JP6902426B2 - 光ファイバセンサ、物理量測定装置及び光ファイバセンサの製造方法 - Google Patents
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Description
光ファイバセンサの従来例として、中空部を有する筒状水圧計測装置本体部と、筒状水圧計測装置本体部の下部開口に設けられた水圧検出部と、水圧値を揺動幅に変換する揺動幅変換部と、揺動幅により水圧が計測できる水圧計測部とを備えた水圧測定装置(特許文献1)がある。
片持ち用保持部材の下側保持片側面には、導入された光ファイバを係止固定する第1係止固定部が形成され、片持ち用保持部材の上方側には光ファイバを係止固定する第2係止固定部が形成される。第1係止固定部と第2係止固定部との間に光ファイバを係止固定する揺動係止固定部が配置され、この揺動係止固定部が揺動杆に固定されている。
本発明では、物理量の変化に伴って変位部材が変位し、この変位部材を介してロバーバル機構が作動する。つまり、ロバーバル機構は、複数の梁部のそれぞれ両端部にある可撓部が平行リンク機構の接点(弾性ヒンジ)を構成するものであり、可動部が変位することで、平行リンクが複数の梁部の平行を保ちながら動く。光ファイバでは、可動部側係止部及び固定部側係止部の梁部の長手方向と直交する方向の姿勢が変化することなく、まっすぐ、引張あるいは圧縮される。
従って、本発明では、可動部が固定部に対して摺動する構成を採用することなく可動部が固定部に対して変位するので、摺動摩擦に伴う測定精度の低下がなく、測定精度の向上を図ることができる。
さらに、本発明では、固定部と可動部とに凹部が形成されるので、凹部の内周面と突起部の外周面との間にスペースができるから、突起部の先端に固定部側係止部や可動部側係止部を係止する作業を容易に行える。
この構成では、固定部の係止箇所が2箇所となり、可動部の係止箇所が1箇所となる。可動部の係止箇所を挟んで両側に固定部の係止箇所が配置されると、一方の固定部の係止箇所と可動部の係止箇所との間に第1FBGを位置させ、他の固定部の係止箇所と可動部の係止箇所との間に第2FBGを位置させる。第1FBGと第2FBGとが同じ温度環境にあるので、第1FBGと第2FBGとの差から歪みがわかり、第1FBGと第2FBGとの和から温度がわかる。
そのため、第1FBG及び第2FBGと、予め用意した数式やテーブルとに基づいて、正確な測定が実現することができる。
本発明では、光ファイバセンサが前述の効果を有するから、測定精度が向上する物理量測定装置を提供できる。
なお、本発明では、ケースは少なくとも光ファイバセンサの一部を覆えばよく、全てを覆うことを要しない。
この構成では、水位の変化に伴ってベローズが圧力を受けることになり、このベローズを介して水位を精度よく測定することができる。
本発明では、ロバーバル機構を構成する固定部、可動部及び梁部を、ブロックをワイヤー放電加工して形成する。梁部の両端は可撓部を構成するものである。なお、本発明におけるブロックの形状は直方体状のものでもよいが、円柱状等の他の形状のものでもよい。また、金属製の母材からブロックを形成し、このブロックを用いて光ファイバセンサを製造するものでもよい。
従って、ブロックからロバーバル機構を容易に製造することができる。そのため、光ファイバセンサを安価に製造することができる。
この構成では、梁部の両端部の薄さを調整することで、ロバーバル機構の感度を調整できる。
図1には本実施形態にかかる物理量測定装置の全体構成が示されている。
図1において、物理量測定装置は、水位を測定する水位測定装置であり、ケース1と、ケース1に収納された光ファイバセンサ2と、ケース1に進退自在に設けられたロッド状の変位部材3と、変位部材3の下端部と連結するベローズ4とを備えている。
ベローズ4は、水位に伴って圧力を受けるものであり、圧力が変化することで、変位部材3を上昇あるいは下降させるものである。
ベローズ4は、ベローズ取付部材40に取り付けられている。ベローズ取付部材40は、ケース1の内周部に密閉状態で固定されている。ベローズ取付部材40には変位部材3が挿入される孔部40Aが形成されている。孔部40Aと変位部材3の外周との間には隙間がある。
なお、本実施形態では、後述の通り、第1FBG21と第2FBG22とが同じ温度環境下に置かれているものであれば、ケース1は少なくとも光ファイバセンサ2の一部、例えば、第1FBG21と第2FBG22との周囲を覆えばよく、全てを覆うことを要しない。
光ファイバセンサ2は、ケース1の内部に設けられたロバーバル機構5と、ロバーバル機構5に設けられた光ファイバ6とを備えている。
