JP6297064B2 - 非接触式圧力測定用光学センサ - Google Patents

Description

本発明は非接触式圧力測定用光学センサに関する。

圧力測定用光学センサは、概して、圧力パラメータを測定するために採用される異なる手法に応じて主に２つの異なる群、すなわち「干渉計測」光学センサ及び「強度変調」光学センサに大別できる。「干渉計測」光学センサでは、入射する光プローブビームと、光学感圧素子（ブラッグ型、ファブリーぺロー型、マイケルソン型、マッハツェンダー型干渉計を使用）から出射するビームとの間の位相変化から圧力を測定する。「強度変調」光学センサでは、入射する光プローブビームと、光学感圧素子（通常、感圧ダイヤフラムの反射面）から出射するビームとの間の強度変化から、圧力を直接測定する。「強度変調」光学センサでは、感圧反射ダイヤフラムの前に入射光ビームを伝搬させるため、かつ、そのダイヤフラム自体によって反射した光ビームを集光させるために光ファイバーを使用する。

「干渉計測」センサは、「強度変調」センサよりも高解像度で圧力を測定する利点を有する。しかしその反面、「干渉計測」センサは、干渉計に関連して使用される光学的設計がより複雑なため、（産業環境でよくある）機械振動に対してより敏感であり、信頼性に劣る。干渉計の使用及びコヒーレントなレーザー源の必要性から、廉価でインコヒーレントなＬＥＤ源を使用できる岩のように堅牢な光学「強度変調」センサよりも、「干渉計測」センサは更に高価になる。

光学センサは、非接触条件下での圧力測定を可能とする。そのため、自動車分野におけるエンジンシリンダの燃焼室の場合のように、高速かつ周期的な圧力変化を継続的に監視する必要のあるあらゆる用途において、このようなセンサは非常に興味深いものとなっている。

光学センサは、産業環境の測定領域で頻繁に発生する電波障害による影響を受けにくく、ＥＭＩ問題に対して本質的に影響を受けず電気的に受動的な光ファイバーのみによってその光プローブを測定領域に到達させて使用する。このような光学センサでは、光信号を伝送し検出するために必要な全ての能動装置を、圧力測定領域から十分に離れた位置に、通常はＥＭＩ問題が発生することのない制御された位置に配置することにより、ＥＭＩ又はＲＦ障害による信号劣化を除去している。

圧力が監視されるべき領域において能動電子機器を全く必要としない非接触方式光学センサを使用して行う圧力測定によって、センサ自体の全体的な信頼性は大きく向上する。それゆえ、プラスチック押出成形、射出成型、及びブロー成形関連用途や、エンジンシリンダの燃焼室における圧力測定を監視しなければならない自動車関連用途のように、非常に高い処理温度のため条件が過酷な産業環境にとって、この種類のセンサの使用は非常に魅力的である。この圧力測定は、爆発性・可燃性の気体又は物質の存在に起因する過酷な条件下の産業領域での安全性を大きく向上する。

伝送媒体としてシングルモードファイバーを使用する光学センサは、数十キロメートルの距離まで圧力測定が可能である。それゆえ、このセンサは、石油リグ、井戸堀削システム、及び石油パイプラインの圧力測定において非常に魅力的である。

また、この光学センサは、非常に高い圧力レベルの測定が可能である。これは、その圧力変換器が、ＲｏＨＳ指令を完全に遵守するよう水銀（Ｈｇ）や潜在的危険性を有する他の流体を使用せず高温での厚さ及び圧力を変更することで圧力変形を変化させることのできる変形可能感圧ダイヤフラムに基づくからである。

光学センサが登場する前から、他の種類の圧力測定用センサとして「圧電」圧力センサや「ピエゾ抵抗」圧力センサが開発されてきた。「圧電」電子センサに利用される物理法則は、ある特定の結晶（圧電性結晶）によって発揮される圧電効果であり、特定の方向に沿って結晶に加わる圧力が変化すると、結晶自体に電圧変化が生じ、この変化が加えられる圧力の測定値となる。「ピエゾ抵抗」電子圧力センサでは、通常ホイートストンブリッジに対する圧力によって誘引される抵抗器の変化により圧力変化を測定する。この２種類のセンサは過酷な条件に達する産業環境において広く普及したとしても、上記に列挙した利点の多くはこの種のセンサに当てはまらない。具体的には、このようなセンサでは、変換器チップと感圧ダイヤフラムとが機械的に接触する必要がある。変換器チップは、圧力が監視されるべき領域に極めて近い箇所（感圧ダイヤフラムから通常数ミリメートル）に配設される必要のある能動電子機器である。このため、非常に高い温度に関連する過酷な条件の領域で動作させる場合の信頼性は低く、また、電力供給を必要とする。ＥＭＩ問題を回避する金属容器で通常のように変換器チップを遮蔽しても、検出及び信号調節用に必要な電子部品に依然としてＥＭＩ問題が起こり得る。これは、長く高価な電気ケーブルを使用して低振幅信号の劣化を回避するため、依然としてこの電子部品を変換器チップボックスに十分近付けなければならないためである。最後に、測定される各圧力範囲に対して個別に変換器チップを設計する必要がある。これにより、容積に依存する経済効果が関連する製造コスト削減に影響を受ける可能性が低くなる。

