JP7016823B2 - 圧力センサ - Google Patents
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Description
本発明は、圧力センサに関するものである。
従来、圧力センサとして、ＯＣＴ（光干渉断層撮影）システムの用途に使用される圧力センサが開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示される圧力センサは、ダイアフラムを圧力検知体として光ファイバの端部に設け、光の干渉作用を利用して圧力を検出するものである。
しかしながら、光の干渉作用を利用して圧力を検出する装置は、構成が複雑かつ大型になりやすく、装置コストも高くなりやすいという問題がある。一方、圧力センサは、その用途に応じては小型かつ簡易な構成であるものが求められている。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、小型かつ簡易な構成の圧力センサを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る圧力センサは、試験光を出力する光源と、前記試験光が入力され、該試験光を０．３ｄＢ／ｍ以上の損失で伝搬するセンサ光ファイバと、前記センサ光ファイバを伝搬した前記試験光を受光する受光器と、を備え、前記受光器により受光された前記試験光の強度に基づいて、前記センサ光ファイバに掛かっている圧力を検出することを特徴とする。
本発明の一態様に係る圧力センサは、前記センサ光ファイバと、前記センサ光ファイバに接続された、前記センサ光ファイバよりも伝搬損失が小さい伝送光ファイバと、を含む光伝送体を備えることを特徴とする。
本発明の一態様に係る圧力センサは、前記試験光の波長において、前記センサ光ファイバはシングルモード光ファイバであり、前記センサ光ファイバよりも前記光源側に位置する前記伝送光ファイバはマルチモード光ファイバであることを特徴とする。
本発明の一態様に係る圧力センサは、前記マルチモード光ファイバは、前記センサ光ファイバと接続箇所にて融着接続されており、前記マルチモード光ファイバにおける前記接続箇所から所定の長さの部分に掛かっている圧力を検出することを特徴とする。
本発明の一態様に係る圧力センサは、並列配置された複数の前記光伝送体を備え、前記複数の光伝送体のそれぞれに含まれる前記センサ光ファイバの位置が、長手方向において互いに異なることを特徴とする。
本発明の一態様に係る圧力センサは、前記受光器が、前記センサ光ファイバまたは前記伝送光ファイバの光ファイバ端面において反射した前記試験光を受光するように構成されていることを特徴とする。
本発明の一態様に係る圧力センサは、前記受光器が、前記センサ光ファイバの一端側から入力された前記試験光を前記センサ光ファイバの他端側において受光するように構成されていることを特徴とする。
本発明の一態様に係る圧力センサは、前記試験光はパルス光であり、前記センサ光ファイバまたは前記伝送光ファイバは、長手方向における途中に反射部を有しており、前記受光器が、前記反射部で反射された前記試験光を受光するように構成されていることを特徴とする。
本発明の一態様に係る圧力センサは、前記反射部は、前記センサ光ファイバまたは前記伝送光ファイバのコア部に形成された高屈折率部であることを特徴とする。
本発明の一態様に係る圧力センサは、前記センサ光ファイバは、コア部と該コア部の外周に形成されたクラッド部とを有し、前記コア部と前記クラッド部のとの界面付近に、複数のナノ構造が存在しており、前記ナノ構造は、前記センサ光ファイバの長手方向に垂直な断面における断面直径が１００ｎｍ以下であり、かつ前記ナノ構造は、前記長手方向において１ｍ未満の長さ領域で分布していることを特徴とする。
本発明の一態様に係る圧力センサは、前記ナノ構造は、微粒子、円柱状のチューブ、または空隙であることを特徴とする。
本発明の一態様に係る圧力センサは、前記微粒子は、融点が１５００℃以上の材料からなることを特徴とする。
