JP5178093B2 - 光式センサ - Google Patents

Description

本発明は、光強度の変化を測定することにより圧力や温度などの物理量を検出する光式センサに関し、特に、光の伝送経路において歪みが生じても、高い測定精度を保つことが可能な光式センサに関する。

従来、被測定物の変位、温度、圧力等の物理量を測定するセンサとして電気式センサが一般に良く知られている。しかしこの場合は、測定信号（電気信号）を電線により遠隔地に伝送するため、電磁雑音の影響を受け易く、測定誤差の要因となるという問題を有していた。これに対して光式センサでは、測定信号を光信号に変換し、光ファイバで遠隔地に伝送するため、電磁雑音の影響を受けることなく信号伝送することが可能であり、測定誤差も少なく、非常に高精度な測定が可能となるという利点を有している（特許文献１〜７参照。）。

このような光式物理量センサとしては、圧力によってひずむ機構を有する起歪体（たとえば、ブルドン管など）を用い、圧力変化をひずみ変化に変換し、このひずみをファイバグレーティング（ＦＢＧ）で検知するものなどがある。また、光ファイバ端面に圧力によって位置変動する反射板（ダイアフラムなど）を対向配置させて固定し、光ファイバ端面からの出射光が反射板で反射する反射光と測定することで位置変動を検知し、その位置変動量から圧力を検出するものなどがある。
このように、光式センサが注目されている状況下において、本出願人は、特許文献９に開示されたような高い測定精度をもつ光式センサを提案している。

特許文献９に開示された光式センサは、図１に示すように、反射面５を持つ被測定物６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７に、光源１からの光を伝送する第１光ファイバ２（投光用光ファイバ）と、測定部７の反射面５で反射した光を受光部８Ａ，８Ｂそれぞれに伝送する第２、第３光ファイバ３，４（受光用光ファイバ）と、受光部８Ａ，８Ｂからの電気信号の比をとり物理量を算出する演算処理部９とから構成されている。

図２は、図１に示す光式センサの測定部７の拡大図である。この光式センサは、第１光ファイバ２の端面から、相対距離Ｄだけ離間して配置された被測定物６に向けて光を照射し、第２及び第３光ファイバ３，４でこの反射光を受光し、被測定物の変位量を算出する。第１光ファイバ２は、その長手方向と被測定物６の照射面に対する法線とが角度θとなるように配置され、第２及び第３光ファイバ３，４は平行配置され、且つその長手方向と前記法線とが角度θとなるように配置され、第１光ファイバ２と、第２及び第３光ファイバ３，４とは法線を介して対向配置され、第１から第３光ファイバ２，３，４は使用波長でシングルモードであることを特徴としている。以下、本構成の光式センサを３心アレイ式センサと呼ぶ。

次に、図３を参照して、相対距離Ｄの変化に対する光強度及び強度比の変化特性を説明する。同図において、横軸は相対距離Ｄを示し、縦左軸は光強度、縦右軸は強度比を示している。この特性グラフは、第１から第３光ファイバの端面と反射面との相対距離Ｄの変化に対する第２、第３光ファイバそれぞれの反射光強度Ｐ１，Ｐ２及び強度比Ｆ（Ｐ１，Ｐ２）の変化を示したものである。以下、この変化特性を距離依存性と呼ぶ。なお、強度比Ｆの算出式は、Ｆ（Ｐ１，Ｐ２）＝（Ｐ１−Ｐ２）／（Ｐ１＋Ｐ２）とした。

この距離依存性に示されているように、強度比Ｆ（Ｐ１，Ｐ２）は、ほぼ線形のスロープ部を有する曲線となる。物理量の測定を行う場合には、このスロープ部が使用され、より線形である方が、距離変化を物理量に変換する補正関数がシンプルとなり、演算処理し易く、誤差が小さいという利点がある。一方、測定感度は、スロープのΔ＝ｄＦ（Ｐ１，Ｐ２）／ｄＤで表され、Δが大きい方が測定感度は高くなる。

図４に、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強度比Ｆの距離依存性を示す。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。すなわち、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部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、測定感度を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。
以上説明したように、相対距離Ｄは、強度比Ｆから導くことができる。すなわち、光源の光強度変動や、第１光ファイバにおいて曲げ損失等による光強度変動が生じたとしても、強度比Ｆは変化せず、精度良く相対距離Ｄを算出することができる。
特許第３３０４６９６号公報 特開２００３−２１４９６６号公報 特公平６−８７２４号公報 米国特許第４９９６４１８号明細書 米国特許第５０６８５２７号明細書 特開昭６１−２７５６３２号公報 特開昭６３−１６９５２１号公報 特開２００５−４９６７０号公報 特開２００７−２４８２６号公報