特許文献１には、加えられる音響又は力学的エネルギーに応じて光学的結合係数を変化させることが可能な変換器の全体的な基礎が開示されている。すなわち、異なる２つのファイバー間に変換素子が配置され、第１ファイバーは入射光ビームを変換素子に供給する入力ファイバーとして使用され、第２ファイバーは変換素子の後に光ビームを受光する出力ファイバーとして使用される。音響又は力学的エネルギーに応じて光学的結合係数を変化させることによって、この変換器はエネルギー変化を強度変調光信号に変換することが可能である。他の多くの特許において、２つ以上の光ファイバーに基づく同様な発明が開示されている。

特許文献２には、変形可能な圧力ダイヤフラムの表面に回折格子が設けられた光学圧力センサが開示されている。この格子は入力光ファイバーからの光ビームによって照らされる。格子から反射されるビームが、出力光ファイバーリボンを用いて集光され、変調強度信号が、回折ビームの位置変化を検出可能な光位置検出器に供給される。複数のファイバー又はリボンに基づく光学センサ設計は、シングルファイバーに基づく光学センサ解決法と比べて複雑であり、信頼性の高い大量生産プロセスで製造するのが難しく、かつよりコンパクトに一体化するには更に複雑となる。

特許文献３、特許文献４及び特許文献５には、点火プラグ内で利用可能となるようにコンパクトに一体化できるように、シングルファイバー手法と反射ダイヤフラムとを用いたエンジンの燃焼室内圧力測定用光ファイバーセンサが開示されている。特に感圧ダイヤフラムの小さな変形を検出し反射光信号の変動を測定する際に、センサの感受性及び信号対ノイズ比（ＳＮＲ）の向上は非常に重要な因子である。これは、信頼できる方式で高圧レベル（１００〜１０００バール）の測定に光学センサを使用する際にますます重要になる。実際に、このような高圧レベルを測定しなければならない場合には、高圧作用による破損を回避するよう感圧ダイヤフラムを十分に厚くする必要がある。その反面、ダイヤフラムの厚さが増すと、その変形範囲は敏感に減少し、ＳＮＲ及び感受性が適切なレベルではないと、反射光信号の強度変動の検出に際立った支障をきたし得る。大きさを挙げれば、押出機内の圧力センサの標準的な条件に機械的に適合した半径が３．５ｍｍで厚さが１ｍｍの鋼製円状ダイヤフラムを使用して信頼できる方法で０〜５００バールの圧力範囲を測定しなければならない場合は、ダイヤフラムの全変位量は通常１５μｍとなる。１０バールの解像度が必要とされる場合とは、センサが０．３μｍの変位を光学的に検出可能であるべきことを意味する。

特許文献６には、シングル光ファイバーと反射ダイヤフラムとに基づいた光学圧力センサが開示されている。ここで、円状のファイバー端面由来の光円錐を拡大し、更に反射ダイヤフラムに投射することによって感受性を改善している。

特許文献７には、シングル光ファイバーと反射ダイヤフラムとに基づいた同様な光学圧力センサが開示されている。ここで、平坦な端面を有するテーパ付きファイバーを使用することによってファイバーの開口数（Ｎ．Ａ．）を増やすことを可能にし、上記発明と同様の基礎に基づき感受性改善を達成している。

先行技術に係る光学センサは、処理温度が非常に高いため過酷な条件下の産業環境では使用できない。実際、これは、光学的設計を最適化するために必要な利用可能な粘着剤及び材料（すなわち、光ファイバー縁で光戻り反射を減少させるために屈折率を一致させる反射防止層として使用される被覆材）、並びにセンサ自体の内部に光学素子を包装するために必要な粘着剤及び材料（例えば、ミラー、レンズ、ファイバー、等の光学素子を固定するために使用される粘着剤材料）の温度操作範囲が限定されるためである。特許文献８には、請求項１の前段部に記載された光学センサが開示されているが、ファブリーぺロー干渉計空洞部を形成するために導波路の端部はそれぞれに平行でなければならない。