本発明の一態様に係る圧力センサは、前記試験光の強度に基づいて前記センサ光ファイバに掛かっている圧力を求める処理装置を備えることを特徴とする。
本発明の一態様に係る圧力センサは、前記処理装置は、前記圧力に基づいて音響波の強度を求めるように構成されていることを特徴とする。
本発明によれば、小型かつ簡易な構成の圧力センサを実現できるという効果を奏する。
以下に、図面を参照して実施形態について説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る圧力センサの模式的な構成図である。圧力センサ１００は、光源１と、光分岐部２と、複数（本実施形態では３本）の光伝送体３１、３２、３３と、受光器であるＰＤ（Photo Diode）アレイ４と、処理装置５と、を備える。
図１は、実施形態１に係る圧力センサの模式的な構成図である。圧力センサ１００は、光源１と、光分岐部２と、複数（本実施形態では３本）の光伝送体３１、３２、３３と、受光器であるＰＤ（Photo Diode）アレイ４と、処理装置５と、を備える。
光源１は、本実施形態ではレーザダイオード（ＬＤ）であり、たとえば波長１５５０ｎｍの試験光を光分岐部２に出力する。試験光の波長は１１００ｎｍでもよい。光分岐部２は、試験光を３分岐して光伝送体３１、３２、３３のそれぞれに出力する。
光伝送体３１は、２本の伝送光ファイバ３１ａと１本のセンサ光ファイバ３１ｂとを含む。光伝送体３１において、２本の伝送光ファイバ３１ａはそれぞれセンサ光ファイバ３１ｂの両端のそれぞれに融着接続などにより接続されている。
同様に、光伝送体３２は、２本の伝送光ファイバ３１ａと１本のセンサ光ファイバ３１ｂとを含む。光伝送体３２において、２本の伝送光ファイバ３１ａはそれぞれセンサ光ファイバ３１ｂの両端のそれぞれに融着接続などにより接続されている。
同様に、光伝送体３３は、２本の伝送光ファイバ３１ａと１本のセンサ光ファイバ３１ｂとを含む。光伝送体３３において、２本の伝送光ファイバ３１ａはそれぞれセンサ光ファイバ３１ｂの両端のそれぞれに融着接続などにより接続されている。
光伝送体３１、３２、３３は、並列配置されており、結束具によって束ねられていてもよい。また、光伝送体３１、３２、３３のそれぞれに含まれるセンサ光ファイバ３１ｂの位置は、長手方向において互いに異なる。各センサ光ファイバ３１ｂの長さはたとえば数ｃｍ～数ｍ程度である。
センサ光ファイバ３１ｂは、試験光を０．３ｄＢ／ｍ以上という、大きい伝搬損失で伝搬するように構成されている。
本実施形態におけるセンサ光ファイバ３１ｂの構成を、図２を参照して説明する。図２（ａ）はセンサ光ファイバ３１ｂの長手方向に沿った断面図であり、図２（ｂ）はセンサ光ファイバ３１ｂの長手方向に垂直な面に沿った断面図である。
センサ光ファイバ３１ｂは、本実施形態では石英系材料からなり、コア部３１ｂａと、コア部３１ｂａの外周に形成された、コア部３１ｂａよりも屈折率が低いクラッド部３１ｂｂとを有している。コア部３１ｂａのコア径や、クラッド部３１ｂｂに対する比屈折率差は、センサ光ファイバ３１ｂが試験光をシングルモードで伝搬することができるように設定されている。また、クラッド部３１ｂｂの外周には被覆が形成されていてもよい。
センサ光ファイバ３１ｂは、コア部３１ｂａとクラッド部３１ｂｂのとの界面付近に、複数のナノ構造３１ｂｃが存在している。ナノ構造３１ｂｃはクラッド部３１ｂｂの半径方向の全体にわたって存在してもよい。各ナノ構造３１ｂｃは、たとえば微粒子、円柱状のチューブ、または空隙（チューブ、微粒子以外の空気の隙間）であり、微粒子、円柱状のチューブ、および空隙のうち少なくとも２種を含んでいてもよい。
このような構成のセンサ光ファイバ３１ｂは、試験光がナノ構造３１ｂｃによって散乱などを受けるため、コア部３１ｂａにおける試験光の光閉じ込めが比較的弱い状態であり、試験光が漏洩しやすくなっている。そのため、試験光に対する伝搬損失が０．３ｄＢ／ｍ以上と大きい。本発明者らが精査したところ、このようにコア部３１ｂａにおける試験光の光閉じ込めが比較的弱いセンサ光ファイバ３１ｂは、圧力が掛かるとその圧力に応じて伝搬損失が比較的敏感に変化する。特に、ナノ構造３１ｂｃを有するセンサ光ファイバ３１ｂは、圧力が掛かるとナノ構造３１ｂｃの相対位置や形状が変化するので、圧力に応じて伝搬損失が比較的敏感に変化する。
