JPH0311644B2 - - Google Patents
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- JPH0311644B2 JPH0311644B2 JP59098437A JP9843784A JPH0311644B2 JP H0311644 B2 JPH0311644 B2 JP H0311644B2 JP 59098437 A JP59098437 A JP 59098437A JP 9843784 A JP9843784 A JP 9843784A JP H0311644 B2 JPH0311644 B2 JP H0311644B2
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- optical fibers
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
- G01L9/0076—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means
- G01L9/0077—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means for measuring reflected light
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D1/00—Measuring arrangements giving results other than momentary value of variable, of general application
- G01D1/16—Measuring arrangements giving results other than momentary value of variable, of general application giving a value which is a function of two or more values, e.g. product or ratio
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/28—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with deflection of beams of light, e.g. for direct optical indication
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
本発明は、ダイヤフラムの撓みを監視する装
置、より詳しく云うと光フアイバ装置を使用した
ダイヤフラムの撓み検出装置に関する。
置、より詳しく云うと光フアイバ装置を使用した
ダイヤフラムの撓み検出装置に関する。
（従来技術）
光フアイバ・センサは従来のセンサに比べて優
れていることから、光フアイバを利用した遠隔操
作による感知方法の開発に向けて多くの関心が集
められている。このセンサは、小形化を図り、電
磁妨害を排除しかつ電気的絶縁を完全に行うこと
ができれば、危険なあるいは爆発が起るような環
境、高温又は高電磁場の環境及び生体内医学の分
野において有用なセンサとして使用することがで
きるようになる。これらの用途については、ハ
イ・テクノロジイ（High Tech.）第２巻，第４
号，第49頁に掲載のジエー・ヘクト（J.Hecht）
著の論文「フアイバ・オプチツクス・ターンズ・
トウ・センシング」（“Fiber Optics Turns to
Sensing”）及びアイ・イー・イー・ジヤーナ
ル・オブ・クオンタム・エロクトロニクス
（IEEE J.Quantum Electron.）第18巻，第626頁
に掲載のテイー・ジー・ジヤイアロレンジ（T.
G.Giallorenzi）等著の論文「オプチカル・フア
イバ・センサ・テクノロジイ」（Optical Fiber
Sensor Technology”）に記載されている。
れていることから、光フアイバを利用した遠隔操
作による感知方法の開発に向けて多くの関心が集
められている。このセンサは、小形化を図り、電
磁妨害を排除しかつ電気的絶縁を完全に行うこと
ができれば、危険なあるいは爆発が起るような環
境、高温又は高電磁場の環境及び生体内医学の分
野において有用なセンサとして使用することがで
きるようになる。これらの用途については、ハ
イ・テクノロジイ（High Tech.）第２巻，第４
号，第49頁に掲載のジエー・ヘクト（J.Hecht）
著の論文「フアイバ・オプチツクス・ターンズ・
トウ・センシング」（“Fiber Optics Turns to
Sensing”）及びアイ・イー・イー・ジヤーナ
ル・オブ・クオンタム・エロクトロニクス
（IEEE J.Quantum Electron.）第18巻，第626頁
に掲載のテイー・ジー・ジヤイアロレンジ（T.
G.Giallorenzi）等著の論文「オプチカル・フア
イバ・センサ・テクノロジイ」（Optical Fiber
Sensor Technology”）に記載されている。
ダイヤフラムは、圧力を測定するのに最も一般
的に使用されている素子である。ダイヤフラムの
撓みを測定するのにこれまでに開発された光学的
な方法は、ダイヤフラムの変位による光の強度の
変化を利用するものであつた。特に、これまでに
開発された光フアイバ・センサは、ダイヤフラム
の中心から反射される光の変動、ダイヤフラムに
取付けられたベーン（vane）又はシヤツタの動
き、及びダイヤフラムにより圧縮される光フアイ
バのトランスミツシヨンの変化を利用するもので
ある。かかる光フアイバ・センサは、例えば、ア
プライド・オプチツクス（Applied Opt.）第18
巻，第3230頁（1979年）に掲載のアール・オー・
クツク（R.O.Cook）等著の論文「フアイバ・オ
プチツク・レバー・デイスプレイスメント・トラ
ンスデユーサ」（“Fiber Optic Displacement
Transducer”）；ナサ・テクニカル・メモランダ
ム（NASA Technical Memorandum）Ｘ−
3571頁に掲載の「オプチカル・ゼロ・デイフアレ
ンシヤル・プレツシヤー・スイツチ・アンド・イ
ツツ・エバリユエイシヨン・イン・ア・マルチプ
ル・プレツシヤー・メジヤリング・システム」
（“Optical zero−Differential Pressure Switch
and its Evaluation in ａ Multiple−Pressure
Measuring System”）；アメリカ合衆国、イリイ
ノ州、シカゴにおいて1982年６月８日から10日に
かけて開かれたゼネラル・センサ・テクノロジ
イ／フオース・アンド・プレツシヤー・センサー
ズ（General Sensor Technology／Force and
Pressure Sensors）に関する会議の会報の第79
頁に掲載のテイー・エー・スコツト（T.A.
Scott）著の「ノン・コンタクテイング・オプチ
カル・センサ」（“Non−Contacting Optical
Sensor”）；アプライド・フイジカル・レターズ
（Appl.Phys.Lett.）第37巻，第145頁（1980年）
に掲載のダブリユ・ビー・スピルマン・ジユニア
（W.B.Spillman，Jr.）等著の「シユリーレン・
マルチモード・フアイバ・オプチツク・ハイドロ
フオン」（“Schlieren Multimode Fiber Optic
Hydrophone”）；ジヤーナル・オブ・ジ・アコー
スチツク・ソサイエテイ・オブ・アメリカ（J.