しかしながら、前述した従来の３心アレイ式センサにあっては、第２、第３光ファイバにおいて曲げ損失等による光強度変動量に差異があった場合、強度比Ｆは変化してしまうので、算出される相対距離Ｄの精度が悪くなってしまうという問題があった。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、光の伝送路における曲げ損失に起因した測定精度悪化を低減することができる光式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、光源と、前記光源からの光を被測定物に伝送する１本の投光用光ファイバと、被測定物の反射面から反射された光を２つの受光部へとそれぞれ伝送する２本の受光用光ファイバと、２つの受光部からの電気信号の比をもとに物理量を算出する演算処理部とを有し、反射面に対向させた３本の光ファイバは、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θ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、かつ投光用光ファイバと受光用光ファイバとの固定角度は反射面に対する法線を基軸に対称であり、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式センサにおいて、
１本の投光用光ファイバと、２本の受光用光ファイバと、１本以上のダミー用ファイバとが一括被覆されたテープ化部を有しており、該テープ化部では２本の受光用光ファイバはそれぞれ隣り合うように固定されているとともに、その２本の受光用光ファイバの両側にそれぞれ１本以上の投光用光ファイバ又はダミー用光ファイバを備え、前記テープ化部において、光ファイバケーブルを有することを特徴とする光式センサを提供する。

本発明の光式センサは、２本の受光用光ファイバを一括被覆したテープ化部を有する構成としたので、光の伝送路における曲げ損失に起因した測定精度悪化を低減することができ、測定精度の高い光式センサを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図５は、本発明の光式センサの第１実施形態を示す構成図である。本実施形態の光式センサは、光源１１と、光源１１からの光を被測定物であるダイアフラム１６に伝送する１本の投光用の第１光ファイバ１２と、このダイアフラム１６の反射面１５で反射された光を２つの受光部１８Ａ，１８Ｂへとそれぞれ伝送する２本の受光用の第２、第３光ファイバ１３，１４と、２つの受光部１８Ａ，１８Ｂのそれぞれの増幅器２０Ａ，２０Ｂから出力された電気信号の比をもとに物理量を算出する演算処理部１９とを主要な構成要素としている。反射面２２に対向させた３本の光ファイバ１２，１３，１４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θとなるように固定され、２本の受光用の第２及び第３光ファイバ１３，１４は平行であり、かつ投光用の第１光ファイバ１２と、受光用の第２及び第３光ファイバ１３，１４との固定角度は反射面に対する法線を基準に対称であり、これら第１〜第３光ファイバ１２〜１４は、使用する波長においてシングルモードである。本実施形態の光式センサは、２本の受光用の第２及び第３光ファイバ１３，１４に、これらファイバを一括被覆した２心テープ化部２１を設けたことを特徴としている。

本実施形態の光式センサにおいて、ダイアフラム１６は、検出部１７の圧力に応じて変位し、これによって反射面１５と各光ファイバ１２〜１４端面との相対距離Ｄがその圧力によって変動するようになっている。光源１１は、波長１．３μｍ帯で発光する発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いている。受光部１８Ａ，１８Ｂは、受光用の第２及び第３光ファイバ１３，１４を通して伝送された反射光を受光して光電変換するフォトダイオード（ＰＤ）を用いている。そして、これらの受光部１８Ａ，１８Ｂで変換された電気信号は、増幅器２０Ａ，２０Ｂで増幅された後、演算処理部１９に入力し、その演算処理回路において、それらの信号の強度比Ｆを演算し、光ファイバ１３，１４端面とダイアフラム１６との相対距離Ｄを算出するようになっている。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θは６°とし、それぞれの光ファイバ１２〜１３の先端部には、Ｖ溝加工を施した石英基板上にＵＶ樹脂で固定された３心ファイバアレイ２２が形成されている。なお、すべての光ファイバ１２〜１４は、通信用として一般的に使用されているシングルモード光ファイバである。

２本の受光用の第２及び第３光ファイバ１３，１４には、これらファイバを一括被覆した２心テープ化部２１が形成されている。ここで、テープ化とは、複数本の光ファイバを同一平面状でそれぞれ隣り合うようにＵＶ樹脂等で固定し、テープ状にすることである。

ここで、２本の受光用の第２及び第３光ファイバ１３，１４をテープ化することによって得られる効果について説明する。前述したように、本光式センサでは、強度比Ｆ（Ｐ１，Ｐ２）を算出することによって相対距離Ｄを導出することができ、強度比Ｆの算出式は、Ｆ（Ｐ１，Ｐ２）＝（Ｐ１−Ｐ２）／（Ｐ１＋Ｐ２）である。実際に、図５に示す光式センサを用いて距離依存性を測定すると、図６に示す特性が得られ、ほぼ線形となるスロープ部を利用して演算を容易にするための強度比Ｆの使用可能範囲は０．８となる。

測定フルスパンをこの０．８としたとき、第２光ファイバ１３のみに０．０５ｄＢの曲げ損失が生じたと仮定すると、強度比Ｆにおいてフルスパンの約０．７％の測定誤差が発生することになる。一般に、上下水道で使用される水位センサに要求される測定精度は、フルスパンの±０．３％程度であるため、０．７％の誤差は許容できない。なお、モードフィールド径９．２μｍの一般的なシングルモード光ファイバにおいて、０．０５ｄＢ／ｍの曲げ損失とは、曲げ直径３５ｍｍの際に発生するものである。