図３は、センサ光ファイバ３１ｂに掛かる圧力（相対値）と、圧力による損失の増加量との関係の一例を示す図である。図３では、センサ光ファイバ３１ｂをガラス板で挟んで荷重を掛けることで圧力を掛けている。通常の光ファイバ伝送用の光ファイバ、たとえばＩＴＵ－Ｔ（国際電気通信連合） Ｇ．６５２に準拠するシングルモード光ファイバであれば、図３に示す圧力範囲では、圧力による損失の増加量は殆どない。これに対して、センサ光ファイバ３１ｂでは、圧力の増加にしたがって損失が増加する。すなわち、センサ光ファイバ３１ｂは圧力に対する感受性が高い。
センサ光ファイバ３１ｂが感じる圧力は、たとえばセンサ光ファイバ３１ｂの周囲の流体（液体や気体）の圧力や、センサ光ファイバ３１ｂに掛かる荷重による圧力である。
伝送光ファイバ３１ａは、センサ光ファイバ３１ｂよりも伝搬損失が小さい光ファイバである。たとえば、伝送光ファイバ３１ａはＩＴＵ－Ｔ Ｇ．６５２に準拠するシングルモード光ファイバである。伝送光ファイバ３１ａは試験光をシングルモードで伝搬し、伝搬損失はたとえば０．３ｄＢ／ｋｍである。
図１に戻って、光伝送体３１、３２、３３はＰＤアレイ４に光学的に接続している。光伝送体３１、３２、３３は入力された試験光を伝搬してＰＤアレイ４に出力する。ＰＤアレイ４は、３つのＰＤを備えており、各ＰＤにて光伝送体３１、３２、３３のそれぞれから出力された試験光を受光し、その受光強度に応じた電流値の電流信号を処理装置５に出力する。すなわち、本実施形態では、圧力センサ１００は、ＰＤアレイ４が、各センサ光ファイバ３１ｂまたは光伝送体３１、３２、３３の一端側から入力された試験光を、各センサ光ファイバ３１ｂまたは光伝送体３１、３２、３３の他端側において受光する。
処理装置５は、演算部と、記憶部とを備えている。演算部は、処理装置５が実行する処理や処理装置５の機能の実現のための各種演算処理を行うものであり、たとえばＣＰＵ（Central Processing Unit）やＦＰＧＡ（field-programmable gate array）、またはＣＰＵとＦＰＧＡの両方で構成される。記憶部は、演算部が演算処理を行うために使用する各種プログラムやデータなどが格納される、たとえばＲＯＭ（Read Only Memory）で構成される部分を備えている。また、記憶部は、演算部が演算処理を行う際の作業スペースや演算部の演算処理の結果などを記憶するなどのために使用される、たとえばＲＡＭ（Random Access Memory）で構成される部分を備えている。また、処理装置５は、ＰＤアレイ４からの電流信号の入力を受け付け、ＡＤ変換する入力部や、各種情報を報知するための文字や記号などの表示を行う表示部を備えている。
処理装置５は、ＰＤアレイ４から入力された電流信号から、各ＰＤで受光された試験光の強度の情報を取得する。そして、当該強度の情報に基づいて、各センサ光ファイバ３１ｂに掛かっている圧力を検出する。
具体的には、図３に示すように、各センサ光ファイバ３１ｂの伝搬損失は掛かっている圧力に応じて変化するので、圧力に応じて各ＰＤで受光される試験光の強度も変化する。処理装置５は、各ＰＤで受光される試験光の強度と、各センサ光ファイバ３１ｂに掛かっている圧力との関係を、たとえばテーブルデータとして記憶部に記憶している。処理装置５は、テーブルデータと各ＰＤで受光される試験光の強度とに基づいて各センサ光ファイバ３１ｂに掛かっている圧力を求める。求めた圧力の値はたとえば処理装置５が表示部に表示させてもよい。
また、上述したように、光伝送体３１、３２、３３のそれぞれに含まれるセンサ光ファイバ３１ｂの位置が長手方向において互いに異なるので、各センサ光ファイバ３１ｂは長手方向において異なる位置の圧力を検出に利用できる。これにより、圧力センサ１００は分布型の圧力センサとして機能する。