Acoust.Soc.Am.）第67巻，第816頁（1980年）に
掲載のジエー・エヌ・フイールズ（J.N.Fields）
等著の「フアイバ・オプチツク・プレツシヤー・
センサ」（“Fiber−Optic Pressure Sensor”）；
及びアプライド・オプチツクス（Appl.Opt.）第
19巻，第3265頁（1980年）に掲載のジエー・エ
ヌ・フイールズ（J.N.Fields）等著の「フアイ
バ・マイクロベンド・アコースチツク・センサ」
（“Fiber Microbend Acoustic Sensor”）に記載
されている。
的に使用されている素子である。ダイヤフラムの
撓みを測定するのにこれまでに開発された光学的
な方法は、ダイヤフラムの変位による光の強度の
変化を利用するものであつた。特に、これまでに
開発された光フアイバ・センサは、ダイヤフラム
の中心から反射される光の変動、ダイヤフラムに
取付けられたベーン（vane）又はシヤツタの動
き、及びダイヤフラムにより圧縮される光フアイ
バのトランスミツシヨンの変化を利用するもので
ある。かかる光フアイバ・センサは、例えば、ア
プライド・オプチツクス（Applied Opt.）第18
巻，第3230頁（1979年）に掲載のアール・オー・
クツク（R.O.Cook）等著の論文「フアイバ・オ
プチツク・レバー・デイスプレイスメント・トラ
ンスデユーサ」（“Fiber Optic Displacement
Transducer”）；ナサ・テクニカル・メモランダ
ム（NASA Technical Memorandum）Ｘ−
3571頁に掲載の「オプチカル・ゼロ・デイフアレ
ンシヤル・プレツシヤー・スイツチ・アンド・イ
ツツ・エバリユエイシヨン・イン・ア・マルチプ
ル・プレツシヤー・メジヤリング・システム」
（“Optical zero−Differential Pressure Switch
and its Evaluation in ａ Multiple−Pressure
Measuring System”）；アメリカ合衆国、イリイ
ノ州、シカゴにおいて1982年６月８日から10日に
かけて開かれたゼネラル・センサ・テクノロジ
イ／フオース・アンド・プレツシヤー・センサー
ズ（General Sensor Technology／Force and
Pressure Sensors）に関する会議の会報の第79
頁に掲載のテイー・エー・スコツト（T.A.
Scott）著の「ノン・コンタクテイング・オプチ
カル・センサ」（“Non−Contacting Optical
Sensor”）；アプライド・フイジカル・レターズ
（Appl.Phys.Lett.）第37巻，第145頁（1980年）
に掲載のダブリユ・ビー・スピルマン・ジユニア
（W.B.Spillman，Jr.）等著の「シユリーレン・
マルチモード・フアイバ・オプチツク・ハイドロ
フオン」（“Schlieren Multimode Fiber Optic
Hydrophone”）；ジヤーナル・オブ・ジ・アコー
スチツク・ソサイエテイ・オブ・アメリカ（J.
Acoust.Soc.Am.）第67巻，第816頁（1980年）に
掲載のジエー・エヌ・フイールズ（J.N.Fields）
等著の「フアイバ・オプチツク・プレツシヤー・
センサ」（“Fiber−Optic Pressure Sensor”）；
及びアプライド・オプチツクス（Appl.Opt.）第
19巻，第3265頁（1980年）に掲載のジエー・エ
ヌ・フイールズ（J.N.Fields）等著の「フアイ
バ・マイクロベンド・アコースチツク・センサ」
（“Fiber Microbend Acoustic Sensor”）に記載
されている。
しかしながら、かかるタイプの光学圧力センサ
は、周囲の環境条件の影響を受けるという特有の
欠点を有している。これらの装置は、絶対的な強
度を測定するものであるから、出力信号は、光源
強度の変動とフアイバのマイクロベンドの損失と
を原因とする強度の損失の影響を受けることにな
る。さらにまた、ベーン・センサ（Vane
Sensor）や従来の反射センサのような、ダイヤ
フラムまでの距離を測定する圧力感知機構は、振
動や熱膨脹のような環境を原因として生ずるダイ
ヤフラムまでの距離の変化により強い影響を受け
てしまう。
は、周囲の環境条件の影響を受けるという特有の
欠点を有している。これらの装置は、絶対的な強
度を測定するものであるから、出力信号は、光源
強度の変動とフアイバのマイクロベンドの損失と
を原因とする強度の損失の影響を受けることにな
る。さらにまた、ベーン・センサ（Vane
Sensor）や従来の反射センサのような、ダイヤ
フラムまでの距離を測定する圧力感知機構は、振
動や熱膨脹のような環境を原因として生ずるダイ
ヤフラムまでの距離の変化により強い影響を受け
てしまう。
ダイヤフラムは、圧力を測定するのに使用でき
るほか、温度の測定にも使用できる。ダイヤフラ
ムを温度の測定に使用する場合には、ダイヤフラ
ムは温度に応答して撓むことにより応答を行うよ
うに適合された材料から形成される。例えば、ダ
イヤフラムにバイメタル材料を使用することがで
きる。
るほか、温度の測定にも使用できる。ダイヤフラ
ムを温度の測定に使用する場合には、ダイヤフラ
ムは温度に応答して撓むことにより応答を行うよ
うに適合された材料から形成される。例えば、ダ
イヤフラムにバイメタル材料を使用することがで
きる。
実開昭57−63244号公報等に示されるように、
光フアイバを用いて被検出物体の傾きを検出して
圧力差等検出する技術が知られている。この公知
技術では、入力フアイバから反射物体の表面に光
を照射し、反射物体の表面で反射した光を一対の
コレクシヨン・フアイバで受光し、一対のコレク
シヨン・フアイバの受光量の差から反射物体の傾
き量を検出している。
光フアイバを用いて被検出物体の傾きを検出して
圧力差等検出する技術が知られている。この公知
技術では、入力フアイバから反射物体の表面に光
を照射し、反射物体の表面で反射した光を一対の
コレクシヨン・フアイバで受光し、一対のコレク
シヨン・フアイバの受光量の差から反射物体の傾
き量を検出している。
しかしながら撓みによつて反射面が変形するダ
