器も比較的安価に提供できるという利点がある。
しかし、この方法では、投光用光ファイバで受光も行うため、反射光をフォトダイオードなどの受光器に入射するためには、光カプラなどの光分岐素子を使用する必要がある。この光分岐素子は、温度依存性や光源の波長依存性があるため、温度や光源の波長変化によって分岐比が変化してしまう。その結果、特許文献２，５及び６の構造では、光分岐比の変化により測定値が変化して測定精度の低化の要因となる問題があった。
この問題を回避するために、特許文献５では、当該光分岐部の温度を一定にする機構を追加し、測定精度の安定化を図っているが、構造が複雑になり、温度制御機構も必要なため価格が高くなり、実用上問題となっていた。
一方、光ファイバからの出射光を別の光ファイバで受光する方法も提案されている（例えば、特許文献７〜９参照）。この方法により、光分岐素子を用いなくても、光強度を測定可能である。
しかし、特許文献７及び８では、大きな光強度を受光するために、導光用光ファイバにマルチモードファイバや複数本の光ファイバを束ねて受光ファイバとしているため、温度、光源の波長変化、光ファイバへの外圧により光ファイバ中のモードが変化しやすい。このモード変化は測定精度の低化の要因となるため、高精度の測定は難しかった。
また、特許文献９では、大きな光強度を受光するために、検出部でレンズ系を使用している。このため、構造が複雑となり、価格が高くなってしまうことに加え、外部環境（温度・振動など）により、測定精度が低化しやすいという問題があった。
しかし、特許文献７及び８では、大きな光強度を受光するために、導光用光ファイバにマルチモードファイバや複数本の光ファイバを束ねて受光ファイバとしているため、温度、光源の波長変化、光ファイバへの外圧により光ファイバ中のモードが変化しやすい。このモード変化は測定精度の低化の要因となるため、高精度の測定は難しかった。
また、特許文献９では、大きな光強度を受光するために、検出部でレンズ系を使用している。このため、構造が複雑となり、価格が高くなってしまうことに加え、外部環境（温度・振動など）により、測定精度が低化しやすいという問題があった。
以上のように、前述した従来技術にあっては、安価で高精度に温度を測定し、その温度データを用いた温度補償型光ファイバセンサは実現されていなかった。
特開昭６０−５０４０２号公報
特開平５−１９６５２８号公報
特開平９−５０２８号公報
特開２００２−２６７５５７号公報
特開２００２−３７２４７２号公報
特開平８−６２０８０号公報
米国特許第５０１７７７２号明細書
米国特許第４４７９７１７号明細書
米国特許第６４３３３５０号明細書
本発明は、前記事情に鑑みてなされ、安価で高精度に温度を測定し得る光ファイバ式温度計と、その温度計を用いることで温度変化による測定誤差を補償し、高精度な測定が可能な温度補償型光ファイバセンサの提供を目的とする。
前記目的を達成するため、本発明は、光源からの光を測定部に伝送する１本の投光用光ファイバと、測定部に配置したミラーの反射面で反射した光を二つの受光部それぞれに伝送する２本の受光用光ファイバと、二つの受光部からの電気信号の比から測定部の温度を演算する演算処理回路とを有し、反射面に対向させた３つの光ファイバ端面は、光ファイバ長手方向と反対面に対する法線とのなす角度θが非ゼロとなるように固定され、２本の受光用光ファイバは平行であり、投光用光ファイバと受光用光ファイバの固定角度は反射面に対する法線を基準に対称であり、且つ前記各光ファイバは使用する波長においてシングルモードである光ファイバ式温度計を提供する。
前記角度θは８°以上が好ましい。
前記角度θは８°以上が好ましい。
本発明の光ファイバ式温度計において、前記測定部は、前記投光用光ファイバと２本の受光用光ファイバの測定部側の端部をＶ溝アレイ基板に固定した温度測定用３心アレイと、前記ミラーとをアレイ固定基材に固定して構成されたことが好ましい。
本発明の光ファイバ式温度計において、前記ミラーの基材の線膨張係数が、前記アレイ固定基材の材料の線膨張係数より小さいことが好ましい。
本発明の光ファイバ式温度計において、前記アレイ固定基材の線膨張係数が８．６×１０−６〜２７×１０−６ｍｍ／ｍｍ／℃の範囲であることが好ましい。
本発明の光ファイバ式温度計において、前記温度測定用３心アレイが、石英ガラスからなるＶ溝アレイ基板と光ファイバ押え蓋とを有することが好ましい。
また本発明は、光学式物理センサを二つ用い、一方のセンサで測定した温度により、他方の光学式物理センサの温度依存性を補償する温度補償型光ファイバセンサであって、温度を測定する前記一方のセンサが、上記の光ファイバ式温度計である温度補償型光ファイバセンサを提供する。