なお、ナノ構造３１ｂｃは、センサ光ファイバ３１ｂの長手方向に垂直な断面における断面直径が１００ｎｍ以下であることが好ましい。ナノ構造３１ｂｃの断面直径が１００ｎｍ以上になると断面内での空気の占める面積が大きくなるので、石英系材料からなるコア部３１ｂａとの実効的な屈折率差が高くなり、光の漏洩、もしくは光拡散が生じにくくなる。よって断面直径を１００ｎｍ以下に設定することにより、圧力に対する感度を高くできるとともに、過剰な損失を抑制できる。断面直径は、石英分子サイズよりも大きく、光に影響を与える下限１ｎｍ以上であることが望ましい。また、ナノ構造３１ｂｃは、長手方向において１ｍ未満の長さ領域で分布していることが好ましい。ここで、１ｍ未満の長さ領域で分布しているとは、ナノ構造３１ｂｃが連続的に存在する領域の長さが１ｍ未満であることを意味する。たとえば、図２（ａ）では、ナノ構造３１ｂｃが連続的に存在している領域が２つあるが、いずれも長手方向において１ｍ未満の長さである。これにより、ナノ構造３１ｂｃによる過剰な損失や、伝搬特性に与える影響を抑制できる。
なお、ナノ構造３１ｂｃは、断面が円形ではない場合もあり得る。円形ではない場合は、図４に示すように、ナノ構造３１ｂｃの断面形状に外接する楕円Ｅの長径Ｄを断面直径と定義してもよい。
以上説明したように、本実施形態に係る圧力センサ１００は、センサ光ファイバ３１ｂに試験光を伝搬させ、伝搬した試験光を受光し、その強度に基づいて圧力を検出できるので、干渉計などの構成を使用せず、小型かつ簡易な構成となる。たとえば、圧力センサ１００は、簡易に数ｍオーダーの多点の圧力センサをより低コストに実現できる。また、圧力を検出するセンサ光ファイバ３１ｂは細径のため、狭い場所の圧力検出にも適する。
なお、センサ光ファイバ３１ｂは、たとえば特表２０１３－５１１７４９号公報に開示される光ファイバの製造方法を適用して製造することができる。ナノ構造３１ｂｃが微粒子の場合、たとえばコア母材をクラッド部材としてのガラスキャピラリに挿入して光ファイバ母材を構成する方法を採用できる。この場合、コア母材とガラスキャピラリとの隙間に微粒子を混入させた後に光ファイバ母材を線引きし、センサ光ファイバ３１ｂを製造できる。なお、微粒子は、融点が１５００℃以上の材料からなるものであれば、石英系光ファイバ母材の線引きの際の加熱温度である１４００℃程度の高温下であっても、微粒子の溶解や変形が防止できる。このような融点の高い材料としては、カーボン、タンタル、モリブデン、タングステン、酸化クロム、酸化ジルコニウムなどを適宜選択できる。
（実施形態２）
図５は、実施形態２に係る圧力センサの模式的な構成図である。圧力センサ１００Ａは、図１に示す圧力センサ１００の構成において、光伝送体３１、３２、３３をそれぞれ光伝送体３１Ａ、３２Ａ、３３Ａに置き換え、ＰＤアレイ４をＰＤ４ａ、４ｂ、４ｃに置き換え、誘電体や金属などからなる反射膜６１、６２、６３を追加した構成を有する。
図５は、実施形態２に係る圧力センサの模式的な構成図である。圧力センサ１００Ａは、図１に示す圧力センサ１００の構成において、光伝送体３１、３２、３３をそれぞれ光伝送体３１Ａ、３２Ａ、３３Ａに置き換え、ＰＤアレイ４をＰＤ４ａ、４ｂ、４ｃに置き換え、誘電体や金属などからなる反射膜６１、６２、６３を追加した構成を有する。
光伝送体３１Ａは、伝送光ファイバ３１Ａａと、伝送光ファイバ３１ａと、センサ光ファイバ３１ｂとを含む。光伝送体３１Ａにおいて、伝送光ファイバ３１Ａａ、伝送光ファイバ３１ａはそれぞれセンサ光ファイバ３１ｂの両端のそれぞれに融着接続などにより接続されている。伝送光ファイバ３１Ａａは光分岐部２にも接続されている。伝送光ファイバ３１ａの両端のうちセンサ光ファイバ３１ｂに接続されていない側の端面には反射膜６１が設けられている。伝送光ファイバ３１Ａａは途中に分岐部を有しており、分岐部には伝送光ファイバ３１Ａｂが接続されている。