米国特許第４０７１７５３号明細書 米国特許第４６２００９３号明細書 米国特許第５６０００７０号明細書 米国特許第６１３１４６５号明細書 米国特許第５３９０５４６号明細書 米国特許第４６７８９０２号明細書 米国特許第５４３８８７３号明細書 欧州特許第１０８９０２号明細書

先端技術に鑑み、本発明の目的は、既知のものよりも効果的であり、過酷な産業環境でも使用可能で信頼性が向上した非接触式圧力測定用光学センサを提供することである。

本発明によれば、センサヘッドを備える圧力測定用光学センサによって上記目的は達成される。このセンサヘッドは、センサヘッド（８）を備える圧力測定用光学センサであって、前記センサヘッド（８）が、圧力が測定されるべき流体と接触する第１面（９１）及びその第１面の反対側の第２面（９２）を有するダイヤフラム（９）と、管状空洞部（２００）を有する本体と、管状空洞部内に配置され、ダイヤフラムの第２面に関連付けられるとともに、ダイヤフラムの変形に応じて前記管状空洞部内で長手方向に移動可能な手段（９２、１０）であって、前記手段は反射面（９２，１０２）を含んでおり、管状空洞部内に配置され、前記手段の反射面（９２，１０２）に接触せずに対向する端面（１１）を有する導波手段（４）の端部（１２）であり、前記導波手段が、光源由来の光ビーム（５０）を前記手段に送り、かつ前記手段の反射面から反射される光ビーム（６０）をレシーバに集光するために、光源（１）及びレシーバ（５）にそれぞれ接続されており、その集光した光ビームの強度が、導波手段の端部の端面と反射面との間の距離（Ｄ）に応じて決まる端部（１２）と、を含む圧力測定用光学センサにおいて、導波手段の端部（１２）の端面（１１）は、光源由来の光ビームの入射角（θ_a）が導波手段と大気との間の臨界角（θ_c-air）よりも小さく、かつ導波手段の臨界角（θ_c）よりも大きくなるように、光軸（Ａ）に直交する面（Ｂ）に対して第１角度（α）だけ傾斜しているとともに、前記手段の反射面（１０２，９２）は、光軸（Ａ）に直交する面（Ｂ）に対して、導波手段の端部（１２）の前記端面（１１）からの光ビームの脱出角に等しい第２角度（β）だけ傾斜していることを特徴とするものである。

この光学センサの種類は「強度変調」光学センサであり、センサのＳＮＲ及び感受性を改善するために最適化された光学的設計と、操作温度が非常に高くなる過酷な産業環境でのこの光学センサの使用を可能にする製造方法とに基づいている。

感受性が改善され、レシーバ側の信号対ノイズ比が高い光学センサを使用することにより、高圧範囲を測定しなければならない場合の高圧効果による破損を回避するために厚みを持たせたダイヤフラムを使用しても、感圧ダイヤフラムの非常に小さい変位をより容易に検出できる。

非接触式光学圧力測定において圧力測定用光学センサを使用することは、センサヘッド内で可動感圧ダイヤフラムが他の部品と直接機械的に接触しないことを意味する（センサヘッド内で出力電圧を生じさせるため、検出チップと可動圧力ダイヤフラムとを直接接触させる必要のあるピエゾ抵抗センサや圧電センサの場合と対照的である）。処理温度が高くなる過酷な産業条件で本光学センサを使用できること、並びに、圧力値が高くなる過酷な産業条件で本光学センサを使用できることと共に、この「非接触式」の特徴によって、シリンダ燃焼室の圧力を測定するために自動車分野において本光学センサを使用できる。実際、エンジンの毎分回転数が非常に高い値であることを考慮すると、「非接触」方式で圧力測定を行うことが、圧電センサやピエゾ抵抗センサの場合のように変形可能な可動ダイヤフラムと他のセンサ部品との間の摩擦によるセンサの破損を回避するようセンサの堅牢性を高めるためには必須である。その反面、燃焼室で到達する非常に高い温度及び圧力（７００℃／２００バール）では、このような高温に適した材料と、高圧範囲及び高速な圧力変化に抵抗できるよう十分な厚さのダイヤフラムとに基づいた堅牢な光学的設計を光学センサに施すことが必要である。

本発明に係る光学センサでは、シングルモード又はマルチモード導波路、好ましくはシングルモード又はマルチモード光ファイバーを使用して、光源、例えばＬＥＤ又はレーザー由来の光を、圧力により変形可能なダイヤフラムの反射面の前に伝搬する。このファイバーの端面は、ダイヤフラムの直前に非常に近い箇所に配設される。このダイヤフラムはセンサヘッド本体の縁に備え付け又は封入される。