本発明の温度補償型光ファイバセンサにおいて、前記他方の光学式物理センサが、光源からの光を測定部に伝送する１本の投光用光ファイバと、測定部に配置したミラーの反射面で反射した光を二つの受光部それぞれに伝送する２本の受光用光ファイバと、二つの受光部からの電気信号の比から測定部の温度を演算する演算処理回路とを有し、反射面に対向させた３つの光ファイバ端面は、光ファイバ長手方向と反対面に対する法線とのなす角度θが非ゼロとなるように固定され、２本の受光用光ファイバは平行であり、投光用光ファイバと受光用光ファイバの固定角度は反射面に対する法線を基準に対称であり、且つ前記各光ファイバは使用する波長においてシングルモードであることが好ましい。
前記角度θは４°以上が好ましい。
前記角度θは４°以上が好ましい。
本発明の温度補償型光ファイバセンサにおいて、前記光ファイバ式温度計の測定部と、前記光学式物理センサの測定部とが、同じ外装体の隣接した位置に配置されていることが好ましい。
本発明の温度補償型光ファイバセンサにおいて、前記光学式物理センサのミラーが、前記外装体に取り付けられたダイアフラムに固定されたことが好ましい。
本発明の温度補償型光ファイバセンサにおいて、光源からの光を前記光ファイバ式温度計の投光用光ファイバと前記光学式物理センサの投光用光ファイバとに分岐して導光する光分岐素子を設けたことが好ましい。
本発明の光ファイバ式温度計は、光源からの光を測定部に伝送する１本の投光用光ファイバと、測定部に配置したミラーの反射面で反射した光を二つの受光部それぞれに伝送する２本の受光用光ファイバと、二つの受光部からの電気信号の比から測定部の温度を演算する演算処理回路とを有し、反射面に対向させた３つの光ファイバ端面は、光ファイバ長手方向と反対面に対する法線とのなす角度θが非ゼロとなるように固定され、２本の受光用光ファイバは平行であり、投光用光ファイバと受光用光ファイバの固定角度は反射面に対する法線を基準に対称であり、且つ前記各光ファイバは使用する波長においてシングルモードである構成とした。そのため、安価な装置構成でありながら、光強度変化に基づいて高精度に温度を測定可能である。また前記角度θを８°以上とすることで、測定精度をより向上させることができる。
また、前記測定部を、前記投光用光ファイバと２本の受光用光ファイバの測定部側の端部をＶ溝アレイ基板に固定した温度測定用３心アレイと、前記ミラーとをアレイ固定基材に固定した構成としたので、作製が容易となり、より低価格で温度測定性能の一定な光ファイバ式温度計を提供可能となる。
また、前記ミラーの基材の線膨張係数が、前記アレイ固定基材の材料の線膨張係数より小さく、前記アレイ固定基材の線膨張係数が８．６×１０−６〜２７×１０−６ｍｍ／ｍｍ／℃の範囲であり、および／または前記温度測定用３心アレイが石英ガラスからなるＶ溝アレイ基板と光ファイバ押え蓋とを有する構成とすることにより、繰り返しのヒートサイクルを受けても安定した測定が可能となり、測定精度をより向上させることができる。
また、前記測定部を、前記投光用光ファイバと２本の受光用光ファイバの測定部側の端部をＶ溝アレイ基板に固定した温度測定用３心アレイと、前記ミラーとをアレイ固定基材に固定した構成としたので、作製が容易となり、より低価格で温度測定性能の一定な光ファイバ式温度計を提供可能となる。
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本発明の温度補償型光ファイバセンサは、光学式物理センサを二つ用い、一方のセンサで測定した温度により、他方の光学式物理センサの温度依存性を補償する温度補償型光ファイバセンサであり、温度を測定する前記一方のセンサを、前述した本発明に係る光ファイバ式温度計とした。そのため、光学式物理センサによって高精度に温度を測定し、その温度データで光学式物理センサの測定データの温度補償を行うことによって、安価な装置でありながら、温度補償された正確な物理量の測定が可能となる。
また、他方の光学式物理センサを前記光ファイバ式温度計と同様に、あるいはファイバの固定角度だけ変更した構成としたことによって、共通部品を用いて安価な温度補償型光ファイバセンサを提供可能となる。
また、光ファイバ式温度計の測定部と、前記光学式物理センサの測定部とが、同じ外装体の隣接した位置に配置されていることが好ましい。
