JPH02171629A - Light waveguide type temperature sensor - Google Patents
Light waveguide type temperature sensorInfo
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- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、光導波路を用いた温度センサに関するもので
ある。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a temperature sensor using an optical waveguide.
従来、光を用いた温度センサとして、特開昭62−92
40号公報や特開昭62−55532号公報で開示され
たものがある。これらは、ともに光ファイバーを利用し
たものであり、前者は、光フアイバーコアの外周に温度
により大きく屈折率が変化する物質からなるクラッド層
が被覆形成されたものであり、温度変化によるクラッド
層の屈折率変化によって生じる光ファイバー〇伝搬モー
ドの変化を光学的に検出し、これにより温度を求めるも
のである。後者は、対向した一対の光ファイバーの端面
間に、屈折率が光ファイバーの屈折率と略等しく、かつ
屈折率の温度係数が光ファイバーの屈折率との温度係数
と異なる物体を挿入し、光ファイバーと挿入物体の境界
で反射される光パワー強度変化を測定することにより周
囲温度を測定するものである。Conventionally, as a temperature sensor using light, JP-A-62-92
Some of them are disclosed in Japanese Patent Publication No. 40 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-55532. Both of these utilize optical fibers, and the former has a cladding layer made of a material whose refractive index changes greatly depending on the temperature on the outer periphery of the optical fiber core, and the refraction of the cladding layer due to temperature changes. The temperature is determined by optically detecting the change in the propagation mode of the optical fiber caused by the rate change. The latter involves inserting an object between the end faces of a pair of opposing optical fibers, the refractive index of which is approximately equal to the refractive index of the optical fiber, and the temperature coefficient of the refractive index different from the temperature coefficient of the refractive index of the optical fiber. The ambient temperature is measured by measuring the change in the intensity of the optical power reflected at the boundary.
ところが、上記の従来例にあっては、温度センサとして
光ファイバーを用いているので、投光素子および受光素
子との光軸合わせのための治具や結合光学系が別途必要
となり、このために、全体構成が複雑になり、コストも
高くなってしまうという問題があった。However, in the above conventional example, since an optical fiber is used as the temperature sensor, a jig and a coupling optical system are separately required for aligning the optical axis with the light emitting element and the light receiving element. There are problems in that the overall configuration becomes complicated and the cost becomes high.
本発明は、上記の点に鑑みてなしたものであり、その目
的とするところは、簡単かつ小型で、低コストの先導波
路形温度センサを提供することにある。さらに、特性上
のばらつきの少ない光導波跡形温度センサを提供するこ
とにある。The present invention has been made in view of the above points, and its object is to provide a simple, compact, and low-cost leading waveform temperature sensor. Another object of the present invention is to provide an optical waveguide trace temperature sensor with less variation in characteristics.
本発明の光導波跡形温度センサは、中心部のコアと前記
コアの外周部に被覆形成されたクラッドからなる光導波
路の前記コア内部に、屈折率の温度依存率が前記コアと
は異なるプリズムを設けたことを特徴とし、さらに、前
記プリズムに代えてボールレンズを用いたことを特徴と
するものである。The optical waveguide trace temperature sensor of the present invention includes a prism having a temperature dependence rate of refractive index different from that of the core, inside the core of the optical waveguide consisting of a central core and a cladding formed on the outer periphery of the core. The present invention is characterized in that a ball lens is used in place of the prism.
光導波路のコアを通過する光は、通常温度に対して温度
変化があると、屈折率の温度依存率がコアとは異なる材
質からなる前記プリズムは、いま、前記プリズムの屈折
率の温度依存率がコアの屈折率の温度依存率より小さい
とすると、コアより大きな屈折率の変化を生じるため、
コア内部を伝搬中の光線は前記プリズムの入射側端面で
屈折し、さらに、出射側端面でも屈折する。ところが、
前記入射側端面と前記出射側端面の角度が異なっており
、プリズムからコアに出射する光線は、入射前の光線の
入射角度にはならず、コアとクラッドとの境界において
、臨界角度を超えてしまう。その結果、コア内部を伝搬
する光線の量が減少するのである。When the light passing through the core of the optical waveguide changes from the normal temperature, the prism is made of a material whose refractive index has a different temperature dependence rate from that of the core. If is smaller than the temperature dependence of the refractive index of the core, it will cause a larger change in the refractive index than the core, so
The light beam propagating inside the core is refracted at the entrance side end face of the prism, and further refracted at the exit side end face. However,
The angles of the incident end face and the exit end face are different, and the light rays emitted from the prism to the core do not have the same incident angle as the previous light ray, but exceed the critical angle at the boundary between the core and the cladding. Put it away. As a result, the amount of light rays propagating inside the core is reduced.