イヤフラムの撓み検出するために、１本の入力フ
アイバと一対のコレクシヨン・フアイバを用いて
ダイヤフラムの撓みを検出しても、高い検出精度
を得ることができなかつた。
イヤフラムの撓み検出するために、１本の入力フ
アイバと一対のコレクシヨン・フアイバを用いて
ダイヤフラムの撓みを検出しても、高い検出精度
を得ることができなかつた。
本発明の目的は、監視しようとする領域全体に
亘つて少ない誤差で線形応答を行うダイヤフラム
の撓み検出装置を提供することにある。
亘つて少ない誤差で線形応答を行うダイヤフラム
の撓み検出装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、高い検出精度でダイヤフ
ラムの撓みを検出することができるダイヤフラム
の撓み検出装置を提供することにあるる。
ラムの撓みを検出することができるダイヤフラム
の撓み検出装置を提供することにあるる。
本発明の実施例によれば、±約7.03Kg／cm2
（100psi）のダイナミツク範囲を有するダイヤフ
ラムの撓み検出装置を得ることができる。
（100psi）のダイナミツク範囲を有するダイヤフ
ラムの撓み検出装置を得ることができる。
本発明の実施例によれば、監視しようとする領
域全体に亘つて0.25％以下の誤差で線形応答を行
う撓み検出装置を得ることができうる。
域全体に亘つて0.25％以下の誤差で線形応答を行
う撓み検出装置を得ることができうる。
本発明の実施例によれば、検出可能な最小圧力
が約7.03×10-5Kg／cm2（１×10-3psi）以下の高感
度な撓み検出装置を得ることができる。
が約7.03×10-5Kg／cm2（１×10-3psi）以下の高感
度な撓み検出装置を得ることができる。
本発明の実施例によれば、過圧保護が約21Kg／
cm2（300psi）に達する撓み検出装置を得ることが
できる。
cm2（300psi）に達する撓み検出装置を得ることが
できる。
本発明の実施例によれば、ダイヤフラムの半径
と肉厚との比が適当に定められた撓み検出装置を
得ることができる。
と肉厚との比が適当に定められた撓み検出装置を
得ることができる。
本発明の実施例によれば、比較的簡単なエレク
トロニクス技術を利用した撓み検出装置を得るこ
とができる。
トロニクス技術を利用した撓み検出装置を得るこ
とができる。
本発明の実施例によれば、圧力変化に比例した
出力電圧を有する撓み検出装置を得ることができ
る。
出力電圧を有する撓み検出装置を得ることができ
る。
本発明の実施例によれば、生体内医学に使用す
ることができる比較的小形の撓み検出装置を得る
ことができる。
ることができる比較的小形の撓み検出装置を得る
ことができる。
本発明の実施例によれば、可動部品を殆んど備
えていない比較的丈夫な撓み検出装置を得ること
ができる。
えていない比較的丈夫な撓み検出装置を得ること
ができる。
本発明の実施例によれば、同心的に配列された
三つの別々の部品からなる単一のフアイバの束を
有する製造が容易な撓み検出装置をえることいが
できる。
三つの別々の部品からなる単一のフアイバの束を
有する製造が容易な撓み検出装置をえることいが
できる。
本発明の実施例によれば、電子回路において容
易に調整自在の零設定と補正操作を行うことがで
きる撓み検出装置を得ることができる。
易に調整自在の零設定と補正操作を行うことがで
きる撓み検出装置を得ることができる。
本発明の実施例によれば、光電源の強度の変動
及び入力フアイバでの損失による影響を受けない
撓み検出装置を得ることができる。
及び入力フアイバでの損失による影響を受けない
撓み検出装置を得ることができる。
本発明の実施例によれば、比較的安価な撓み検
出装置を得ることができる。
出装置を得ることができる。
本発明の実施例によれば、振動と温度変化の影
響を受けない撓み検出装置を得ることができる。
響を受けない撓み検出装置を得ることができる。
（発明の概要）
本発明者は、上記した環境条件に関する問題を
極力抑えるようにするため、ダイヤフラムの変位
ではなくダイヤフラムの曲率の変化を利用した圧
力変換器を完成した。第１の発明の装置において
は、光がダイヤフラムの中心から半径方向へｘの
距離のダイヤフラムの部分に射突するように、光
は、環状に配列されたフアイバによつてダイヤフ
ラムの表面に伝送される。ダイヤフラムによつて
反射された光は、イルミネーシヨン・フアイバ即
ち入力フアイバと同心をなしかつ入力フアイバの
内側及び外側の双方に配列されたコレクシヨン・
フアイバに分配される。内側のフアイバ群は第１
の複数の光フアイバを構成し、入力フアイバは第
２の複数の光フアイバを構成し、入力フアイバの
外側にあるコレクシヨン・フアイバは第３の複数
の光フアイバを構成する。ダイヤフラムの撓み
は、外側のコレクシヨン・フアイバが受ける光と
内側のコレクシヨン・アイバが受ける光との比率
に従つて生ずる。
極力抑えるようにするため、ダイヤフラムの変位
ではなくダイヤフラムの曲率の変化を利用した圧
力変換器を完成した。第１の発明の装置において
は、光がダイヤフラムの中心から半径方向へｘの
距離のダイヤフラムの部分に射突するように、光
は、環状に配列されたフアイバによつてダイヤフ
ラムの表面に伝送される。ダイヤフラムによつて
反射された光は、イルミネーシヨン・フアイバ即
ち入力フアイバと同心をなしかつ入力フアイバの
内側及び外側の双方に配列されたコレクシヨン・
フアイバに分配される。内側のフアイバ群は第１
の複数の光フアイバを構成し、入力フアイバは第
２の複数の光フアイバを構成し、入力フアイバの
外側にあるコレクシヨン・フアイバは第３の複数
の光フアイバを構成する。ダイヤフラムの撓み
は、外側のコレクシヨン・フアイバが受ける光と
内側のコレクシヨン・アイバが受ける光との比率
に従つて生ずる。
具体的に第１の発明は、半径ｒのダイヤフラム
の撓みを監視するのに適したダイヤフラムの撓み
検出装置であつて、ダイヤフラムの中心を中心と
して配列されかつ半径ｒよりも小さい半径r1を有
する円を形成するように配設された第１の複数の
光フアイバと、ダイヤフラムの中心を中心として
端部どうしが全体で環状に配列されかつ半径ｒ及
びr1に対しｒ＞r2＞r1なる関係を有する半径r2の