また、光学式物理センサのミラーを、外装体に取り付けられたダイアフラムに固定した構成とすることにより、高精度の圧力センサが構成可能となる。
また、光源からの光を前記光ファイバ式温度計の投光用光ファイバと前記光学式物理センサの投光用光ファイバとに分岐して導光する光分岐素子を設けた構成としたことにより、使用する光学素子を減らして、より安価な温度補償型光ファイバセンサを提供可能となる。
また、他方の光学式物理センサを前記光ファイバ式温度計と同様に、あるいはファイバの固定角度だけ変更した構成としたことによって、共通部品を用いて安価な温度補償型光ファイバセンサを提供可能となる。
また、光ファイバ式温度計の測定部と、前記光学式物理センサの測定部とが、同じ外装体の隣接した位置に配置されていることが好ましい。
また、光学式物理センサのミラーを、外装体に取り付けられたダイアフラムに固定した構成とすることにより、高精度の圧力センサが構成可能となる。
また、光源からの光を前記光ファイバ式温度計の投光用光ファイバと前記光学式物理センサの投光用光ファイバとに分岐して導光する光分岐素子を設けた構成としたことにより、使用する光学素子を減らして、より安価な温度補償型光ファイバセンサを提供可能となる。
１…光ファイバ式温度計、２…光源、３…投光用光ファイバ、４，５…受光用光ファイバ、３Ａ〜５Ａ…コア、６，７…受光部、８，９…増幅器、１０…演算処理回路、１１…測定部、１２…温度測定用３心アレイ、１３…ミラー、１４…反射面、１５…Ｖ溝アレイ基板、１６…光ファイバ押え蓋、１７…アレイ固定基材、１８…接着剤、２０…温度補償型光ファイバセンサ、２１…圧力センサ、２２…光源、２３…投光用光ファイバ、２４,２５…受光用光ファイバ、２６，２７…受光部、２８，２９…増幅器、３０…演算処理回路、３１…測定部、３２…圧力測定用３心アレイ、３３…ミラー、３４…反射面、３５…ダイアフラム、３６…外装体、３７…光分岐素子
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１〜図２及び図７〜図８は、本発明の光ファイバ式温度計の一実施形態を示す図であり、図１は光ファイバ式温度計の構成図、図２は同じ光ファイバ式温度計の測定部を拡大した構成図、図７は図２中のＡ−Ａ’部断面図、図８は測定部の構成を示す側面図である。これらの図中、符号１は光ファイバ式温度計、２は光源、３は投光用光ファイバ、４及び５は受光用光ファイバ、３Ａ〜５Ａはコア、６及び７は受光部、８及び９は増幅器、１０は演算処理回路、１１は測定部、１２は温度測定用３心アレイ、１３はミラー、１４は反射面、１５はＶ溝アレイ基板、１６は光ファイバ押え蓋、１７はアレイ固定基材、１８は接着剤である。
図１〜図２及び図７〜図８は、本発明の光ファイバ式温度計の一実施形態を示す図であり、図１は光ファイバ式温度計の構成図、図２は同じ光ファイバ式温度計の測定部を拡大した構成図、図７は図２中のＡ−Ａ’部断面図、図８は測定部の構成を示す側面図である。これらの図中、符号１は光ファイバ式温度計、２は光源、３は投光用光ファイバ、４及び５は受光用光ファイバ、３Ａ〜５Ａはコア、６及び７は受光部、８及び９は増幅器、１０は演算処理回路、１１は測定部、１２は温度測定用３心アレイ、１３はミラー、１４は反射面、１５はＶ溝アレイ基板、１６は光ファイバ押え蓋、１７はアレイ固定基材、１８は接着剤である。
本実施形態の光ファイバ式温度計１は、光源２からの光を測定部に伝送する１本の投光用光ファイバ３と、測定部１１に配置したミラー１３の反射面１４で反射した光を二つの受光部６，７それぞれに伝送する２本の受光用光ファイバ４，５と、二つの受光部４，５からの電気信号の比から測定部１１の温度を演算する演算処理回路１０とを有している。反射面１４に対向させた３つの光ファイバ端面は、光ファイバ長手方向と反対面に対する法線とのなす角度θが８°以上となるように固定され、２本の受光用光ファイバ４，５は平行であり、投光用光ファイバ３と受光用光ファイバ４，５の固定角度は反射面１４に対する法線を基準に対称であり、且つ前記各光ファイバ３〜５は使用する波長においてシングルモードである。
本実施形態において、前記測定部１１は、図７及び図８に示すように、投光用光ファイバ３と２本の受光用光ファイバ４，５の測定部側の端部をＶ溝アレイ基板１５に固定した温度測定用３心アレイ１２と、ミラー１３とをアレイ固定基材１７に固定して構成されている。
このミラー１３の構成基材の線膨張係数は、アレイ固定基材１７の材料の線膨張係数より小さいことが好ましい。
また、アレイ固定基材１７の線膨張係数は８．６×１０−６〜２７×１０−６ｍｍ／ｍｍ／℃の範囲であることが好ましい。