[実施例] 以下、本発明の一実施例を図面に基づき説明する。[Example] Hereinafter, one embodiment of the present invention will be described based on the drawings.
第1図は、本発明の一実施例を示す光導波跡形温度セン
サの斜視図である。1はPMMA等の光学プラスチック
材料からなるコアで、光線が通過する部分である。2は
クラッドで、コア1の周囲を覆っている。FIG. 1 is a perspective view of an optical waveguide trace temperature sensor showing an embodiment of the present invention. Reference numeral 1 denotes a core made of an optical plastic material such as PMMA, through which light rays pass. A cladding 2 covers the core 1.
3はコア1内部に形成された光学ガラス等からなるプリ
ズムであり、屈折率の温度依存率がコアよりも小さな材
質のもので構成されている。上記光学プラスチックと光
学ガラスの屈折率の温度依存性を示すグラフを第2図に
示す。光学プラスチックの温度依存系数は、1.0〜1
.2X10−’/’C1光学ガラスの温度依存系数は、
2.0〜52 X 10−’/”Cとなっている。さら
に、コア1内部を伝搬する光線が入射するプリズム3の
入射側端面3aは、出射側端面3bと平行にはなってお
らず、傾けである。Reference numeral 3 denotes a prism made of optical glass or the like formed inside the core 1, and is made of a material whose temperature dependence of refractive index is smaller than that of the core. FIG. 2 shows a graph showing the temperature dependence of the refractive index of the optical plastic and optical glass. The temperature dependent coefficient of optical plastic is 1.0 to 1.
.. The temperature dependent coefficient of 2X10-'/'C1 optical glass is:
2.0 to 52 X 10-'/''C.Furthermore, the entrance side end surface 3a of the prism 3, on which the light beam propagating inside the core 1 enters, is not parallel to the exit side end surface 3b. , is tilted.
なお、プリズム3の材質は、逆に屈折率の温度依存率が
コア1よりも大きなものを用いてもよい。Note that the prism 3 may be made of a material whose temperature dependence of refractive index is larger than that of the core 1.
つまり、両者の屈折率の温度依存率が異なればよいので
ある。In other words, it is sufficient that the temperature dependence rates of the refractive indexes of the two materials are different.
また、プリズム3の入射側端面3bの方を傾けてもよい
。つまり、入射側端面3aと出射側端面3bとが平行に
ならないようにすればよいのである。Further, the entrance side end surface 3b of the prism 3 may be tilted. In other words, it is sufficient to prevent the incident side end face 3a and the output side end face 3b from being parallel to each other.
4はLEDやLDからなる光源であり、光源4から発光
された光は光導波路のコア1に入射される。5はPD等
からなる受光素子で、先導波路のコア1内を伝搬してき
た光を受光する。6は断熱層で、光導波路のプリズム3
近傍以外の部分を覆うように設置されている。これは、
クラッド2の温度変化を抑え、コア1内を伝搬する光線
の臨界伝搬角度が変化しないようにするためである。4 is a light source consisting of an LED or LD, and light emitted from the light source 4 is incident on the core 1 of the optical waveguide. Reference numeral 5 denotes a light receiving element made of a PD or the like, which receives the light propagated within the core 1 of the leading waveguide. 6 is a heat insulating layer, and the prism 3 of the optical waveguide
It is installed to cover areas other than the surrounding area. this is,
This is to suppress temperature changes in the cladding 2 and to prevent changes in the critical propagation angle of light rays propagating within the core 1.
次に本実施例の動作を説明する。Next, the operation of this embodiment will be explained.
コア1、クラッド2およびプリズム3の屈折率を各々n
+ % nz % niとすると、通常の先導波路では
n、>n、であり、伝11臨界角をθ、とすると、
θ@、 =c o s−’ (nz /n+ )
となる。伝搬臨界角θ、より小さい角度で入射する光線
は、コア1内では直進し、コア1とクラッド2の境界面
で全反射をしながら進行する。The refractive index of core 1, cladding 2, and prism 3 is n
+ % nz % ni, then in a normal leading wavepath, n, > n, and if the critical angle of propagation 11 is θ, then θ@, =co s-' (nz /n+)
becomes. A light beam incident at an angle smaller than the propagation critical angle θ travels straight in the core 1 and is totally reflected at the interface between the core 1 and the cladding 2.
今、基準温度T0でn、=n、とすると、第3図に示し
たように、プリズム3の存在は関係なく、伝搬臨界角θ
、より小さい角度θで入射する光線Rはコア1内を通過
するので、この状態が最も光の透過量が多くなる。Now, if n,=n at the reference temperature T0, as shown in FIG. 3, regardless of the presence of the prism 3, the propagation critical angle θ
Since the light ray R incident at a smaller angle θ passes through the core 1, the amount of light transmitted is the largest in this state.