ダイヤフラムの反射面から戻り、ダイヤフラムの内面の直前でセンサヘッド内に配設された同ファイバー端面によって集光され戻される反射光ビームの強度を検出するために適切な光レシーバ、例えばＰＩＮ又はＡＰＤを使用する。ダイヤフラムの他の外面は、容器の空洞部を通った流体又は気体に直接接触する。この容器で、流体又は気体は、センサヘッドによって測定される圧力を生じる。センサヘッドは、容器の壁に配設された空洞部に配置、好ましくは備え付け又は螺合される。ファイバー端面によって集光された反射光ビームの強度は、ダイヤフラムの変形、特にダイヤフラムの中心位置の移動に応じて決まる。これは、容器内の圧力に応じて決まる。容器内の圧力が変化すると、これにより変形可能なダイヤフラムの反射面は移動し、反射光ビームの信号の強度も変化する。

本発明に係る光学センサにおいて、センサヘッド内で使用される導波手段、好ましくは光ファイバーの端面は、最適な角度に角度を付されて切断される。これにより、ファイバー端面で常に起こるフレネル戻り反射由来の光学ノイズレベルをレシーバ側において減少できる。実際、ファイバーガラスと大気との間の屈折率の差が大きいため、ファイバー端面のように屈折率が一致していない光界面に光ビームが到達すると、フレネル反射は常に発生する。本発明で使用されるファイバーの角度付切断端面は最適化されており、内在するフレネル反射によりファイバー端面で反射された光は光ファイバー自体によって伝搬され戻されることはない。これは、フレネル反射により反射される光線が、光ファイバー内で、使用するファイバーの臨界角よりも小さい入射角、すなわち、反射された光ビームがファイバーのコアとクラッドとの間の界面に入射する角度を有する場合に実現する。フレネル反射により反射された光は、レシーバ側で光学ノイズレベルが高くなる主な原因とある。これにより、光学センサのＳＮＲが劇的に劣化する。ファイバーの角度付切断端面を使用することによって、光ビームが脱出する方向がスネルの屈折法則に従って光ファイバー軸から偏向する。ファイバーの角度付切断端面によって集光される反射光の強度を最大化するために、台の反射面を適切に傾斜させて、入射光ビームを反射し、ファイバー自体から脱出した同じ位置に戻さなければならない。

また、ファイバーの角度付切断端面を使用することにより、高温操作条件に適さない反射防止被覆材を全く使用することなく、フレネル戻り反射に関するレシーバ性能に対する悪影響を解消できる。これにより、本発明に基づいたセンサは、温度が非常に高くなる過酷な産業環境での使用に適したものとなる。

本発明の光学センサによれば、既知のものよりも効果的であり、過酷な産業環境でも使用可能で信頼性が向上した非接触式圧力測定用光学センサを提供することができる。

本発明に係る圧力測定用光学センサの概略図である。 本発明に係る光学センサの光学センサヘッドの概略図である。 ＩＩ−ＩＩ線に沿った光学センサヘッドの断面である。 より詳細な光学センサヘッドの一部である。 図２ｂの光学センサヘッドの角度を付された光ファイバー端面及び台の詳細図である。 本発明に係る光学センサを使用した、可動反射面から反射し入射した光信号の測定結果である。 本発明に係る光学センサを使用した、可動反射面から反射し入射した光信号の測定結果である。 本発明に係る光学センサの光ファイバー端面から反射した光信号を予測及び測定した比較結果である。

本発明をより深く理解するため、以下、その好適な実施形態を純粋に非限定的な例に基づき添付図面を参照して説明する。

本発明に係る圧力測定用光学センサを図１〜３に示す。具体的には、この光学センサは、光源１、例えばＬＥＤ又はレーザー源を備える（図１）。光源１は、ファイバーによって光アイソレータ２と接続している。この光アイソレータは更に、方向性光カプラ３の入力ポートＰＯＲＴ１と光学的に接続している。光アイソレータ２は、反射され戻ってくる光が光源に到達して光源自体の光学的安定性が幾分か阻害されることを回避するために必要である。方向性光カプラ３は、別の入力ポートＰＯＲＴ２を備える。入力ポートＰＯＲＴ２は、ファイバーによってレシーバ５、例えばＰＩＮ又はＡＰＤと光学的に接続している。方向性光カプラ３の出力ポートＰＯＲＴ３は、導波手段４、例えばシングルモード又はマルチモード光ファイバーの入力と光学的に接続している。導波手段４は、光学センサヘッド８によって圧力パラメータを測定しなければならない遠隔の地点に到達するよう数メートル〜数キロメートルまでの十分な長さとすることができ、これにより、能動電子部品及び光学部品が配設される位置と受動的光学センサヘッド８のみが配置される位置とを分離できる。