固定部51と可動部52とは、互いに平行に配置された第一梁部501及び第二梁部502で連結されている。
第一梁部501と第二梁部502は、それぞれブロック5Aの長手方向と直交する方向に延びて配置されており、ブロック5Aの中央に位置する本体部50Aと、本体部50Aの両側に連結された可撓部50Bとを有する。可撓部50Bは本体部50Aに対してブロック5Aの長手方向に沿った寸法が小さくされている。
可撓部50Bは平面長方形の角を構成するように4箇所形成されており、これらの可撓部50Bはそれぞれ弾性ヒンジを構成する。
可動部52は、ベローズ4に近い第一領域521と、ベローズ4から遠い第二領域522と、第一領域521と第二領域522との間に位置する第三領域523とを有する。
第一領域511と第一領域521との境界部分M及び第二領域512と第二領域522との境界部分Mは、ブロック5Aの長手方向に沿った中心線Cよりも図1中左側にオフセットされ、第三領域513と第三領域523との境界部分Mは、中心線Cよりも図1中右側にオフセットされている。
第二領域512と第三領域513との間には第二梁部502の本体部50A及び一方の可撓部50Bとが配置されており、第二領域522と第三領域523との間には他方の可撓部50Bが配置されている。
可動部52の第二領域522には上部ストッパ54が取り付けられている。上部ストッパ54は、可動部52の下方向の移動を規制する。
固定部51の第二領域512にはロッド55が取り付けられている。
可動部52の第二領域522には、ロッド55が挿通される挿通孔54Aが形成されている。
ロッド55の下端部は、固定部51と図示しないねじで連結固定され、あるいは、図示しない接着剤で接着固定されている。ロッド55の上端部には頭部550が形成されている。
頭部550と可動部52の第二領域522の端縁との間には、オフセット調整用ばね56が設けられており、オフセット調整用ばね56のばね力により、可動部52は下方に付勢される。
固定部51を筒状部材10に図示しないねじで取り付けるために、固定部51にはねじ孔51Bが形成されている。
可動部52の第三領域523には、可動部側突起部52Cが設けられている。
固定部側突起部51Cの構造が図2に示され、可動部側突起部52Cの構造が図3に示されている。
図2において、固定部側突起部51Cは、固定部51に形成された凹部51Dの底面から突出されている。
図3において、可動部側突起部52Cは、可動部52に形成された凹部52Dの底面から突出されている。
ファイバ・ブラッグ・グレーティング200は、第1FBG21と第2FBG22とを有する。第1FBG21と第2FBG22とは、筒状部材10に収納されており、同じ温度環境下に置かれている。
第1FBG21は第一梁部501の上に配置され、第2FBG22は第二梁部502の上に配置されている。
光ファイバ6の固定部側係止部20A、第1FBG21、可動部側係止部20B、第2FBG22、固定部側係止部20Aはブロック5Aの中心線Cの上になるように配置されている。
変位部材3が上昇すると、第1FBG21が伸びるとともに、第2FBG22が縮み、変位部材3が下降すると、第1FBG21が縮むとともに、第2FBG22が伸びる。第1FBG21と第2FBG22から出力される信号に基づいて変位部材3の変位量が測定装置で演算される。
λ1=λp+λt
λ2=−λp+λt
λt=(λ1+λ2)/2
λp=(λ1−λ2)/2
の計算式に基づいて、第1FBG21と第2FBG22とから出力される波長変化から歪みと温度とを分離することができる。ここで求められる歪みと温度との関係と、予め同定しておくテーブルとから正確な測定値を得ることができる。つまり、歪み、温度及び測定値の関係を予め求めておき、これをテーブルとして図示しない記憶手段に記憶しておく。前述の数式により、歪みと温度とが求められるのであれば、テーブルを参照して正しい測定値が求められることになる。
図4において、変位部材3によって、第一領域521が上方に変位すると、第一梁部501の一方の可撓部50B、第二領域522、第二梁部502の一方の可撓部50B及び第三領域523が上方に変位するが、第一梁部501及び第二梁部502は、それぞれ両側に可撓部50Bを有するので、第一梁部501及び第二梁部502は、ともに他方の可撓部50Bを中心として平行を維持しつつ回動する。つまり、第一梁部501の両側の可撓部50B及び第二梁部502の両側の可撓部50Bの合計4箇所の可撓部が平行リンクを構成することになり、その結果、光ファイバ6の固定部側係止部20Aと可動部側係止部20Bとを結ぶ線分は中心線Cから平行に移動し、かつ、第1FBG21が伸びるとともに、第2FBG22が縮むことになる。