さらに、温度測定用３心アレイ１２は、石英ガラスからなるＶ溝アレイ基板１５と光ファイバ押え蓋１６とを有することが好ましい。
このミラー１３の構成基材の線膨張係数は、アレイ固定基材１７の材料の線膨張係数より小さいことが好ましい。
また、アレイ固定基材１７の線膨張係数は８．６×１０−６〜２７×１０−６ｍｍ／ｍｍ／℃の範囲であることが好ましい。
さらに、温度測定用３心アレイ１２は、石英ガラスからなるＶ溝アレイ基板１５と光ファイバ押え蓋１６とを有することが好ましい。
次に、温度測定用３心アレイ（以下、３心アレイと略記する場合がある）について説明し、それを用いた温度計および温度補償構造について説明する。
（３心アレイ測定原理）
３心アレイによる測定は、図１に示すように、反射面１４を有し、光ファイバ端面との相対距離が圧力や温度などの物理量に応じて変化する測定部１１と、光源２からの光を測定部１１に伝送する投光用光ファイバ３と、測定部１１の反射面１４で反射した光を二つの受光部６，７にそれぞれ伝送する受光用光ファイバ４，５と、受光部６，７からの電気信号の比をとり物理量を算出する演算処理回路１０から構成されている。反射面１４に対向させた３本の光ファイバ端面は、光ファイバ長手方向と反射面に対する法線とのなす角度がθとなるように固定されている。
３心アレイによる測定は、図１に示すように、反射面１４を有し、光ファイバ端面との相対距離が圧力や温度などの物理量に応じて変化する測定部１１と、光源２からの光を測定部１１に伝送する投光用光ファイバ３と、測定部１１の反射面１４で反射した光を二つの受光部６，７にそれぞれ伝送する受光用光ファイバ４，５と、受光部６，７からの電気信号の比をとり物理量を算出する演算処理回路１０から構成されている。反射面１４に対向させた３本の光ファイバ端面は、光ファイバ長手方向と反射面に対する法線とのなす角度がθとなるように固定されている。
図２は、測定部１１の拡大図である。図２に示すように、２本の受光用光ファイバ４，５は平行であり、投光用光ファイバ３と受光用光ファイバ４，５は反射面１４に対する法線を基準として固定角度θで対称に固定されている。投光用光ファイバ３からの出射光は反射面１４で反射され、２本の受光用光ファイバ４，５に結合した反射光がそれぞれ受光部６，７に伝送される。投光用光ファイバ３および受光用光ファイバ４，５は、全長にわたり、使用波長においてシングルモードで伝搬する光ファイバを使用している。これは、光ファイバがマルチモードであると、モード間のパワー分布の変化により精度が悪化してしまうので、これを防止するためである。ここで、使用波長とは、使用する光源における強度スペクトルのピーク波長のことである。シングルモードで伝搬する光ファイバを使用すると、コア径が小さいため光強度を大きくとることが困難となるが、Ａ／Ｄ変換した後にデジタル高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行ったり、測定値演算の積分時間を１００ｍｓ以上に長くしたりするなど、電気処理により精度良く測定することが可能となる。また、そのための演算処理回路１０も安価で入手可能である。
図３は、光ファイバ３〜５の端面と反射面１４との相対距離Ｄの変化に対する、受光用光ファイバ４，５それぞれの反射光強度Ｐ１，Ｐ２とパワー比との関係（以下、距離依存性と呼ぶ）を示すグラフである。ここで、パワー比は、パワー比演算値＝（Ｐ１−Ｐ２）／（Ｐ１＋Ｐ２）とした。図３は、横軸が相対距離Ｄ、縦左軸が光強度、縦右軸がパワー比演算値を示す。反射光強度Ｐ１とＰ２は、それぞれ異なる位置でピークをもつ曲線となる。これはファイバが非ゼロの角度θで固定されているためである。これにより、それぞれのピークの間で得られるパワー比は、ほぼ線形の単調変化を有する曲線となる。物理量変化による反射面１４とアレイの相対距離変化Ｄの測定には、この単調変化部が使用される。また、測定感度は、この曲線の傾きΔ＝ｄＦ（Ｐ１，Ｐ２）／ｄＤで表され、Δが大きい方が測定感度は良くなる。
この３心アレイを用いた温度形では、測定値としてＰ１およびＰ２の比を用いるため、光源の光強度が変化しても測定値が変化せず、安定した測定が可能である。また、測定部１１から受光部６，７の間に光分岐素子を使用しないことにより、光源２の波長変化による影響も小さく、高精度の測定が可能である。これにより、比較的安価に入手可能なＬＥＤ光源などを用いても高精度の測定が可能となる。
図４は、光源２として用いたＬＥＤの、異なる温度における出射光スペクトルを示すグラフである。