光学センサヘッド８は、本光学センサによって測定される圧力を生じる流体又は気体によって内部を充填される容積７を規定する容器６の空洞部に配置され、好ましくは螺合により備え付けられる。

図２ａ−２ｃは、光学センサのヘッド８をより詳細に示す。ヘッド８（図２ｂ）は、好ましくは円状のダイヤフラム９を備える。ダイヤフラム９は、その外面９１に圧力が加わるときに変形可能になるように十分な薄さに設計される。外面９１は、容器内で流体又は気体と直接接触する面であって、その圧力が測定されるべきものである。一方、ダイヤフラム９は、高圧が加わっても耐えられるよう十分な厚さでなければならない。

光学センサのヘッド８は、その内部に管状空洞部２００を備え、好ましくはダイヤフラム９の外面９１と直交する。

ダイヤフラムの内面９２（すなわち、外面９１の反対側の面であって、管状空洞部２００に対向する又はその内側の面）を、光軸Ａとの直交面Ｂに対して角度α’だけ傾斜させてもよい。好ましくは、ダイヤフラム９の内面９２は、長手方向軸Ａと直交し、管状空洞部２００に対向する。台１０は、内面９２と接触して配設される。より詳細には、台１０の端面１０１は、ダイヤフラム９の内面９２に配設、備え付け、はんだ付け、又は直接設けられる。台１０は、端面１０１の反対側に他の端面１０２を有する。端面１０２は、反射可能で、光軸Ａとの直交面Ｂに対して角度α’だけ傾斜する（図２ｃ及び図３）。台１０はスぺーサーとして使用され、ダイヤフラム９の外面９１と導波手段４の端部１２との間の距離を大きくする。これにより、導波手段４はより低くより安全な温度に曝され、光ビーム伝搬に適した特徴が維持される。

好ましくは、台の面１０２がより反射できるように、それを研磨して（必要な場合には）金属で被覆して、その反射率を上げる。台１０と共にダイヤフラム９を、光学センサ１のヘッド８内に備え付け、レーザ溶接によってヘッド８に封入する。

導波手段４の端部１２は、台１０の反射内面１０２の前に配設される。端部１２は、光軸Ａとの直交面Ｂに対して角度αだけ傾斜する端面１１を有する。端部１２は以下の２つの機能を発揮するために必要である。

ａ）光源１由来の光ビームプローブ５０を台の反射面１０２の前に伝搬すること、及び
ｂ）台１０の反射面１０２から反射した光ビーム６０を集光し、この反射光ビーム６０をレシーバ５に伝搬して戻すこと。

容器６内で流体又は気体からダイヤフラム９を変形し得る値の圧力が加わると、端部１２の端面１１に向かって加わる圧力によって、台１０は長手方向、すなわち、光軸Ａに沿って管状空洞部２００内を移動する。ここで、端部１２の端面１１は、台１０の反射面１０２と接触していないが、適切な距離Ｄを介して台１０の前に配設される。距離Ｄは、ダイヤフラム９が最大に変形しても、導波手段４の端部１２と接触するほど台１０を移動させないことを確実にする距離である。

加わる圧力が高くなるほど、台１０はより大きく端面１１に向かって変位し、端部１２によって集光される反射光ビーム６０がより多く光学的に結合する。こうして、圧力パラメータが直接測定される。すなわち、レシーバ５から集光される反射光ビーム６０の強度は高くなり、検出される圧力値は高くなる。端部１２の外側の一部を金属又はセラミック製フェルール１３のスルービアホール内ではんだ付けされるように、端部１２のこの部分は金属被覆される。端部１２を内部に固定したフェルール１３は、金属スリーブ１４を介して更にはんだ付けされる。金属スリーブ１４をセンサヘッド８の本体１５内に備え付けて回転させることによって、台１０の反射面から反射する光ビーム６０と端面１１との間の光学的結合が最大化される。スリーブ１４も本体１５に封入される。

導波手段４の端部１２の端面１１は、面Ｂに対して最適なチルト角αに角度付されて切断されている。これにより、光源１由来の光ビームプローブ５０をレシーバ５に伝搬して戻す光ファイバー自体の能力を最小化できる。このような光反射は、ガラス及び大気の材料指数が一致しない導波路端縁において常に発生するフレネル反射と、導波手段４の異なる屈折率（特に、光ファイバーが導波手段４として使用される場合のコア４１の屈折率ｎ₁と大気のｎ₀）とによるものである。フレネル反射による戻り反射レベルをレシーバにおいて減少させることは、レシーバによって測定される光学ノイズレベルを劇的に減少させることを意味する。