円を形成するように配設された第２の複数の光フ
アイバと、ダイヤフラムの中心を中心として端部
どうしが全体で環状に配列されかつ記半径ｒ及び
r2に対しｒ≧r3＞r2なる関係にある半径r3の円を
形成するように配設された第３の複数の光フアイ
バとを備えてなり、第１と第３の複数の光フアイ
バの端部は光捕捉特性を有しかつ第２の複数の光
フアイバの端部は光放出特性を有しており、第２
の複数の光フアイバから出る光は所定の比率に従
うダイヤフラムの撓みの量に比例してダイヤフラ
ムにより反射されて前記第１及び第３の複数の光
フアイバに導入されることを特徴とする。
の撓みを監視するのに適したダイヤフラムの撓み
検出装置であつて、ダイヤフラムの中心を中心と
して配列されかつ半径ｒよりも小さい半径r1を有
する円を形成するように配設された第１の複数の
光フアイバと、ダイヤフラムの中心を中心として
端部どうしが全体で環状に配列されかつ半径ｒ及
びr1に対しｒ＞r2＞r1なる関係を有する半径r2の
円を形成するように配設された第２の複数の光フ
アイバと、ダイヤフラムの中心を中心として端部
どうしが全体で環状に配列されかつ記半径ｒ及び
r2に対しｒ≧r3＞r2なる関係にある半径r3の円を
形成するように配設された第３の複数の光フアイ
バとを備えてなり、第１と第３の複数の光フアイ
バの端部は光捕捉特性を有しかつ第２の複数の光
フアイバの端部は光放出特性を有しており、第２
の複数の光フアイバから出る光は所定の比率に従
うダイヤフラムの撓みの量に比例してダイヤフラ
ムにより反射されて前記第１及び第３の複数の光
フアイバに導入されることを特徴とする。
特許請求の範囲第１０項に記載の第２の発明に
係るダイヤフラムの撓み検出装置では、環境条件
の変化に応答して撓むダイヤフラムと、一端部が
前記ダイヤフラムの可撓面に対し略直角に配置さ
れた入力フアイバ、入力フアイバの第１の側部に
近接して配置されかつ一端が入力フアイバの一端
部に近接しダイヤフラムの可撓面に対し略直角に
配置された第１のコレクシヨン・フアイバ及び入
力フアイバの第２の側部に近接して配置されかつ
一端が入力フアイバの一端部に近接しダイヤフラ
ムの可撓面に対し略直角に配置された第２のコレ
クシヨン・フアイバからなる少なくとも一対の感
知フアイバ・グループと、入力フアイバを介して
ダイヤフラムの可撓面に光を伝える手段と、少な
くとも一対の感知フアイバグループのそれぞれの
前記第１及び第２のコレクシヨン・フアイバによ
つて捕えられる光を監視しかつ出力信号を発生す
る手段とを具備する。少なくとも一対の感知フア
イバグループは、ダイヤフラムの可撓面に対して
対象的な位置に配置されている。感知フアイバグ
ループにおいて、入力フアイバから伝えられる光
はダイヤフラムの可撓面から反射され、しかもダ
イヤフラムが撓んだときに入力フアイバから伝え
られた光は予め定められた比率に従うダイヤフラ
ムの撓みの大きさに比例してダイヤフラムから反
射されて第１及び第２のコレクシヨン・フアイバ
によつて捕えられるものである。前記出力信号は
少なくとも一対の感知フアイバグループのそれぞ
れの第１及び第２のコレクシヨン・フアイバに捕
えられた光の割合に応じて予め定められた比率に
基づいて計算される。
係るダイヤフラムの撓み検出装置では、環境条件
の変化に応答して撓むダイヤフラムと、一端部が
前記ダイヤフラムの可撓面に対し略直角に配置さ
れた入力フアイバ、入力フアイバの第１の側部に
近接して配置されかつ一端が入力フアイバの一端
部に近接しダイヤフラムの可撓面に対し略直角に
配置された第１のコレクシヨン・フアイバ及び入
力フアイバの第２の側部に近接して配置されかつ
一端が入力フアイバの一端部に近接しダイヤフラ
ムの可撓面に対し略直角に配置された第２のコレ
クシヨン・フアイバからなる少なくとも一対の感
知フアイバ・グループと、入力フアイバを介して
ダイヤフラムの可撓面に光を伝える手段と、少な
くとも一対の感知フアイバグループのそれぞれの
前記第１及び第２のコレクシヨン・フアイバによ
つて捕えられる光を監視しかつ出力信号を発生す
る手段とを具備する。少なくとも一対の感知フア
イバグループは、ダイヤフラムの可撓面に対して
対象的な位置に配置されている。感知フアイバグ
ループにおいて、入力フアイバから伝えられる光
はダイヤフラムの可撓面から反射され、しかもダ
イヤフラムが撓んだときに入力フアイバから伝え
られた光は予め定められた比率に従うダイヤフラ
ムの撓みの大きさに比例してダイヤフラムから反
射されて第１及び第２のコレクシヨン・フアイバ
によつて捕えられるものである。前記出力信号は
少なくとも一対の感知フアイバグループのそれぞ
れの第１及び第２のコレクシヨン・フアイバに捕
えられた光の割合に応じて予め定められた比率に
基づいて計算される。
（実施例）
第２，３及び４図は、動作状態にある本発明の
検出装置の原理を説明するための原理図の側面図
である。ダイヤフラム２１にかかる差圧が零のと
き（第３図）には、ダイヤフラム２１は平坦であ
り、等量の光が内側のコレクシヨン・フアイバ
（collection fiber）１８と外側のコレクシヨン・
フアイバ２０に向けて反射される。正の圧力が加
わる（第２図）と、ダイヤフラム２１は、第２図
に示すように、フアイバに対し凸状に撓み、外側
のコクシヨン・フアイバ２４に向けて反射する光
２２の量の方が多くなる。逆に、負の圧力が加わ
ると、ダイヤフラム２６は、第４図に示すよう
に、凹状に撓み、内側のコレクシヨン・フアイバ
２８に向けて反射する光の量が多くなる。この原
理に従つて、本発明の検出装置は、圧力の大きさ
と向き（正又は負）の双方を明確に感知すること
ができる。
検出装置の原理を説明するための原理図の側面図
である。ダイヤフラム２１にかかる差圧が零のと
き（第３図）には、ダイヤフラム２１は平坦であ
り、等量の光が内側のコレクシヨン・フアイバ
（collection fiber）１８と外側のコレクシヨン・
フアイバ２０に向けて反射される。正の圧力が加
わる（第２図）と、ダイヤフラム２１は、第２図
に示すように、フアイバに対し凸状に撓み、外側
のコクシヨン・フアイバ２４に向けて反射する光
２２の量の方が多くなる。逆に、負の圧力が加わ
ると、ダイヤフラム２６は、第４図に示すよう