まず、ブロック5Aをワイヤー放電加工して固定部51と、可動部52と、第一梁部501及び第二梁部502とを一体に形成する。
ここで、第一梁部501及び第二梁部502のそれぞれの両端部にある可撓部50Bのブロック5Aの長手方向に沿った寸法を調整することで、固定部51と可動部52とが変位する際の弾性力を設定する。例えば、弾性力を大きくするには可撓部50Bのブロック5Aの長手方向に沿った寸法を大きくする。
さらに、研削等の機械加工によって、固定部51に凹部51Dと固定部側突起部51Cとを形成するとともに、可動部52に凹部52Dと可動部側突起部52Cとを形成する。
その後、光ファイバ6を固定部51と可動部52とに係止する。そのため、ガラス接着剤G等を用いて、固定部側係止部20Aを固定部側突起部51Cに固定し、可動部側係止部20Bを可動部側突起部52Cに固定する。
(1)両端部にそれぞれ可撓部50Bを有する第一梁部501及び第二梁部502で固定部51と可動部52とが連結されたロバーバル機構5と、ロバーバル機構5に設けられた光ファイバ6とを備え、光ファイバ6は、固定部51に係止される固定部側係止部20Aと、可動部52に係止される可動部側係止部20Bと、固定部側係止部20Aと可動部側係止部20Bとの間に形成された第1FBG21及び第2FBG22とを有するから、可動部52が固定部51に対して摺動する構成を採用することなく可動部52が固定部51に対して変位するので、摺動摩擦に伴う測定精度の低下がなく、測定精度の向上を図ることができる。
(4)変位部材3には水位に伴って圧力を受けるベローズ4が連結されているから、水位の変化に伴ってベローズ4が圧力を受けることになり、水位を精度よく測定することができる。
(6)第一梁部501や第二梁部502の両端部にある可撓部50Bのブロック5Aの長手方向に沿った寸法を調整することで、第一梁部501や第二梁部502の弾性力を調整することで、ロバーバル機構5の感度を調整できる。
例えば、前記実施形態では、物理量測定装置を、水位を測定する水位測定装置としたが、本発明の物理量測定装置は、水位測定装置に限定されるものではなく、例えば、変位計、絶対圧計、差圧計に用いることができる。
図5において、変位計は、ケース1、光ファイバセンサ2及び変位部材3を備え、変位部材3の下端部には、変位計測用ばね71を介してロッド状の接触子72が連結されている。変位計測用ばね71は、圧縮ばねであって、その両端部が円板部73と連結されている。一方の円板部73は変位部材3に連結されている。接触子72は、その軸芯が変位部材3の軸芯と一致するように他方の円板部73と連結されている。接触子72は、先端の一部が筒状部材10に形成された孔部10Aを通って外部に露出している。
接触子72が図示しない被測定物の変位に応じて軸方向に進退すると、その変位に応じて変位計測用ばね71にばね力が蓄えられ、このばね力により変位部材3を進退させる。ここで、変位計測用ばね71のばね定数をkとし、接触子72の進退に伴う変位をxとすると、ばね力Fはkxである。ばね定数kは、ばねにより予め設定されている値であるため、ばね力Fを光ファイバセンサ2で求めることにより、被測定物の変位を求めることができる。なお、変位計測用ばね71を引張ばねとしてもよく、この場合、ワイヤ等で引っ張る構成を採用することができる。
図6において、絶対圧計は、ケース1、光ファイバセンサ2及び変位部材3を備え、変位部材3の下端部には、プレート81が連結されている。プレート81と筒状部材10の内周部に固定されたリング状部82との間には大径のベローズ83と小径のベローズ84との両端が連結されており、これらのベローズ83,84で囲われた空間は真空に保たれている。プレート81のベローズ83,84が連結された面とは反対側の面にはベローズ4が連結されている。ベローズ4は、その先端が筒状部材10に固定されており、導入孔11から導入された圧力がプレート81に作用すると、変位部材3を進退させる。絶対圧力値に比例する力が変位部材3に伝わることで、絶対圧が光ファイバセンサ2で測定されることになる。
図7において、差圧計は、ケース1、光ファイバセンサ2及び変位部材3を備え、変位部材3の一端が可動部52の第三領域523に連結されている。固定部51はケース1の内部に固定されている。
ケース1の互いに反対側に位置する壁部にはそれぞれ異なる圧力を導入する圧力導入孔10Bが形成されている。一方の圧力導入孔10Bから圧力が導入されるベローズ91の基端がケース1の内壁に固定され、他方の圧力導入孔10Bから圧力が導入されるベローズ92の基端がケース1の内壁に固定されている。これらのベローズ91,92の先端は変位部材3の先端部に連結されている。それぞれの圧力導入孔10Bから導入される圧力の差に比例した力が変位部材3に伝わり、差圧が光ファイバセンサ2で測定されることになる。