導波手段４、好ましくはコア４１とクラッド４２とを備える光ファイバーは、内部を伝播した光ビームが臨界角θ_cを超える入射角γでコア−クラッド層界面に入射する際に、その内部で光ビームを伝搬させることができる。臨界角θ_cは、この界面と直交する面Ｂに対して形成される最小入射角であって、光ファイバーのコア及びクラッドの屈折率ｎ₁、ｎ₂の不一致によってビームの全反射が起こる角度である。

導波手段４の端部１２の端面１１は面Ｂに対して第１角度αだけ傾斜しており、手段１０の反射面１０２は面Ｂに対して第２角度α’だけ傾斜している。光源１由来の光ビーム５０が導波手段４と大気との間の臨界角θ_c-airよりも小さい角度で大気接触端面１１に入射し、これにより光ビーム５０はレシーバ５に伝搬されて戻らないことを確実にするように第１角度αは選択される。

端部１２内で端面１１から反射されるビームは、同導波手段、特にクラッド４２に吸収され、レシーバ５に伝搬され戻ることはないが、屈折した光ビーム５０の一部は端部１２から脱出角βで出射される。

好ましくは、端面１１の第１角度αは、反射されるビーム６１がファイバー内のコア−クラッド界面に対して入射角γを有するように、ファイバー先端からフレネル反射されるビームを反射し戻すことが可能な角度と規定される。ここで、入射角γはファイバー自体の臨界角θ_cよりも小さい（図３）。これにより、フレネル反射により反射されたビームは、このファイバーによってレシーバ側に伝搬され戻されることはなく、クラッド中に直ちに吸収される。

光ファイバー４の端部１２を切断するために採用される第１角度αは、ファイバー自体のコア層４１の屈折率ｎ₁と大気の屈折率ｎ₀との特定の差に応じて決まる。

例えば、導波手段４として、以下の表に示すパラメータを有するシングルモード光ファイバーを使用できる。

ここで、これらのパラメータは、コア及びクラッドの屈折率から始まる以下の式によって計算される。

ＮＡ＝ＡＲＣＳＥＮ（ｎ₁ ²−ｎ₂ ²）^１／２ （ＮＡ：開口数）
θ_a＝ＡＲＣＳＥＮ（ＮＡ） （θ_a：光ビーム５０と光軸Ａとの間に形成される受光角）
θ_c＝ＡＲＣＳＥＮ（ｎ₂／ｎ₁） （θ_c：光ファイバーの臨界角）
θ_c-air＝ＡＲＣＳＥＮ（ｎ₁／ｎ₀） （θ_c-air：光ファイバーのコア層４１と大気との間の臨界角）
θ_c‘＝９０°−θ_c＝ＡＲＣＣＯＳ（ｎ₂／ｎ₁）（θ_c’：臨界余角）
角度付端面１１を介して伝送された光ビーム５０は、以下のように計算される脱出角βでスネルの屈折法則に従って光ファイバー軸Ａから偏向する。

β＝ＡＲＣＳＥＮ（（ｎ₁／ｎ₀）・ＳＥＮ（α））−α（β：屈折する光ビーム５０と光軸Ａとの間に形成される角度付切断面１１からの脱出角、α：ファイバー切断角、ｎ₀：大気の屈折率＝１）。

角度付端面１１から脱出するビームは、台１０の傾斜反射面１０２に対して入射角φを有し、以下のように計算される。

Φ＝α’−β。ここで、α’は台１０の反射面１０２のチルト角である。

台１０の反射面１０２から反射され端部１２によって集光される信号を最大化するために、条件φ＝０が満たされなければならない。

以上の条件は、台１０の反射面１０２のチルト角α’が、次の条件を満たさなければならないことを意味する：α’＝β。

従って、台１０の反射面１０２は、ファイバーの角度付端面１１由来の光ビーム５０の脱出角βに等しい角度で切断されなければならない。これにより、反射した光ビーム６０は端面１１に入射角βで当たり、反射した光ビーム６０の屈折した一部は導波手段４の端部１２によって入射角θ_aで伝搬され戻る。入射角θ_aは、光源１由来の光ビーム５０の入射角である。

台１０の反射面１０２と角度付端面１１との初期の距離は、集光する光信号の測定を最適化できる空間的な値に定めなければならない。具体的には、この最適な距離は、台１０の反射面１０２から反射する光と端部１２自体によって戻り集光される光との間の光学的結合が多くなるよう十分に短いものでなければならない。