に、凹状に撓み、内側のコレクシヨン・フアイバ
２８に向けて反射する光の量が多くなる。この原
理に従つて、本発明の検出装置は、圧力の大きさ
と向き（正又は負）の双方を明確に感知すること
ができる。
本発明の検出装置の説明を明確にするために、
１本の入力フアイバ即ちイルミネーシヨン・フア
イバ（illumina−tion fiber）と２本のコレクシ
ヨン・フアイバとからなる光フアイバグループを
例にとつて考えることにする。この光フアイバは
円筒状に配置され、対称であるため、３本のフア
イバからなる光フアイバは、実際のセンサにおい
て、これら３本のフアイバの作用を合わせた作用
を行う。第５図は、湾曲したダイヤフラムの下方
に端部が配置された３本のフアイバを示す。説明
を簡潔にするため、入力フアイバ２９又はクラツ
ドによつて捕えられる光を無視し、ダイヤフラム
の撓み角θは照射領域全体に亘つて一定であると
仮定する。外側の光線OA及びOB（第５図）は、
コアの屈折率（core index）がｎ、でクラツド
の屈折率（cladding index）がn2の入力フアイバ
の内側で、臨界角〔θc＝sin-1（n2／n1）〕で反射
する光であるから、これらの光線は入力フアイバ
のエミツタンス・アパチヤ（emittance
aperture）を画定する。光線OCは、ダイヤフラ
ムに直角に衝突し、もとの道を戻る光である。従
つて、OAとOC間でフアイバから出る光線は外
側に反射し、一方、OCとOB間の光は内側へ反射
していく。図面上の平面に限定して考えると、外
側への反射光の量（Iput）は角度α、従つて、寸
法ａに比例し、内側への反射光の量（Iio）は角度
β即ち寸法ｂに比例する。従つて、次式(1) Iput／Iio＝（aRI0）／（bRI0）＝（r0＋ｚ）／（r0−
ｚ） (1) が成立する。ここで I0＝入力フアイバを出るときの強さ Ｒ＝ダイヤフラムの反射率 ｚ＝フアイバの中心から光線OCがフアイバを出
る点までの距離 r0＝フアイバの半径 ダイヤフラムの勾配dy／dxが小さい場合には、
スネルの法側（snell′s law）を利用して次式(2) Iput／Iio＝〔１＋（dy／dx）tanθc／n1〕／〔１−
（dy／dx）tanθc／n1〕 (2) が得られる。
１本の入力フアイバ即ちイルミネーシヨン・フア
イバ（illumina−tion fiber）と２本のコレクシ
ヨン・フアイバとからなる光フアイバグループを
例にとつて考えることにする。この光フアイバは
円筒状に配置され、対称であるため、３本のフア
イバからなる光フアイバは、実際のセンサにおい
て、これら３本のフアイバの作用を合わせた作用
を行う。第５図は、湾曲したダイヤフラムの下方
に端部が配置された３本のフアイバを示す。説明
を簡潔にするため、入力フアイバ２９又はクラツ
ドによつて捕えられる光を無視し、ダイヤフラム
の撓み角θは照射領域全体に亘つて一定であると
仮定する。外側の光線OA及びOB（第５図）は、
コアの屈折率（core index）がｎ、でクラツド
の屈折率（cladding index）がn2の入力フアイバ
の内側で、臨界角〔θc＝sin-1（n2／n1）〕で反射
する光であるから、これらの光線は入力フアイバ
のエミツタンス・アパチヤ（emittance
aperture）を画定する。光線OCは、ダイヤフラ
ムに直角に衝突し、もとの道を戻る光である。従
つて、OAとOC間でフアイバから出る光線は外
側に反射し、一方、OCとOB間の光は内側へ反射
していく。図面上の平面に限定して考えると、外
側への反射光の量（Iput）は角度α、従つて、寸
法ａに比例し、内側への反射光の量（Iio）は角度
β即ち寸法ｂに比例する。従つて、次式(1) Iput／Iio＝（aRI0）／（bRI0）＝（r0＋ｚ）／（r0−
ｚ） (1) が成立する。ここで I0＝入力フアイバを出るときの強さ Ｒ＝ダイヤフラムの反射率 ｚ＝フアイバの中心から光線OCがフアイバを出
る点までの距離 r0＝フアイバの半径 ダイヤフラムの勾配dy／dxが小さい場合には、
スネルの法側（snell′s law）を利用して次式(2) Iput／Iio＝〔１＋（dy／dx）tanθc／n1〕／〔１−
（dy／dx）tanθc／n1〕 (2) が得られる。
θc＝sin-1（n2／n1）であるから、信号の強度比
Iput／Iioは入力フアイバのコアとクラツドの屈折
率及びダイヤフラムの勾配のみによつて定まるこ
とが式(2)からわかる。Iput／Iioはフアイバの半径、
ダイヤフラムまでの距離、ダイヤフラムの反射
率、及び光が入力フアイバを出るときの光の強さ
とは無関係であるから、周囲の影響を全く受けな
い。荷重が均一で、縁部が固定された円形のダイ
ヤフラムの場合には、ダイヤフラムの撓みｙの圧
力依存性は、〔アメリカ合衆国、ニユーヨーク州
に所在するマグロー・ヒル（McGraw−Hill）
社、1975年発行〕アール・ジエ−・ロアーク
（R.J.Roark）等著の「フオーミユラズ・フオ
ー・ストレス・アンド・ストレイン」（Formulas
for Stress and Strain）第５版によれば、次式
(3) ｙ（ｘ）＝−３（r2−x5）2（１−μ2）ｐ／（16yt3）(
3) により表すことができる。式(3)において、 ｘ＝ダイヤフラムの中心からの半径方向の距離 ｒ＝ダイヤフラムの半径 ｔ＝ダイヤフラムの肉厚 ｙ＝ダイヤフラムのヤング率 μ＝ダイヤフラムのポアソン比 式(3)をｘに関して微分してdy／dxを得ると、
式(2)は Iput／Iio＝（１＋AP）／（１−AP） (4) になる。ここで Ａは、 Ａ＝〔3x（r2−x2）（１−μ2）／4n1yt3〕・tanc (5) なる式に従つて、ダイヤフラムと入力フアイバ
の性質によつて定められる定数である。
Iput／Iioは入力フアイバのコアとクラツドの屈折
率及びダイヤフラムの勾配のみによつて定まるこ
とが式(2)からわかる。Iput／Iioはフアイバの半径、
ダイヤフラムまでの距離、ダイヤフラムの反射
率、及び光が入力フアイバを出るときの光の強さ
とは無関係であるから、周囲の影響を全く受けな
い。荷重が均一で、縁部が固定された円形のダイ
ヤフラムの場合には、ダイヤフラムの撓みｙの圧