同様に、光伝送体３２Ａは、伝送光ファイバ３２Ａａと、伝送光ファイバ３１ａと、センサ光ファイバ３１ｂとを含む。光伝送体３２Ａにおいて、伝送光ファイバ３２Ａａ、伝送光ファイバ３１ａはそれぞれセンサ光ファイバ３１ｂの両端のそれぞれに融着接続などにより接続されている。伝送光ファイバ３２Ａａは光分岐部２にも接続されている。伝送光ファイバ３１ａの両端のうちセンサ光ファイバ３１ｂに接続されていない側の端面には反射膜６２が設けられている。また、伝送光ファイバ３２Ａａは途中に分岐部を有しており、分岐部には伝送光ファイバ３２Ａｂが接続されている。
同様に、光伝送体３３Ａは、伝送光ファイバ３３Ａａと、伝送光ファイバ３１ａと、センサ光ファイバ３１ｂとを含む。光伝送体３３Ａにおいて、伝送光ファイバ３３Ａａ、伝送光ファイバ３１ａはそれぞれセンサ光ファイバ３１ｂの両端のそれぞれに融着接続などにより接続されている。伝送光ファイバ３３Ａａは光分岐部２にも接続されている。伝送光ファイバ３１ａの両端のうちセンサ光ファイバ３１ｂに接続されていない側の端面には反射膜６２が設けられている。また、伝送光ファイバ３３Ａａは途中に分岐部を有しており、分岐部には伝送光ファイバ３２Ａｂが接続されている。伝送光ファイバ３１Ａａ、３２Ａａ、３３Ａａの分岐部は光カプラや光サーキュレータなどで構成されている。
伝送光ファイバ３１Ａａ、３２Ａａ、３３Ａａ、３１Ａｂ、３２Ａｂ、３３Ａｂは、センサ光ファイバ３１ｂよりも伝搬損失が小さい光ファイバであり、たとえば、伝送光ファイバ３１ａと同様のものである。
光伝送体３１Ａ、３２Ａ、３３Ａは、並列配置されている。また、光伝送体３１Ａ、３２Ａ、３３Ａのそれぞれに含まれるセンサ光ファイバ３１ｂの位置は、長手方向において互いに異なる。
伝送光ファイバ３１Ａｂ、３２Ａｂ、３３Ａｂは、それぞれ、ＰＤ４ａ、４ｂ、４ｃに光学的に接続している。
この圧力センサ１００Ａでは、光分岐部２は、光源１から出力された試験光を３分岐して光伝送体３１Ａ、３２Ａ、３３Ａのそれぞれに出力する。光伝送体３１Ａ、３２Ａ、３３Ａは入力された試験光を伝搬する。この際に各試験光は光伝送体３１Ａ、３２Ａ、３３Ａの各センサ光ファイバ３１ｂを伝搬する。
反射膜６１は、光伝送体３１Ａが伝搬した試験光を、光伝送体３１Ａの端面において反射する。光伝送体３１Ａは、反射された試験光を光源１側に伝搬する。反射された試験光の少なくとも一部は分岐部で伝送光ファイバ３１Ａｂに導入される。伝送光ファイバ３１Ａｂは導入された試験光をＰＤ４ａに出力する。
反射膜６２は、光伝送体３２Ａが伝搬した試験光を、光伝送体３２Ａの端面において反射する。光伝送体３２Ａは、反射された試験光を光源１側に伝搬する。反射された試験光の少なくとも一部は分岐部で伝送光ファイバ３２Ａｂに導入される。伝送光ファイバ３２Ａｂは導入された試験光をＰＤ４ｂに出力する。
反射膜６３は、光伝送体３３Ａが伝搬した試験光を、光伝送体３３Ａの端面において反射する。光伝送体３３Ａは、反射された試験光を光源１側に伝搬する。反射された試験光の少なくとも一部は分岐部で伝送光ファイバ３３Ａｂに導入される。伝送光ファイバ３３Ａｂは導入された試験光をＰＤ４ｃに出力する。
すなわち、圧力センサ１００Ａでは、ＰＤ４ａ、４ｂ、４ｃのそれぞれが、光伝送体３１Ａ、３２Ａ、３３Ａのそれぞれの光ファイバ端面において反射した試験光を受光する。
ＰＤ４ａ、４ｂ、４ｃは、それぞれの受光強度に応じた電流値の電流信号を処理装置５に出力する。
処理装置５は、ＰＤ４ａ、４ｂ、４ｃのそれぞれから入力された電流信号から、ＰＤ４ａ、４ｂ、４ｃのそれぞれで受光された試験光の強度の情報を取得する。そして、当該強度の情報に基づいて、各センサ光ファイバ３１ｂに掛かっている圧力を検出する。
本実施形態に係る圧力センサ１００Ａは、実施形態１と同様に、小型かつ簡易な構成となる。また、各センサ光ファイバ３１ｂを往復した後の試験光の強度に基づいて圧力を検出するので、センサ光ファイバ３１ｂの単位長さ辺りの圧力に対する感度を高くすることができる。