図５は、ＬＥＤ特性（中心波長と出力パワー）及び前述した３心アレイで測定した、パワー比の温度依存性を示すグラフである。
この様に、発光中心波長や出力パワーが大きく変化しても、３心アレイで測定したパワー比は殆ど変化せず、安定した測定が可能となる。
図５は、ＬＥＤ特性（中心波長と出力パワー）及び前述した３心アレイで測定した、パワー比の温度依存性を示すグラフである。
この様に、発光中心波長や出力パワーが大きく変化しても、３心アレイで測定したパワー比は殆ど変化せず、安定した測定が可能となる。
図６は、ファイバ固定角度θが異なる、３心アレイを用いて測定したパワー比演算値の距離依存性を示すグラフである。このように固定角度θを大きくするとＰ１，Ｐ２のピーク位置は反射面に近づき、Δは大きくなり、逆に小さくするとピーク位置は反射面から遠くなり、Δは小さくなる。このように固定角度θを変化させるとΔが変化するため、これを利用し測定感度を容易に選択することが可能となる。ここで測定範囲、つまり距離依存性において線形のスロープが存在する相対距離範囲は、測定感度とトレードオフの関係にあり、測定感度が大きくなると測定範囲は狭く、逆に測定感度が小さくなると測定範囲は広くなる。また、θが小さくなると、測定範囲である反射ミラーとファイバまでの距離が大きくなるので、反射光強度Ｐ１，Ｐ２は小さくなる。
ここで、図６の測定に用いた３心アレイは、図７に示すような構造とし、光通信に用いられるシングルモード光ファイバと石英ガラス製のＶ溝アレイ基板１５を使用し作製した。図２のように光ファイバを固定角度θで固定する場合、光ファイバが収まるようにＶ溝加工を行った基板を用いることで、精度良く光ファイバを固定可能となる。光ファイバの固定方法としては、Ｖ溝に沿って光ファイバを仮留めし、上部からＶ溝加工なしの石英ガラス板からなる光ファイバ押え蓋１６で挟んだ状態で樹脂によって固定する。これにより３本の光ファイバ３〜５は、同一平面状に精度良く固定することができ、高さのばらつきによる強度変動がなく、測定精度の低下を防止できる。ここでＶ溝アレイ基板１５に石英ガラスを用いるのは、光ファイバが石英ガラス製であり、双方の線膨張係数を等しくするためである。
（測定部の構造および温度補償方法）
図８は、この温度測定用３心アレイ１２を用いた測定部１１の構成例を示す図である。
この測定部１１は、光ファイバ３〜５が固定された石英ガラス製の３心アレイ１２をアレイ固定基材１７に固定し、且つ光ファイバからの光を反射するミラー１３も同様にアレイ固定基材１７に固定して構成されている。環境温度が変化すると、アレイ固定基材１７が熱膨張し、ファイバ端面からミラー１３までの距離が変化するため、測定値が変化し、温度測定が可能となる。この際、３心アレイ１２のＶ溝アレイ基板１５をネジなどでアレイ固定基材１７に留めると、３心アレイ１２とアレイ固定基材１７の間で歪みが発生するため、温度変化によるヒステリシスなどが大きくなり、安定した測定ができないことが分かった。このため、３心アレイ１２とアレイ固定基材１７は接着剤１８で固定することが望ましい。ただし、熱硬化型の接着剤の場合、加熱硬化時に基材が膨脹してしまい、硬化後に接着面で大きな歪みが発生するため、接着剤１８としては紫外線硬化型樹脂を用いる方が、繰り返し測定時における再現性の良いセンサとすることができる。
図８は、この温度測定用３心アレイ１２を用いた測定部１１の構成例を示す図である。
この測定部１１は、光ファイバ３〜５が固定された石英ガラス製の３心アレイ１２をアレイ固定基材１７に固定し、且つ光ファイバからの光を反射するミラー１３も同様にアレイ固定基材１７に固定して構成されている。環境温度が変化すると、アレイ固定基材１７が熱膨張し、ファイバ端面からミラー１３までの距離が変化するため、測定値が変化し、温度測定が可能となる。この際、３心アレイ１２のＶ溝アレイ基板１５をネジなどでアレイ固定基材１７に留めると、３心アレイ１２とアレイ固定基材１７の間で歪みが発生するため、温度変化によるヒステリシスなどが大きくなり、安定した測定ができないことが分かった。このため、３心アレイ１２とアレイ固定基材１７は接着剤１８で固定することが望ましい。ただし、熱硬化型の接着剤の場合、加熱硬化時に基材が膨脹してしまい、硬化後に接着面で大きな歪みが発生するため、接着剤１８としては紫外線硬化型樹脂を用いる方が、繰り返し測定時における再現性の良いセンサとすることができる。