光導波路の設置されている周囲の温度がTI(T、<T
、)に上昇した場合、プリズム3の屈折率n、はコア1
の屈折率nlより小さくなる。The temperature around where the optical waveguide is installed is TI(T, <T
, ), the refractive index n of the prism 3 is the core 1
is smaller than the refractive index nl.
プリズム3の傾いた入射側端面3aでの入射角をθ1と
すると、入射側端面3aでは角度θ2 (θ2〉θ、)
に屈折される。これは、スネルの法則より、n、sin
θ、=n、sinθ2となるので、11.>n=の場合
は、θ2〉θ1となるのである。入射側端面3aで屈折
された入射光線Rは、プリズム3の出射側端面3bで再
び屈折されるが、コア1からクラッド2への入射角θ、
は、θ、〉θとなり、伝搬臨界角θ、に近い角度θで伝
搬している光線Rは、θ3が伝搬臨界角θ、を超えてし
まう。その結果、光線Rはクラッド2へ漏洩してしまう
のである。If the angle of incidence at the inclined incident side end surface 3a of the prism 3 is θ1, then the angle θ2 at the incident side end surface 3a (θ2>θ,)
It is refracted to From Snell's law, this means that n, sin
Since θ, = n, sin θ2, 11. >n=, θ2>θ1. The incident ray R refracted at the entrance end surface 3a is refracted again at the exit end surface 3b of the prism 3, but the incident angle θ from the core 1 to the cladding 2 is
is θ, > θ, and for the ray R propagating at an angle θ close to the critical propagation angle θ, θ3 exceeds the critical propagation angle θ. As a result, the light ray R leaks to the cladding 2.
第4図において、プリズム3の入射側端面が3a゛のよ
うに、出射側端面3bと平行になっていた場合は、プリ
ズム3を出た後のコア1からクラッド2への入射角は、
光線Rがプリズム3に入射される前の入射角θと同じ角
度θとなるので、コア1とクラッド2の境界で全反射さ
れ、光線Rはクラッド2へ漏洩されないのである。In FIG. 4, if the entrance end face of the prism 3 is parallel to the exit end face 3b as shown in 3a, the angle of incidence from the core 1 to the cladding 2 after leaving the prism 3 is:
Since the angle θ is the same as the incident angle θ before the ray R enters the prism 3, it is totally reflected at the boundary between the core 1 and the cladding 2, and the ray R is not leaked to the cladding 2.
従って、周囲温度が基準温度T0より高くなる程、光導
波路内を伝搬する光量が減るので、この光量を受光素子
5で検出すれば、温度変化がわかるのである。Therefore, as the ambient temperature becomes higher than the reference temperature T0, the amount of light propagating within the optical waveguide decreases, and by detecting this amount of light with the light receiving element 5, a change in temperature can be determined.
なお、光導波路内の光の伝搬モードは、マルチモードと
した方が、温度変化をより精度良く検出できるという効
果がある。It should be noted that if the propagation mode of light in the optical waveguide is multi-mode, temperature changes can be detected more accurately.
また、本実施例では基準温度T0でn、 =i13とし
たが、光量の透過率の変化により、温度変化をみている
ので、基準温度T0でn、≠n、であってもよい。ただ
し、n、=n3とした方が基準温度T0での透過光量が
大きくなり、透過率の変化の幅が大きくとれるので、よ
り精度の高い測定が可能となる。Further, in this embodiment, n at the reference temperature T0 is set as =i13, but since the temperature change is observed based on a change in the transmittance of the amount of light, n at the reference temperature T0 may be n, ≠n. However, if n, = n3, the amount of transmitted light at the reference temperature T0 becomes larger, and the range of change in transmittance can be increased, so that more accurate measurement is possible.
投光源の出力変動等による外乱を除去するために、第5
図に示したように、温度検出用先導波路8の他に、参照
用の光導波路8゛を別に設け、各々の出力を増幅器6で
増幅し、その出力を比較器7で比較することにより、光
源4の温度変化による発光パワーの変動を補正すること
ができる。In order to remove disturbances caused by output fluctuations of the light source, the fifth
As shown in the figure, in addition to the temperature detection leading waveguide 8, a reference optical waveguide 8' is separately provided, each output is amplified by an amplifier 6, and the outputs are compared by a comparator 7. Fluctuations in light emission power due to temperature changes of the light source 4 can be corrected.
また、コア1とプリズム3の材質により、各々の屈折率
の温度依存率が、上記実施例と逆の関係になるようにし
ても、同様の効果が得られるのはいうまでもない。ただ
し、この場合は、例えば、0°C〜50゛Cの温度範囲
を測定しようすれば、50°Cでn+ =n、となるよ
うにすることが望ましい。Furthermore, it goes without saying that the same effect can be obtained even if the temperature dependence of each refractive index is made to have a relationship opposite to that of the above embodiment depending on the materials of the core 1 and the prism 3. However, in this case, for example, if a temperature range of 0°C to 50°C is to be measured, it is desirable that n+ = n at 50°C.