なお、圧力センサ１００Ａでは反射膜６１、６２、６３により試験光を反射しているが、反射膜６１、６２、６３を設けず、各伝送光ファイバ３１ａの光ファイバ端面のフレネル反射を利用して、試験光を反射させてもよい。また、光伝送体においてセンサ光ファイバの光源と反対側に伝送光ファイバが接続されていない場合、センサ光ファイバの光ファイバ端面に反射膜を設けたり、センサ光ファイバの光ファイバ端面のフレネル反射を利用して、試験光を反射させたりしてもよい。
（実施形態３）
図６は、実施形態３に係る圧力センサの模式的な構成図および波形図である。図６（ａ）に示すように、圧力センサ１００Ｂは、光源１と、ＤＣ電源７と、信号発生器であるシンセサイザ８と、バイアスティ９と、分岐部１０と、センサ光ファイバ３１Ｂと、ＰＤ４Ｂと、オシロスコープ１１と、処理装置５とを備えている。
図６は、実施形態３に係る圧力センサの模式的な構成図および波形図である。図６（ａ）に示すように、圧力センサ１００Ｂは、光源１と、ＤＣ電源７と、信号発生器であるシンセサイザ８と、バイアスティ９と、分岐部１０と、センサ光ファイバ３１Ｂと、ＰＤ４Ｂと、オシロスコープ１１と、処理装置５とを備えている。
光源１は、ＬＤであり、ＤＣ電源７からＤＣ電流を供給されるとともに、シンセサイザ８から周期的な電気パルス信号を供給される。これによって光源１は直接変調されて周期的なパルス光としての試験光ＰＬを分岐部１０に出力する。バイアスティ９は、電気パルス信号に対して影響を与えずにＤＣ電流を光源１に供給するために設けられている。
試験光ＰＬのパルス幅はたとえば１０ｐｓ～１００ｐｓである。繰り返し周期は前記パルス幅を実現しつつできるだけ低い繰り返し周期が好ましいが、たとえば周波数として１ＧＨｚである。
分岐部１０は入力された試験光ＰＬをセンサ光ファイバ３１Ｂに出力する。分岐部１０は光カプラや光サーキュレータなどで構成されている。
センサ光ファイバ３１Ｂは、長手方向における途中に反射部としてのファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）部３１Ｂ１が複数箇所（本実施形態では２箇所）形成されている以外はセンサ光ファイバ３１ｂと同様の構造を有する。ＦＢＧ部３１Ｂ１は、コア部に複数の高屈折率部が長手方向に所定の間隔で形成された構成を有する。高屈折率部は、センサ光ファイバ３１ＢにおいてＦＢＧ部３１Ｂ１が形成されていない箇所のコア部の屈折率よりも高い屈折率を有する。ＦＢＧ部３１Ｂ１は試験光ＰＬの波長の光を所定の反射率で選択的に反射するように構成されている。
センサ光ファイバ３１Ｂは試験光ＰＬを図面右方向に伝搬する。このとき、試験光ＰＬの一部はレイリー散乱光として分岐部１０側に戻る。また、試験光ＰＬの一部はＦＢＧ部３１Ｂ１によって反射され、反射光として分岐部１０側に戻る。
分岐部１０は、レイリー散乱光や反射光を含む戻り光ＲＬをＰＤ４Ｂに入力させる。ＰＤ４Ｂは、受光強度に応じた電流値の電流信号をオシロスコープ１１に出力する。
図６（ｂ）はオシロスコープ１１で観測される波形図である。横軸は時間であり、縦軸はＰＤ４Ｂが出力する電流信号の電流値（ＰＤ出力）である。ＰＤ出力は周期的な波形を有する。波形は受光強度を示している。横軸の時間は受光した光の発生した位置、具体的にはセンサ光ファイバ３１Ｂの分岐部１０側の端部からの距離に相当する。
受光強度は、センサ光ファイバ３１Ｂにおいて分岐部１０から近い位置で発生したレイリー散乱光については強度が高くなる。レイリー散乱光が発生した位置が分岐部１０から遠ざかるにつれてセンサ光ファイバ３１Ｂの損失を受けて強度が低くなる。ピークは２つのＦＢＧ部３１Ｂ１による反射光に相当する。この反射光はレイリー散乱光よりも強度が高い。オシロスコープ１１で観測される波形の情報信号は処理装置５に出力される。
処理装置５は、波形の情報信号から、試験光から発生した戻り光ＲＬ（すなわちレイリー散乱光および反射光）の強度の時間的すなわち位置的情報を取得する。そして、当該強度の位置的情報に基づいて、センサ光ファイバ３１Ｂに掛かっている圧力の位置的な分布を検出する。特に、比較的高強度である２つのＦＢＧ部３１Ｂ１による反射光の強度から圧力を検出することによって、より高精度かつ時間的に安定的な圧力検出ができる。