また、温度変化による距離変動を大きくするためには、アレイ固定基材１７の線膨張係数は大きい方が良いが、あまり大きすぎると、３心アレイ１２との線膨張差が大きくなり、接着部１８での歪みが大きくなるため、測定値が不安定になることが分かった。アレイ固定基材１７として、線膨張係数が２７×１０−６（ｍｍ／ｍｍ／℃；以下この単位は省略する。）程度である、マグネシウムを用いた場合、−１０℃〜５５℃でのヒートサイクル試験により、特性が変動してしまう現象が確認されたのに対し、アルミニウム（線膨張係数２３×１０−６程度）、ステンレス鋼基材（線膨張係数１７×１０−６程度）では安定した測定が可能であることを確認した。一方、基材をチタン（線膨張係数８．６×１０−６程度）で作製した場合、線膨張係数が小さく測定感度が低すぎた。従って、アレイ固定基材１７の材料の線膨張係数は、８．６×１０−６以上、２３×１０−６以下の範囲とすることが望ましい。
また、アレイ固定基板１７が石英ガラスなどの線膨張係数の小さい材料でできている場合、図８に示すように、３心アレイ１２とアレイ固定基材１７の接着を、ミラー１３から遠い位置で固定すると大きな距離変化が得られる。接着面積や接着強度などを考えると、３心アレイ１２の半分より、ミラー１３から遠い側で固定するのが良い。さらに、ミラー１３の基材の線膨張係数をアレイ固定基材１７よりも小さくすることによっても、温度変化による距離変動を大きくすることができる。このため、ミラー１３の基材には、アレイ固定基材１７よりも線膨張係数の小さいものを用いる方が良い。具体的なミラー１３の構成としては、ガラス基材に反射膜を蒸着したものなどが使用可能である。
前記構成で作製した測定部１１の場合、−２０℃から１００℃の温度変化で得られる距離変化は１０〜３０μｍ程度である。角度θがゼロでなければ、どの様な角度のアレイを用いても測定は可能であるが、図６に示した距離依存性のデータより、測定感度を高くするためには、光ファイバ固定角度θは８°以上とすることが望ましい。一方、固定角度θを１０°以上の角度にしても、余り特性に変化が無いことに加え、反射ミラーと光ファイバ端面の距離が近くなりすぎ、作製が困難になるため、固定角度θを１０°以上にする意味はあまり無い。特に、固定角度θが２０°以上では、ファイバ端面と反射ミラーの距離が近くなり、受光ファイバ１と２への結合が同時に起こりにくくなるため、実用的ではない。
図９は、前記構成で作製した測定部１１を有する光ファイバ式温度計１を用いて温度を測定した結果を示すグラフである。図９に示すように、温度変化によりほぼ線形に測定値が変化し、温度計として使用可能であることが確認できる。つまり、前記構成で作製した光ファイバ式温度計１は、安価でありながら高精度の温度計として使用可能であることが確認できた。なお、本構成では、固定角度θ＝１０°の３心アレイ１２を、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）で作製したアレイ固定基材１７に固定した。ミラー１３は、ガラス基板にアルミニウムを蒸着したものを用いている。光源２は、中心波長が約１．３μｍのＬＥＤ光源を使用し、受光部６，７にはフォトダイオードを用いた。フォトダイオードで得られた電流信号は、増幅器８，９としてのオペアンプにより電圧信号に変換した後、演算処理回路１０で演算している。
次に、本発明に係る温度補償型光ファイバセンサの実施形態を説明する。
図１０及び図１１は、本発明に係る温度補償型光ファイバセンサの一実施形態を示し、図１０は温度補償型光ファイバセンサ２０の構成図、１１は温度補償型光ファイバセンサ２０における測定部の構造を示す断面図である。これらの図中、符号２０は温度補償型光ファイバセンサ、２１は圧力センサ、２２は光源、２３は投光用光ファイバ、２４及び２５は受光用光ファイバ、２６及び２７は受光部、２８及び２９は増幅器、３０は演算処理回路、３１は測定部、３２は圧力測定用３心アレイ、３３はミラー、３４は反射面、３５はダイアフラム、３６は外装体、３７は光分岐素子である。
図１０及び図１１は、本発明に係る温度補償型光ファイバセンサの一実施形態を示し、図１０は温度補償型光ファイバセンサ２０の構成図、１１は温度補償型光ファイバセンサ２０における測定部の構造を示す断面図である。これらの図中、符号２０は温度補償型光ファイバセンサ、２１は圧力センサ、２２は光源、２３は投光用光ファイバ、２４及び２５は受光用光ファイバ、２６及び２７は受光部、２８及び２９は増幅器、３０は演算処理回路、３１は測定部、３２は圧力測定用３心アレイ、３３はミラー、３４は反射面、３５はダイアフラム、３６は外装体、３７は光分岐素子である。