ところで、２心テープファイバを曲げたときにそれぞれのファイバで発生する損失について考えてみる。この場合、２本の光ファイバと同一平面上でテープファイバを曲げたときに、それぞれのファイバの曲げ直径差が最大となり、それぞれのファイバに生じる曲げ損失差が最大となる。この時の曲げ半径差は、ほぼ光ファイバ外径２５０μｍであるため、前述の直径約３５ｍｍの曲げが発生したときの曲げ損失差は０．００５ｄＢ以下となり、測定誤差は０．１％以下となる。すなわち、２本の受光用光ファイバをチープ化することによって、光の伝送路における曲げ損失に起因した測定精度悪化を低減することができる。

図７は、本発明の光式センサの第２実施形態を示す構成図である。
本実施形態の光式センサは、前述した図５に示す第１実施形態の光式センサとほぼ同様の構成要素を備えて構成され、同一の構成要素には同一符号を付している。

本実施形態では、投光用の第１光ファイバ１２と、２本の受光用の第２及び第３光ファイバ１３，１４と、１本以上のダミー用光ファイバ２３とを一括被覆した４心テープ化部２４を有することを特徴としている。この４心テープ化部２４において、第２光ファイバ１３と第３光ファイバ１４とは隣り合っていて、第２光ファイバ１３のもう一方の側は第１光ファイバ１２が隣り合い、第３光ファイバ１４のもう一方の側はダミー用光ファイバ２３が隣り合っている。

ここでは、一般的に通信用途で使用される４心テープ光ファイバを利用することができ、この場合はテープ化作業工程を省くことが可能なので低コスト化を図ることができる。ここでダミー用光ファイバ２３とは、光を伝達する用途で利用されるのではなく、テープ化されたファイバの機械的強度を向上させるために用いる光ファイバである。

図８は、本発明の光式センサの第３実施形態を示す構成図である。
本実施形態の光式センサは、前述した図５に示す第１実施形態及び図７に示す第２実施形態のそれぞれの光式センサとほぼ同様の構成要素を備えて構成され、同一の構成要素には同一符号を付している。

本実施形態では、４心テープ化部２４において、さらに光ファイバケーブル２５を有することを特徴としている。ここで利用できる光ファイバケーブル２５は、一般的に通信用途で使用されるドロップケーブルやテーブルスロット型光ファイバケーブル等であるため、低コストで調達しやすいという利点がある。また、屋外環境での使用を想定した場合は、本実施形態のように光ファイバを保護するために光ファイバケーブル２５を適用することが望ましい。

従来の３心アレイ式センサの構成図である。 図１のセンサの測定部の拡大図である。 ３心アレイ式センサにおける相対距離Ｄと光強度、強度比Ｆとの関係を例示するグラフである。 ３心アレイ式センサにおける相対距離Ｄと強度比Ｆの角度依存性を例示するグラフである。 本発明の光式センサの第１実施形態を示す構成図である。 図５の光式センサにおける距離依存性の測定結果を例示するグラフである。 本発明の光式センサの第２実施形態を示す構成図である。 本発明の光式センサの第３実施形態を示す構成図である。

符号の説明

１１…光源、１２…第１光ファイバ（投光用光ファイバ）、１３…第２光ファイバ（受光用光ファイバ）、１４…第３光ファイバ（受光用光ファイバ）、１５…反射面、１６…ダイアフラム（被測定物）、１７…検出部、１８Ａ，１８Ｂ…受光部、１９…演算処理部、２０Ａ，２０Ｂ…増幅部、２１…２心テープ化部、２２…３心ファイバアレイ、２３…ダミー用光ファイバ、２４…４心テープ化部、２５…光ファイバケーブル。

Claims (1)

1. 光源と、前記光源からの光を被測定物に伝送する１本の投光用光ファイバと、被測定物の反射面から反射された光を２つの受光部へとそれぞれ伝送する２本の受光用光ファイバと、２つの受光部からの電気信号の比をもとに物理量を算出する演算処理部とを有し、反射面に対向させた３本の光ファイバは、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θ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、かつ投光用光ファイバと受光用光ファイバとの固定角度は反射面に対する法線を基軸に対称であり、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式センサにおいて、
   １本の投光用光ファイバと、２本の受光用光ファイバと、１本以上のダミー用ファイバとが一括被覆されたテープ化部を有しており、該テープ化部では２本の受光用光ファイバはそれぞれ隣り合うように固定されているとともに、その２本の受光用光ファイバの両側にそれぞれ１本以上の投光用光ファイバ又はダミー用光ファイバを備え、前記テープ化部において、光ファイバケーブルを有することを特徴とする光式センサ。

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