本実施形態に係る圧力センサ１００Ｂは、実施形態１と同様に、小型かつ簡易な構成となる。また、１本のセンサ光ファイバ３１Ｂにて圧力の位置的な分布を検出することができる。
なお、本実施形態では反射部はＦＢＧ部であるが、反射部はたとえば１つの高屈折率部で構成されていてもよい。また、本実施形態では反射部がセンサ光ファイバに形成されているが、センサ光ファイバの光源とは反対側の一端に伝送光ファイバが接続されており、この伝送光ファイバのコア部に反射部が形成されていてもよい。
なお、上記した各実施形態において、センサ光ファイバよりも光源側に位置する伝送光ファイバはマルチモード光ファイバであってもよい。マルチモード光ファイバは、たとえばコア径が１０５μｍ、開口数（ＮＡ）が０．１５～０．２２のものであるが、特には限定されない。伝送光ファイバはマルチモード光ファイバであれば、センサ光ファイバとの接続箇所においてモード変換が発生する。このモード変換は圧力に依存し、モードミスマッチの状態も圧力に依存する。その結果、センサ光ファイバにおける試験光の漏洩の程度も圧力に敏感となるので、センサ光ファイバの圧力に対する感度が高くなる。また、センサ光ファイバよりも光源側に位置する伝送光ファイバはマルチモード光ファイバであって、当該マルチモード光ファイバが、センサ光ファイバと接続箇所にて融着接続されている場合、当該マルチモード光ファイバにおける接続箇所から所定の長さの部分に掛かっている圧力を検出してもよい。当該マルチモード光ファイバにおける接続箇所から所定の長さの部分も圧力に対する感度が比較的高い。その理由は、たとえば以下のように考えることもできる。すなわち、接続箇所に圧力が掛かると、マルチモード光ファイバ側にてモード変換が生じ、センサ光ファイバにおける試験光の漏洩の程度がその圧力に応じて変化する。ただし、圧力に対する感度が比較的高い理由は上記に限定はされない。なお、所定の長さはたとえば５ｃｍ～１０ｃｍ程度である。処理装置は、受光素子から入力された電流信号から、受光素子で受光された試験光の強度の情報を取得する。そして、当該強度の情報に基づいて、マルチモード光ファイバにおける所定の長さの部分に掛かっている圧力も検出する。
また、実施形態２の場合は、センサ光ファイバの両端に接続されている伝送光ファイバのいずれもマルチモード光ファイバであってよい。これにより試験光は２箇所の接続箇所を通過後に受光されるので、センサ光ファイバの圧力に対する感度がより高くなる。また、センサ光ファイバの両端にマルチモード光ファイバが融着接続されている場合、センサ光ファイバの両端側にてマルチモード光ファイバにおける所定の長さの部分に掛かっている圧力を検出してもよい。
また、上記実施形態では処理装置は圧力を求めているが、さらに圧力に基づいて音響波の強度を求めるように構成されていてもよい。これにより、上記実施形態の圧力センサは実質的に音響センサとして機能する。
また、上記実施形態において、センサ光ファイバはナノ構造を有するものであるが、センサ光ファイバとしてはこれに限られず、試験光の伝搬損失が０．３ｄＢ／ｍ以上であり、コア部における光閉じ込めが比較的弱く、圧力に敏感な状態の光ファイバを適用できる。
また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
１ 光源
２ 光分岐部
４ ＰＤアレイ
４ａ、４ｂ、４ｃ ＰＤ
５ 処理装置
７ ＤＣ電源
８ シンセサイザ
９ バイアスティ
１０ 分岐部
１１ オシロスコープ
３１、３２、３３、３１Ａ、３２Ａ、３３Ａ 光伝送体
３１ａ、３１Ａａ、３１Ａｂ、３２Ａａ、３２Ａｂ、３３Ａａ、３３Ａｂ 伝送光ファイバ
３１ｂ、３１Ｂ センサ光ファイバ
３１Ｂ１ ＦＢＧ部
３１ｂａ コア部
３１ｂｂ クラッド部
３１ｂｃ ナノ構造
６１、６２、６３ 反射膜
１００、１００Ａ、１００Ｂ 圧力センサ
２ 光分岐部
４ ＰＤアレイ
４ａ、４ｂ、４ｃ ＰＤ
５ 処理装置