本発明に係る光学センサによって実施される圧力測定は、端面１１と台１０の反射面１０２との間の距離Ｄに依存する。

実際に、距離Ｄが大きくなると、レシーバ５から集光される（好ましくは、導波路の端部によって集光されて、レシーバに導かれ戻る）光ビームの強度は低下する。これは、距離Ｄが大きくなると、光ファイバー１２内で屈折する光ビームの量が減少することによって、反射光ビーム６０の端面１１上の入射点が、クラッドに対応する端面の部分に向かって移動するからである。実際に、反射光ビーム６０は開口数ＮＡの光円錐内に集まるため、距離Ｄが大きくなると、導波路４の端面１１に入射する光電力密度の減少につながり、導波路内で導かれる光の屈折する量を減少させる。

従って、台１０が光ファイバー縁１２に近づく（すなわち、ダイヤフラム９は大きく変形する、つまり、圧力値が高くなる）ほど、反射光ビーム６０が端面１１のコア層４１に当たることから測定される圧力値は高くなる。これに対し、台１０が光ファイバー縁１２から遠ざかる（すなわち、ダイヤフラム９は小さく変形する、つまり、圧力値が低くなる）ほど、コア層４１に当たる反射光ビーム６０の一部のみ光ファイバー内を伝搬し戻されてレシーバ５によって集光されるため、光ビームが光ファイバー１２のコア層４１及びクラッド層４２に部分的に当たり、測定される圧力値は低くなる。

本発明において説明した光学センサは、反射防止誘電体被覆を全く必要としない。これは、使用される方法が、ファイバーが光を伝搬できないような角度でフレネル反射による偏向を可能にするファイバーの角度付切断端面１１の最適化のみに基くことによる。

好ましくは、端面１１の突出端部１１０が反射面１０２の突出端部１２２に対向するように、導波手段４の端部の端面１１及び台の反射面１０２は長手方向に配置されなければならない。

本発明に係る光学センサによる光信号測定の他の主な利点は、ファイバーの角度付端面１１を使用することにより、平坦なファイバー縁が使用される際に台の反射面とファイバー切断縁とにより形成される光空洞部に通常起こるあらゆる光の定常波を回避可能なことに関する。光空洞部での反射によるこのような光の定常波を回避することによって、光信号測定が非常に安定的かつ精密になり、光信号の振動を除去し、レシーバ側の信号対ノイズ比を上げる。

操作温度が非常に高い場合の使用に適合するようにセンサヘッド内の端部１２が選択されると、光学センサはこのような高温となる過酷な環境に十分に適して使用される。

図４ａ、４ｂは、台１０の可動反射面１０２の前に配設されたファイバーによって集光した後にレシーバ５によって検出された光信号の測定結果を示す。光出力が−３ｄＢｍである光源１として、操作波長が１５５０ｎｍであるレーザーを使用した。光電力測定用レシーバ５として、ＰＩＮ光検出器を使用した。反射面１０２を、ファイバー端縁１２からμｍ未満の解像度の工程で動かした。シングルモード光ファイバー４を使用した。図４ａの測定結果は、レシーバ５で受信した光信号、すなわち光電流Ｉｒの最適化を示す。ここで、可動反射面の位置を固定し、反射面１０２のチルト角を変化させた。条件α’＝βが確認されたチルト角での最大値が示されている。この場合、角度α’＝β＝３．７で、角度α＝８°である。

図４ｂは、以下のように反射面をそれぞれ傾斜させたレシーバ側５で受信した光信号、すなわち光電流Ｉｒ１及びＩｒ２を示す。ここで、上記規定したチルト角をα’＝β＝３．７°（集光するファイバーと反射面との間の光学的結合が最大となることを保証できる）に固定し、また距離Ｄの機能として別個にチルト角をα’＝β＝０°に固定した。ファイバー縁１２と反射面１０２との間の距離を大きくすると光信号は減少する。光電流Ｉｒ１では、優れた線型性及び感受性が示される（例えば、１μｍの面変位によって、測定された光信号には１．５％の変動が起こる。これは標準のレシーバによって容易に検出される）。他方、光電流Ｉｒ２では、ノイズレベルがＩｒ１と比べて１０００倍高い。図４ｂから得られる他の重要な知見として、ファイバーの縁が最適化されていない標準的な平坦な端面の場合は、受信される光信号の測定可能な変動がレシーバ側で観測できる操作距離範囲が、高いノイズレベルのためはっきりと限定されることである。