力依存性は、〔アメリカ合衆国、ニユーヨーク州
に所在するマグロー・ヒル（McGraw−Hill）
社、1975年発行〕アール・ジエ−・ロアーク
（R.J.Roark）等著の「フオーミユラズ・フオ
ー・ストレス・アンド・ストレイン」（Formulas
for Stress and Strain）第５版によれば、次式
(3) ｙ（ｘ）＝−３（r2−x5）2（１−μ2）ｐ／（16yt3）(
3) により表すことができる。式(3)において、 ｘ＝ダイヤフラムの中心からの半径方向の距離 ｒ＝ダイヤフラムの半径 ｔ＝ダイヤフラムの肉厚 ｙ＝ダイヤフラムのヤング率 μ＝ダイヤフラムのポアソン比 式(3)をｘに関して微分してdy／dxを得ると、
式(2)は Iput／Iio＝（１＋AP）／（１−AP） (4) になる。ここで Ａは、 Ａ＝〔3x（r2−x2）（１−μ2）／4n1yt3〕・tanc (5) なる式に従つて、ダイヤフラムと入力フアイバ
の性質によつて定められる定数である。
式(4)は、両辺の対数となり、この対数を（AP）
のべき（power）で展開すると、簡単に反転
（invert）することができる。先づ（AP）で整理
すると、 Ｐ＝ln（Iput／Iio）／2A (6) となり、百分率誤差（percent error）は33.3
（AP）2となる。従つて、（AP）2＜＜１であるよう
なダイヤフラムを選べば、圧力はIputとIioとの比
の対数に対し直線関係となり、信号の解析を極め
て簡単に行うことができる。
のべき（power）で展開すると、簡単に反転
（invert）することができる。先づ（AP）で整理
すると、 Ｐ＝ln（Iput／Iio）／2A (6) となり、百分率誤差（percent error）は33.3
（AP）2となる。従つて、（AP）2＜＜１であるよう
なダイヤフラムを選べば、圧力はIputとIioとの比
の対数に対し直線関係となり、信号の解析を極め
て簡単に行うことができる。
最近、生体内医学向けの丈夫な、小型の圧力変
換器の開発に対する関心が高まつている。概略を
上記した圧力感知即ち撓み検出装置の試験を行う
ため、小型のプロトタイプ反射センサをつくつ
た。ダイヤフラムは、０乃至約0.35Kg／cm2（０乃
至5psi）の印加可能な医学的圧力（medical
pressure）の範囲内で最適なセンサの性能が得ら
れるように構成した。500本のフアイバからなる
半径が0.8mmの標準的なフアイバの束即ちバンド
ル３４を、第１図に示すように、入力フアイバの
束からなるイルミネーシヨン・ストリツプ４０に
より外側のコレクシヨン領域３６と内側のコレク
シヨン領域３８とに分けた。それぞれの多モー
ド・フアイバのコアは、直径が70ミクロンで屈折
率n1が1.62であり、これを肉厚が3.5ミクロンで屈
折率n2が1.52のクラツドで包囲した。イルミネー
シヨン・リングの半径ｘは、402ミクロンであつ
た。フアイバの束を、エポキシ樹脂４１を用いて
肉厚が250ミクロンの金属スリーブに装填し、外
径がわずか2.2mmの小型センサをつくつた。半径
が1.1mmのダイヤフラムを127ミクロンの肉厚のポ
リカーボネートからつくり、これをエポキシ樹脂
で処理し、縁部を、可変圧力源に接続された変換
器のハウジングの端部に固定した。次に、フアイ
バの束の軸線がダイヤフラムと直交しかつこれと
共線（colinear）をなすようにフアイバの束を変
換器のハウジングに挿入した。更に、入力フアイ
バに白色光を照射し、強度Iput及びIioを、式(6)の
アルゴリズム（algorithm）を満たすように構成
されている電子装置に接続された光検出器で測定
した。
換器の開発に対する関心が高まつている。概略を
上記した圧力感知即ち撓み検出装置の試験を行う
ため、小型のプロトタイプ反射センサをつくつ
た。ダイヤフラムは、０乃至約0.35Kg／cm2（０乃
至5psi）の印加可能な医学的圧力（medical
pressure）の範囲内で最適なセンサの性能が得ら
れるように構成した。500本のフアイバからなる
半径が0.8mmの標準的なフアイバの束即ちバンド
ル３４を、第１図に示すように、入力フアイバの
束からなるイルミネーシヨン・ストリツプ４０に
より外側のコレクシヨン領域３６と内側のコレク
シヨン領域３８とに分けた。それぞれの多モー
ド・フアイバのコアは、直径が70ミクロンで屈折
率n1が1.62であり、これを肉厚が3.5ミクロンで屈
折率n2が1.52のクラツドで包囲した。イルミネー
シヨン・リングの半径ｘは、402ミクロンであつ
た。フアイバの束を、エポキシ樹脂４１を用いて
肉厚が250ミクロンの金属スリーブに装填し、外
径がわずか2.2mmの小型センサをつくつた。半径
が1.1mmのダイヤフラムを127ミクロンの肉厚のポ
リカーボネートからつくり、これをエポキシ樹脂
で処理し、縁部を、可変圧力源に接続された変換
器のハウジングの端部に固定した。次に、フアイ
バの束の軸線がダイヤフラムと直交しかつこれと
共線（colinear）をなすようにフアイバの束を変
換器のハウジングに挿入した。更に、入力フアイ
バに白色光を照射し、強度Iput及びIioを、式(6)の
アルゴリズム（algorithm）を満たすように構成
されている電子装置に接続された光検出器で測定
した。
平均化（averaging）するためには、研磨した
フアイバの束をダイヤフラムから可能な最大距離
ｄのところに配置し、最大距離ｄが光を受光フア
イバ即ちレセプシヨン・フアイバの周辺から外側
へ反射させるような大きな寸法とならないように
制限するのが有利である。最大距離ｄは0.25mmで
あることがわかつた。次に、出力信号ln（Iput／
Iio）を、印加可能な医学的圧力の範囲においてゲ
ージ圧Ｐの関数として記録した。結果は第６図に
示す通りであつた。
フアイバの束をダイヤフラムから可能な最大距離
ｄのところに配置し、最大距離ｄが光を受光フア
イバ即ちレセプシヨン・フアイバの周辺から外側
へ反射させるような大きな寸法とならないように
制限するのが有利である。最大距離ｄは0.25mmで
あることがわかつた。次に、出力信号ln（Iput／
Iio）を、印加可能な医学的圧力の範囲においてゲ
ージ圧Ｐの関数として記録した。結果は第６図に