さらに、上記実施例において、プリズム3の代わりに、
ボールレンズを用いれば、特性上のばらつきが少ないと
いう効果がある。Furthermore, in the above embodiment, instead of the prism 3,
The use of a ball lens has the effect of reducing variations in characteristics.
上記実施例では、温度センサとして、光導波路を用いて
いるので、例えば、光源4や受光素子5との光軸合わせ
のためのレンズ等を光導波路と一体ものとして形成する
等により、光軸合わせが容易に行なえるという効果があ
る。In the above embodiment, since an optical waveguide is used as the temperature sensor, the optical axis can be aligned by, for example, forming a lens or the like for aligning the optical axis with the light source 4 and the light receiving element 5 as an integral part of the optical waveguide. This has the effect that it can be easily performed.
上記のように、本発明の光導波跡形温度センサによれば
、中心部のコアと前記コアの外周部に被覆形成されたク
ラッドからなる光導波路の前記コア内部に、屈折率の温
度依存率が前記コアとは異なるプリズムを設けたので、
簡単かつ小型で、低コストの先導波跡形温度センサが提
供できた。As described above, according to the optical waveguide trace temperature sensor of the present invention, the temperature dependence rate of the refractive index exists inside the core of the optical waveguide, which is composed of a central core and a cladding formed on the outer periphery of the core. Since a prism different from the core was provided,
We were able to provide a simple, small, and low-cost leading waveform temperature sensor.
さらに、前記プリズムに代えてボールレンズを用いれば
、さらに特性上のばらつきの少ない光導波跡形温度セン
サが提供できる。Furthermore, if a ball lens is used in place of the prism, an optical waveguide trace temperature sensor with even fewer variations in characteristics can be provided.
第1図は、本発明の一実施例を示す光導波路の斜視図、
第2図は、同上の動作説明のためのグラフ、第3図は、
同上の動作説明のための模式図、第4図は、同上の動作
説明のための模式図、第5図は、本発明に係る他の実施
例を示すブロック図である。
1−・コア 2・・・クラッド3−プリ
ズム 3a−・−入射側端面3b・・・出側
端面 4・・−光源5−・受光素子
特許出願人 松下電工株式会社
代理人 弁理士 竹光 敏丸(ばか2名)第2図
1ff
第3
図
第4図
第5図FIG. 1 is a perspective view of an optical waveguide showing an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a graph for explaining the operation of the same, and FIG.
FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the same operation as above, FIG. 5 is a block diagram showing another embodiment of the present invention. 1- Core 2... Clad 3- Prism 3a--Incidence end face 3b...Output end face 4--Light source 5--Light receiving element Patent applicant Matsushita Electric Works Co., Ltd. Agent Patent attorney Toshimaru Takemitsu (2 idiots) Figure 2 1ff Figure 3 Figure 4 Figure 5
Claims (2)
たクラッドからなる光導波路の前記コア内部に、屈折率
の温度依存率が前記コアとは異なるプリズムを設けたこ
とを特徴とする光導波路形温度センサ。(1) An optical waveguide comprising a central core and a cladding formed around the outer periphery of the core is provided with a prism having a temperature dependence rate of refractive index different from that of the core. Optical waveguide temperature sensor.
を特徴とする請求項1記載の光導波路形温度センサ。(2) The optical waveguide type temperature sensor according to claim 1, characterized in that a ball lens is used in place of the prism.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP32688588A JPH02171629A (en) | 1988-12-23 | 1988-12-23 | Light waveguide type temperature sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP32688588A JPH02171629A (en) | 1988-12-23 | 1988-12-23 | Light waveguide type temperature sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH02171629A true JPH02171629A (en) | 1990-07-03 |
Family
ID=18192833
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP32688588A Pending JPH02171629A (en) | 1988-12-23 | 1988-12-23 | Light waveguide type temperature sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH02171629A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007163886A (en) * | 2005-12-14 | 2007-06-28 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Optical waveguide type device, temperature measuring instrument, and thermometric method |
-
1988
- 1988-12-23 JP JP32688588A patent/JPH02171629A/en active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007163886A (en) * | 2005-12-14 | 2007-06-28 | Sumitomo Electric Ind Ltd | Optical waveguide type device, temperature measuring instrument, and thermometric method |
JP4654901B2 (en) * | 2005-12-14 | 2011-03-23 | 住友電気工業株式会社 | Optical waveguide device, temperature measuring device, and temperature measuring method |
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