さらに、ブロック5Aは板状(直方体状)のものに限定されるものではなく、例えば、円柱状であってもよい。
また、ベローズ4に代えてダイアフラムを用いてもよい。
さらに、固定部51に光ファイバ6を係止する箇所を、可動部52が光ファイバ6を係止する箇所を挟んで光ファイバ6に沿った両側に設けられたが、本発明では、その逆、つまり、可動部52に光ファイバ6を係止する箇所を、固定部51が光ファイバ6を係止する箇所を挟んで光ファイバ6に沿った両側に設けた構造としてもよい。
Claims (6)
- 固定部と被測定対象物による力が作用する可動部とが並んで配置されかつ互いに平行で両端部にそれぞれ可撓部を有する複数の梁部で連結されたロバーバル機構と、前記ロバーバル機構に設けられた光ファイバとを備えた光ファイバセンサであって、
前記光ファイバは、前記固定部に係止される固定部側係止部と、前記可動部に係止される可動部側係止部と、前記固定部側係止部と前記可動部側係止部との間に形成されたファイバ・ブラッグ・グレーティングとを有し、
前記固定部には凹部と前記凹部の底面から突出して形成され先端部平面で前記固定部側係止部を係止する突起部が形成され、
前記可動部には凹部と前記凹部の底面から突出して形成され先端部平面で前記可動部側係止部を係止する突起部が形成され、
前記固定部側係止部は、前記固定部に形成された突起部の先端部平面に、ガラス接着剤にて直接固定され、
前記可動部側係止部は、前記可動部に形成された突起部の先端部平面に、ガラス接着剤にて直接固定され、
前記梁部は、互いに平行に配置され、かつ、両端部にそれぞれ前記可撓部を有する第一梁部および第二梁部を有し、
前記ファイバ・ブラッグ・グレーティングは、同じ温度環境下に置かれた第1FBGと第2FBGとを有し、
前記第1FBGは、前記第一梁部の上に配置され、前記第2FBGは前記第二梁部の上に配置されることを特徴とする光ファイバセンサ。 - 請求項1に記載された光ファイバセンサにおいて、
前記固定部と前記可動部との一方は前記固定部と前記可動部との他方を挟んで前記光ファイバとの係止箇所が両側に配置されることを特徴とする光ファイバセンサ。 - 請求項1又は請求項2に記載された光ファイバセンサと、前記光ファイバセンサが収納されたケースと、前記ケースに進退自在に設けられ前記被測定対象物の物理量変化に伴って変位し前記可動部に連結される変位部材と、を備えたことを特徴とする物理量測定装置。
- 請求項3に記載された物理量測定装置において、
前記変位部材には水位に伴って圧力を受けるベローズが連結されている、ことを特徴と
する物理量測定装置。 - 固定部と被測定対象物による力が作用する可動部とが並んで配置されかつ前記固定部と前記可動部とが互いに平行で両端部にそれぞれ可撓部を有する複数の梁部で連結されたロバーバル機構と、前記ロバーバル機構に設けられ複数のファイバ・ブラッグ・グレーティングが形成された光ファイバとを備え、前記梁部は、互いに平行に配置され、かつ、両端部にそれぞれ前記可撓部を有する第一梁部および第二梁部を有し、前記ファイバ・ブラッグ・グレーティングは、同じ温度環境下に置かれた第1FBGと第2FBGとを有し、前記第1FBGは、前記第一梁部の上に配置され、前記第2FBGは前記第二梁部の上に配置される光ファイバセンサを製造する方法であって、
ブロックをワイヤー放電加工して前記固定部と、前記可動部と、前記梁部とを一体に形成する工程と、
前記第1FBGおよび前記第2FBGのうち一方を挟んで両側に位置する前記光ファイバの部分を前記固定部と前記可動部とに係止する工程とを備え、
ブロックをワイヤー放電加工して前記固定部と、前記可動部と、前記梁部とを一体に形成する工程において、前記固定部に凹部と、前記凹部の底面から突出する突起部とを形成し、かつ、前記可動部に凹部と、前記凹部の底面から突出する突起部とを形成し、
前記光ファイバの部分を前記固定部と前記可動部とに係止する工程において、前記固定部に形成した突起部の先端部平面に前記光ファイバをガラス接着剤にて直接固定するとともに、前記可動部に形成した突起部の先端部平面に前記光ファイバをガラス接着剤にて直接固定することを特徴とする光ファイバセンサの製造方法。 - 請求項5に記載された光ファイバセンサの製造方法において、
前記固定部と前記可動部とが変位する際の弾性力を前記梁部の両端部の前記光ファイバが延びる方向に沿った寸法を調整することで設定する、ことを特徴とする光ファイバセンサの製造方法。
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