示す通りであつた。
第６図から、ln（Iput／Iio）は実際に圧力に対し
て直線関係にあることがわかる。かかるデータに
１次最小２乗法を当てはめると、この直線の勾配
は0.035psi-1となり、これは、ＡがAexp＝
0.0175psi-1である場合の実験測定値となる。式(6)
の百分率誤差は33.3（AP）2であると予測された
が、これは最大の非直線性がわずか0.25％という
ことになる。これは、第６図にすデータが、相関
係数が0.99995という優れた直線性を有すること
と一致する。ダイヤフラムの関連するパラメータ
を式(5)に代入すると、Ａの予測値は0.0157psi-1と
なり、これは実験による測定値に匹敵する。理論
値ＡとAexpとの間のわずかな差は、入力フアイ
バのリングの肉厚が原因で生ずる。上記した簡単
な理論的解析から、反射光は全てIio又はIputに作
用し、実際に、光の大部分はイルミネーシヨン・
リングに対し後方へ反射されることが考えられ
る。これにより、装置の感度はわずかながら増加
する。本発明によれば、光フアイバの内側の束と
外側の束とによつて捕えられる光の強度（Ｉ）ど
うしの関係は、（I3−I1）／（I3＋I1）として表す
ことができる。これは、ダイヤフラムの撓みの変
化に対し、一次関数の関係にあることがわかつ
た。
て直線関係にあることがわかる。かかるデータに
１次最小２乗法を当てはめると、この直線の勾配
は0.035psi-1となり、これは、ＡがAexp＝
0.0175psi-1である場合の実験測定値となる。式(6)
の百分率誤差は33.3（AP）2であると予測された
が、これは最大の非直線性がわずか0.25％という
ことになる。これは、第６図にすデータが、相関
係数が0.99995という優れた直線性を有すること
と一致する。ダイヤフラムの関連するパラメータ
を式(5)に代入すると、Ａの予測値は0.0157psi-1と
なり、これは実験による測定値に匹敵する。理論
値ＡとAexpとの間のわずかな差は、入力フアイ
バのリングの肉厚が原因で生ずる。上記した簡単
な理論的解析から、反射光は全てIio又はIputに作
用し、実際に、光の大部分はイルミネーシヨン・
リングに対し後方へ反射されることが考えられ
る。これにより、装置の感度はわずかながら増加
する。本発明によれば、光フアイバの内側の束と
外側の束とによつて捕えられる光の強度（Ｉ）ど
うしの関係は、（I3−I1）／（I3＋I1）として表す
ことができる。これは、ダイヤフラムの撓みの変
化に対し、一次関数の関係にあることがわかつ
た。
第１図は特許請求の範囲第１項に記載の発明の
一実施例であるが、第７図は光フアイバの束を用
いる発明の他の実施例を示している。この実施例
では、ダイヤフラム７０全体を光フアイバで監視
することができるようになつている。この実施例
では、図示のように、３組の光フアイバ群７２，
７４，７６がそれぞれ対称形に充填されている。
先づ、中央に円形に配設されたフアイバ群７２は
内側コレクシヨン・フアイバとして作用する光フ
アイバである。中間の環状フアイバ群７４は入力
フアイバとして動作し、外側の環状フアイバ群７
６は外側コレクシヨン・フアイバの態様で動作す
る。
一実施例であるが、第７図は光フアイバの束を用
いる発明の他の実施例を示している。この実施例
では、ダイヤフラム７０全体を光フアイバで監視
することができるようになつている。この実施例
では、図示のように、３組の光フアイバ群７２，
７４，７６がそれぞれ対称形に充填されている。
先づ、中央に円形に配設されたフアイバ群７２は
内側コレクシヨン・フアイバとして作用する光フ
アイバである。中間の環状フアイバ群７４は入力
フアイバとして動作し、外側の環状フアイバ群７
６は外側コレクシヨン・フアイバの態様で動作す
る。
第８図は、特許請求の範囲第１０項に記載の発
明の一実施例を示している。この実施例において
は、圧力を検出するのに６本の光フアイバが使用
されている。この実施例においては、ダイヤフラ
ム６６に対し、フアイバ５６は内側のコレクシヨ
ン・フアイバとして作用し、フアイバ５８と６４
は入力フアイバとして作用し、フアイバ６０と６
２は外側コレクシヨン・フアイバとして作用す
る。そして光フアイバ５６，６４及び６０により
第１の感知フアイバグループが構成され、光フア
イバ５６，５８及び６２により第２の感知フアイ
バグループが構成されており、図示の通り第１及
び第２の感知フアイバグループがダイヤフラム６
６の中心を中心として対称的に配置されている。
なおこの実施例では、仮想線で示されている中央
に配置されたフアイバ６８を設けて、各グループ
の感知フアイバを、ダイヤフラムの両側に離隔さ
せることができる。その場合、中央に配置された
フアイバ６８は使用されるものではなく、また、
かかるフアイバは設けなくてもよい。第８図の実
施例では感知フアイバをダイヤフラムの両側に離
隔配置しているので、検出器の信頼性を高めるこ
とができる対称平均化技術（symmetrical
averaging techniques）を使用することができる
という利点がある。
明の一実施例を示している。この実施例において
は、圧力を検出するのに６本の光フアイバが使用
されている。この実施例においては、ダイヤフラ
ム６６に対し、フアイバ５６は内側のコレクシヨ
ン・フアイバとして作用し、フアイバ５８と６４
は入力フアイバとして作用し、フアイバ６０と６
２は外側コレクシヨン・フアイバとして作用す
る。そして光フアイバ５６，６４及び６０により
第１の感知フアイバグループが構成され、光フア
イバ５６，５８及び６２により第２の感知フアイ
バグループが構成されており、図示の通り第１及
び第２の感知フアイバグループがダイヤフラム６
６の中心を中心として対称的に配置されている。
なおこの実施例では、仮想線で示されている中央
に配置されたフアイバ６８を設けて、各グループ
の感知フアイバを、ダイヤフラムの両側に離隔さ
せることができる。その場合、中央に配置された
フアイバ６８は使用されるものではなく、また、
かかるフアイバは設けなくてもよい。第８図の実
施例では感知フアイバをダイヤフラムの両側に離
隔配置しているので、検出器の信頼性を高めるこ
とができる対称平均化技術（symmetrical