実施形態の温度補償型光ファイバセンサ２０は、光学式物理センサを二つ用い、一方のセンサで測定した温度により、他方の光学式物理センサの温度依存性を補償するタイプの温度補償型光ファイバセンサ２０であって、温度を測定する前記一方のセンサとして、前述した光ファイバ式温度計１を用いている。また、本実施形態の温度補償型光ファイバセンサ２０において、他方の光学式物理センサは、圧力センサ２１になっているが、これは一例であって、圧力センサ以外の光学式物理センサとして構成することも可能である。
本実施形態の温度補償型光ファイバセンサ２０において、圧力センサ２１は、前記光ファイバ式温度計１と同様の構成になっている。すなわち、この圧力センサ２１は、光源２２からの光を測定部３１に伝送する１本の投光用光ファイバ２３と、測定部３１に配置したミラー３３の反射面３４で反射した光を二つの受光部２６，２７それぞれに伝送する２本の受光用光ファイバ２４，２５と、二つの受光部２６，２７からの電気信号の比から測定部３１の圧力変化を演算する演算処理回路３０とを有している。また、反射面３４に対向させた３つの光ファイバ端面は、光ファイバ長手方向と反対面に対する法線とのなす角度θが非ゼロとなるように固定され、２本の受光用光ファイバ２４，２５は平行であり、投光用光ファイバ２３と受光用光ファイバ２４，２５の固定角度は反射面に対する法線を基準に対称であり、且つ前記各光ファイバ２３〜２５は使用する波長においてシングルモードである。
この時、ファイバ固定角度θは、圧力変化による変化量に対応して決めることができる。角度θが４°よりも小さいと、感度が低く光パワーも小さくなるので、４°以上であることが望ましい。
この時、ファイバ固定角度θは、圧力変化による変化量に対応して決めることができる。角度θが４°よりも小さいと、感度が低く光パワーも小さくなるので、４°以上であることが望ましい。
この温度補償型光ファイバセンサ２０において、光ファイバ式温度計１と圧力センサ２１の測定部３１とは、同じ外装体３６の隣接した位置に配置されており、圧力センサ２１のミラー３３は、外装体３６に取り付けられたダイアフラム３５に固定されている。圧力センサ２１の測定部３１側には、図７及び図８に示す光ファイバ温度計１の測定部１１と同様に、投光用光ファイバ２３と２本の受光用光ファイバ２４，２５の測定部側の端部をＶ溝アレイ基板に固定した圧力測定用３心アレイ３２が設けられている。このダイアフラム３５は、外装体３６の外圧と内圧との圧力差に応じて撓み、その結果、圧力測定用３心アレイ３２とミラー３３との距離が変化し、これによって圧力を測定できるようになっている。
本実施形態の温度補償型光ファイバセンサ２０において、光源２２からの光は、光カプラなどの光分岐素子３７によって、光ファイバ式温度計１の投光用光ファイバ３と圧力センサ２１の投光用光ファイバ２３とに分岐して導光できるようになっている。
光源２２からの光は、光分岐素子３７により２つに分岐され、それぞれが別々の３心アレイ１２，３２に導光される。圧力センサ２１では、被測定物理量（ここでは圧力）と環境温度の変化により測定値が変化するが、光ファイバ式温度計１では温度変化のみに依存して、測定値が変化する構成になっている。この時、圧力センサ２１の温度変化による測定値変動を予め測定しておくことにより、光ファイバ式温度計１による温度測定結果から、圧力センサ２１の温度変動分を演算により補償し、被測定物理量のみを得ることが可能になる。本構成では、被測定物理量と温度の測定手段が、ともに３心アレイ構造としているので、部材調達や作製工程が共通化できる利点がある。また、光分岐素子３７を用いていることにより、複数の光源を用いる必要が無く安価な測定系を構築できる。光分岐素子３７は、測定部３１と検出部６，７，２６，２７の間に用いていないため、光分岐素子３７の分岐比が変化しても、測定値に影響を与えることが無いため、融着延伸型光カプラなど安価な分岐素子を用いることも可能である。
図１１は、図６に示した温度測定用３心アレイ１２と、圧力測定用３心アレイ３２を組み合わせた温度補償型圧力センサの測定部３１を示す構成図である。圧力により変化するダイアフラム３５にミラー３３を固定し、その変化量を圧力測定用３心アレイ３２を用いて検出する。
本測定部３１の構造の具体例を記すと、ダイアフラム３５は、４００ｋＰａの圧力に対して２００μｍ変化するものを用いた。また、圧力測定用３心アレイ３２は、固定角度θが５°のものを用いた。光源および受光部の構成は、図９の温度測定時と同等とした。