７ ＤＣ電源
８ シンセサイザ
９ バイアスティ
１０ 分岐部
１１ オシロスコープ
３１、３２、３３、３１Ａ、３２Ａ、３３Ａ 光伝送体
３１ａ、３１Ａａ、３１Ａｂ、３２Ａａ、３２Ａｂ、３３Ａａ、３３Ａｂ 伝送光ファイバ
３１ｂ、３１Ｂ センサ光ファイバ
３１Ｂ１ ＦＢＧ部
３１ｂａ コア部
３１ｂｂ クラッド部
３１ｂｃ ナノ構造
６１、６２、６３ 反射膜
１００、１００Ａ、１００Ｂ 圧力センサ
Claims (13)
- 試験光を出力する光源と、
前記試験光が入力され、該試験光を０．３ｄＢ／ｍ以上の損失で伝搬するセンサ光ファイバと、
前記センサ光ファイバを伝搬した前記試験光を受光する受光器と、
を備え、
前記センサ光ファイバは、コア部と該コア部の外周に形成されたクラッド部とを有し、前記コア部と前記クラッド部のとの界面付近に、複数のナノ構造が存在しており、前記ナノ構造は、前記センサ光ファイバの長手方向に垂直な断面における断面直径が１００ｎｍ以下であり、かつ前記ナノ構造は、前記長手方向において１ｍ未満の長さ領域で分布しており、
前記受光器により受光された前記試験光の強度に基づいて、前記センサ光ファイバに掛かっている圧力を検出することを特徴とする圧力センサ。 - 前記センサ光ファイバと、前記センサ光ファイバに接続された、前記センサ光ファイバよりも伝搬損失が小さい伝送光ファイバと、を含む光伝送体を備えることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
- 前記試験光の波長において、前記センサ光ファイバはシングルモード光ファイバであり、前記センサ光ファイバよりも前記光源側に位置する前記伝送光ファイバはマルチモード光ファイバであることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
- 前記マルチモード光ファイバは、前記センサ光ファイバと接続箇所にて融着接続されており、前記マルチモード光ファイバにおける前記接続箇所から所定の長さの部分に掛かっている圧力を検出することを特徴とする請求項３に記載の圧力センサ。
- 並列配置された複数の前記光伝送体を備え、前記複数の光伝送体のそれぞれに含まれる前記センサ光ファイバの位置が、長手方向において互いに異なることを特徴とする請求項２～４のいずれか一つに記載の圧力センサ。
- 前記受光器が、前記センサ光ファイバまたは前記伝送光ファイバの光ファイバ端面において反射した前記試験光を受光するように構成されていることを特徴とする請求項１～５のいずれか一つに記載の圧力センサ。
- 前記受光器が、前記センサ光ファイバの一端側から入力された前記試験光を前記センサ光ファイバの他端側において受光するように構成されていることを特徴とする請求項１～５のいずれか一つに記載の圧力センサ。
- 前記試験光はパルス光であり、
前記センサ光ファイバまたは前記伝送光ファイバは、長手方向における途中に反射部を有しており、
前記受光器が、前記反射部で反射された前記試験光を受光するように構成されていることを特徴とする請求項１～５のいずれか一つに記載の圧力センサ。 - 前記反射部は、前記センサ光ファイバまたは前記伝送光ファイバのコア部に形成された高屈折率部であることを特徴とする請求項８に記載の圧力センサ。
- 前記ナノ構造は、微粒子、円柱状のチューブ、または空隙であることを特徴とする請求項１～９のいずれか一つに記載の圧力センサ。
- 前記微粒子は、融点が１５００℃以上の材料からなることを特徴とする請求項１０に記載の圧力センサ。
- 前記試験光の強度に基づいて前記センサ光ファイバに掛かっている圧力を求める処理装置を備えることを特徴とする請求項１～１１のいずれか一つに記載の圧力センサ。
- 前記処理装置は、前記圧力に基づいて音響波の強度を求めるように構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の圧力センサ。
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