図５は、以下の手法によって光ファイバー端面１１から反射した光信号の測定データＤＡＴＡ１と計算データＤＡＴＡ２との比較を示す。この手法は、ファイバー端面１１から脱出するビームと、反射面１０２上で反射後に同ファイバーによって集光される光信号とによる反射面の照明を予測するために採用された。データＤＡＴＡ１及びＤＡＴＡ２は距離Ｄの機能として得られている。このモデルでは、ファイバー縁１２それ自体を、半径が４．５μｍの円状のコアに対する光密度エネルギーが一定である光源とみなす。ファイバーコアを分ける異なる照明領域の素子から入射されるガウスビームが重複することから、反射面上で反射後にファイバーによって集光される光信号は、ファイバー縁から異なる距離において計算される。各表面素子を、脱出角がβに等しく発散角がファイバーのＮＡの半分に等しい一つの光円錐源とみなす。反射面上での反射後の各円錐の中心の位置及びその半径は、光反射の法則に従って計算される。円錐の中心は、ガウスビームの中心とみなされ、円錐の半径はガウス分布の３σに等しいとみなす。これは、円錐内に９９．９９９％の光信号があることを意味する。

１ 光源
４ 導波手段
５ レシーバ
８ センサヘッド
９ ダイヤフラム
１０ 手段（台）
１１ 端面
１２ 端部
４１ コア
４２ クラッド
５０、６０ 光ビーム
９１ 第１面
９２ 手段（第２面、反射面）
１０１ 端面
１０２ 端面（反射面）
１１０ 突出端部
１２２ 突出端部
２００ 管状空洞部

Claims (10)

1. センサヘッド（８）を備える圧力測定用光学センサであって、
   前記センサヘッド（８）が、
   ・圧力が測定されるべき流体と接触する第１面（９１）及びその第１面の反対側の第２面（９２）を有するダイヤフラム（９）、
   ・管状空洞部（２００）を有する本体、
   ・管状空洞部内に配置され、ダイヤフラムの第２面に関連付けられるとともに、ダイヤフラムの変形に応じて前記管状空洞部内で長手方向に移動可能な手段（９２、１０）であって、前記手段は反射面（９２，１０２）を含んでいる、
   ・管状空洞部内に配置され、前記手段の反射面（９２，１０２）に接触せずに対向する端面（１１）を有する導波手段（４）の端部（１２）であり、前記導波手段が、光源由来の光ビーム（５０）を前記手段に送り、かつ前記手段の反射面から反射される光ビーム（６０）をレシーバに集光するために、光源（１）及びレシーバ（５）にそれぞれ接続されており、その集光した光ビームの強度が、導波手段の端部の端面と反射面との間の距離（Ｄ）に応じて決まる端部（１２）、
   を含む圧力測定用光学センサにおいて、
   導波手段の端部（１２）の端面（１１）は、光源由来の光ビームの入射角（θ_a）が導波手段と大気との間の臨界角（θ_c-air）よりも小さく、かつ導波手段の臨界角（θ_c）よりも大きくなるように、光軸（Ａ）に直交する面（Ｂ）に対して第１角度（α）だけ傾斜しているとともに、
   前記手段の反射面（１０２，９２）は、光軸（Ａ）に直交する面（Ｂ）に対して、導波手段の端部（１２）の前記端面（１１）からの光ビームの脱出角に等しい第２角度（β）だけ傾斜していることを特徴とする光学センサ。
2. 前記手段がダイヤフラム（９）であり、第１面（９１）の反対側の第２面（９２）が前記反射面である請求項１に記載の光学センサ。
3. 前記手段が、ダイヤフラムの第２面（９２）と接触して配置される端面（１０１）を有する台（１０）であるとともに、反対の他端の端面（１０２）が前記反射面である請求項１に記載の光学センサ。
4. ダイヤフラム（９）の第２面（９２）が管状空洞部（２００）に対向する請求項３に記載の光学センサ。
5. 前記第１角度（α）が、光源由来であって導波手段の端部（１２）の前記端面（１１）に入射する光ビーム（５０）の反射した部分が導波手段によって吸収されるような値を有する請求項１に記載の光学センサ。
6. 前記導波手段（４）が、コア（４１）及びクラッド（４２）を有する光ファイバーである請求項１に記載の光学センサ。
7. 前記第１角度（α）が、光源由来であって導波手段の端部（１２）の前記端面（１１）に入射する光ビーム（５０）の反射した部分が、光ファイバーのクラッド（４２）によって吸収されるような値を有し、その光ビーム（５０）の反射した部分は、光ファイバー内部のコア−クラッド界面に対して、光ファイバー自体の臨界角（θ _c ）よりも小さい入射角（γ）を有する請求項６に記載の光学センサ。
8. 前記第１角度（α）が８°の値を有する請求項６に記載の光学センサ。
9. 前記第２角度（β）が３．７°の値を有する請求項８に記載の光学センサ。
10. 導波手段（４）の端部の前記端面（１１）と前記反射面（１０２）とが、前記端面（１１）の突出端部（１１０）が前記反射面の突出端部（１２２）に対向するように、長手方向に配置されている請求項１に記載の光学センサ。

Images