図１２は、前記測定部３１の具体例に従って作製した圧力センサ２１を用いた圧力測定の結果（温度補償なしの状態）を示すグラフである。図１２に示す通り、この圧力センサ２１においては、圧力変化とパワー比とが直線関係になっており、圧力センサとして十分な性能を有していることが分かる。
図１２は、前記測定部３１の具体例に従って作製した圧力センサ２１を用いた圧力測定の結果（温度補償なしの状態）を示すグラフである。図１２に示す通り、この圧力センサ２１においては、圧力変化とパワー比とが直線関係になっており、圧力センサとして十分な性能を有していることが分かる。
さらに、本実施形態の温度補償型光ファイバセンサ２０では、測定部３１において圧力変化と同時に温度変化を測定し、圧力測定値の温度による影響を予め測定しておき、その影響を温度測定用アレイから得られた温度情報を元に演算回路で差し引いて出力することにより、温度補償を実現している。
図１３は、温度測定結果を元に温度補償演算した後の圧力測定結果を示す。この結果、全ての圧力範囲（０〜４００ｋＰａ）、温度範囲（−１０〜５５℃）で±０．２％以下と、高精度に測定できることが確認された。
本発明によれば、安価で高精度に温度を測定し得る光ファイバ式温度計、及びそれを用いて温度変化による測定誤差を補償することにより、高精度な測定が可能な温度補償型光ファイバセンサの提供が可能となる。
Claims (12)
- 光源からの光を測定部に伝送する１本の投光用光ファイバと、測定部に配置したミラーの反射面で反射した光を二つの受光部それぞれに伝送する２本の受光用光ファイバと、二つの受光部からの電気信号の比から測定部の温度を演算する演算処理回路とを有し、反射面に対向させた３つの光ファイバ端面は、光ファイバ長手方向と反対面に対する法線とのなす角度θが非ゼロとなるように固定され、２本の受光用光ファイバは平行であり、投光用光ファイバと受光用光ファイバの固定角度は反射面に対する法線を基準に対称であり、且つ前記各光ファイバは使用する波長においてシングルモードである光ファイバ式温度計。
- 前記角度θが８°以上である請求項１に記載の光ファイバ式温度計。
- 前記測定部は、前記投光用光ファイバと２本の受光用光ファイバの測定部側の端部をＶ溝アレイ基板に固定した温度測定用３心アレイと、前記ミラーとをアレイ固定基材に固定して構成された請求項１又は２に記載の光ファイバ式温度計。
- 前記ミラーの基材の線膨張係数が、前記アレイ固定基材の材料の線膨張係数より小さい請求項３に記載の光ファイバ式温度計。
- 前記アレイ固定基材の線膨張係数が８．６×１０−６〜２７×１０−６ｍｍ／ｍｍ／℃の範囲である請求項３又は４に記載の光ファイバ式温度計。
- 前記温度測定用３心アレイが、石英ガラスからなるＶ溝アレイ基板と光ファイバ押え蓋とを有する請求項３〜５のいずれかに記載の光ファイバ式温度計。
- 光学式物理センサを二つ用い、一方のセンサで測定した温度により、他方の光学式物理センサの温度依存性を補償する温度補償型光ファイバセンサであって、
温度を測定する前記一方のセンサが、請求項１〜６のいずれかに記載の光ファイバ式温度計である温度補償型光ファイバセンサ。 - 前記他方の光学式物理センサが、光源からの光を測定部に伝送する１本の投光用光ファイバと、測定部に配置したミラーの反射面で反射した光を二つの受光部それぞれに伝送する２本の受光用光ファイバと、二つの受光部からの電気信号の比から測定部の温度を演算する演算処理回路とを有し、反射面に対向させた３つの光ファイバ端面は、光ファイバ長手方向と反対面に対する法線とのなす角度θが非ゼロとなるように固定され、２本の受光用光ファイバは平行であり、投光用光ファイバと受光用光ファイバの固定角度は反射面に対する法線を基準に対称であり、且つ前記各光ファイバは使用する波長においてシングルモードである請求項７に記載の温度補償型光ファイバセンサ。
- 前記角度θが４°以上である請求項８に記載の温度補償型光ファイバセンサ。
- 前記光ファイバ式温度計の測定部と、前記光学式物理センサの測定部とが、同じ外装体の隣接した位置に配置されている請求項９に記載の温度補償型光ファイバセンサ。
- 前記光学式物理センサのミラーが、前記外装体に取り付けられたダイアフラムに固定された請求項１０に記載の温度補償型光ファイバセンサ。
- 光源からの光を前記光ファイバ式温度計の投光用光ファイバと前記光学式物理センサの投光用光ファイバとに分岐して導光する光分岐素子を設けた請求項９〜１１のいずれかに記載の温度補償型光ファイバセンサ。
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