averaging techniques）を使用することができる
という利点がある。
第９図は本発明の他の実施例を示している。こ
の実施例では、円形ではない可撓性ダイヤフラム
７８を使用することができる。第９図の実施例で
は、矩形のダイヤフラム７８が使用されている。
上記各実施例のような円形のダイヤフラムと同様
に、入力フアイバ８０と８２はそれぞれ、外側コ
レクシヨン・フアイバ８１及び８４と内側コレク
シヨン・フアイバ９０及び８８との間の空間に配
置されている。この例では光フアイバ８０，８１
及び９０により第１の感知フアイバグループが構
成され、光フアイバ８２，８４及び８８により第
２の感知フアイバグループが構成されている。そ
して第１及び第２の感知フアイバグループは、矩
形ダイヤフラム７８に対して対称的な位置に配置
されている。矩形ダイヤフラム７８は可撓性があ
るので、光は上記した各実施例と同様の態様で内
側及び外側のコレクシヨン・フアイバによつて補
えられる。
の実施例では、円形ではない可撓性ダイヤフラム
７８を使用することができる。第９図の実施例で
は、矩形のダイヤフラム７８が使用されている。
上記各実施例のような円形のダイヤフラムと同様
に、入力フアイバ８０と８２はそれぞれ、外側コ
レクシヨン・フアイバ８１及び８４と内側コレク
シヨン・フアイバ９０及び８８との間の空間に配
置されている。この例では光フアイバ８０，８１
及び９０により第１の感知フアイバグループが構
成され、光フアイバ８２，８４及び８８により第
２の感知フアイバグループが構成されている。そ
して第１及び第２の感知フアイバグループは、矩
形ダイヤフラム７８に対して対称的な位置に配置
されている。矩形ダイヤフラム７８は可撓性があ
るので、光は上記した各実施例と同様の態様で内
側及び外側のコレクシヨン・フアイバによつて補
えられる。
本発明を、圧力の変化に応答して撓むダイヤフ
ラムに関して説明してきたが、他の因子に応答し
て撓むダイヤフラムを使用することができる。例
えば、本発明においては、温度変化に応答してダ
イヤフラムが撓むことができるようにすることが
できる。即ち、例えば、本発明を、ダイヤフラム
がバイメタル材料から形成されている温度感知装
置として具現することができる。この場合、ダイ
ヤフラムは、例えば、バイメタル・ストリツプの
形態をとることができる。
ラムに関して説明してきたが、他の因子に応答し
て撓むダイヤフラムを使用することができる。例
えば、本発明においては、温度変化に応答してダ
イヤフラムが撓むことができるようにすることが
できる。即ち、例えば、本発明を、ダイヤフラム
がバイメタル材料から形成されている温度感知装
置として具現することができる。この場合、ダイ
ヤフラムは、例えば、バイメタル・ストリツプの
形態をとることができる。
上記のように、ダイヤフラムの変位の代わりに
ダイヤフラムの曲率を利用して圧力を感知する新
規な光学的技術が本発明者により完成された。本
明細書に記載のプロトタイプの圧力センサは、小
型であり、しかも光フアイバ感知技術の電磁干渉
特性の影響を受けないようになつている。また、
ダイヤフラムの撓み測定は圧力の変動に匹敵する
環境の影響を取除くことができないが、本発明で
は、フアイバの束のダイヤフラムに対する動きを
引起す、振動と温度を原因とする悪影響を除去す
ることができる。更に、光源の強さに対する出力
信号の依存性は、ダイヤフラムに光が反射した後
はなくなるので、本発明の装置は、光源の強度の
変動、入力フアイバでの損失及びダイヤフラムの
反射率を自動的に補償することができる。更に、
リターン・フアイバの環境が略均質である場合に
は、フアイバのマイクロベンドの損失
（microbend loss）に関連した騒音の多くを除去
することができる。更にまた、本発明の装置はリ
ニア（linear）な態様で作動するように構成する
ことができる。
ダイヤフラムの曲率を利用して圧力を感知する新
規な光学的技術が本発明者により完成された。本
明細書に記載のプロトタイプの圧力センサは、小
型であり、しかも光フアイバ感知技術の電磁干渉
特性の影響を受けないようになつている。また、
ダイヤフラムの撓み測定は圧力の変動に匹敵する
環境の影響を取除くことができないが、本発明で
は、フアイバの束のダイヤフラムに対する動きを
引起す、振動と温度を原因とする悪影響を除去す
ることができる。更に、光源の強さに対する出力
信号の依存性は、ダイヤフラムに光が反射した後
はなくなるので、本発明の装置は、光源の強度の
変動、入力フアイバでの損失及びダイヤフラムの
反射率を自動的に補償することができる。更に、
リターン・フアイバの環境が略均質である場合に
は、フアイバのマイクロベンドの損失
（microbend loss）に関連した騒音の多くを除去
することができる。更にまた、本発明の装置はリ
ニア（linear）な態様で作動するように構成する
ことができる。
上記したプロトタイプの圧力変損器は生体内医
学向けに適するような大きさと圧力範囲を有する
ように構成されているが、本発明を用いた感知装
置はもつと広汎な用途を有している。かかるタイ
プのセンサの感度及び最適圧力範囲は、式(5)によ
つて与えられる定数Ａにより定められるが、この
定数はダイヤフラムの材質又は肉厚を変えること
により容易に変えることができる。例えば、０乃
至約4.2Kg／cm2（０乃至60psi）の範囲で動作する
ように構成された遥かに大形のセンサは、直径が
10.4mmで肉厚が約0.3mm（12mil）のシリコン製ダ
イヤフラムを使用して製造することができた。こ
のセンサもまたリニアな圧力応答性を有し、０乃
至約4.2Kg／cm2の範囲における相関係数は0.99987
であつた。
学向けに適するような大きさと圧力範囲を有する
ように構成されているが、本発明を用いた感知装
置はもつと広汎な用途を有している。かかるタイ
プのセンサの感度及び最適圧力範囲は、式(5)によ
つて与えられる定数Ａにより定められるが、この
定数はダイヤフラムの材質又は肉厚を変えること
により容易に変えることができる。例えば、０乃
至約4.2Kg／cm2（０乃至60psi）の範囲で動作する
ように構成された遥かに大形のセンサは、直径が
10.4mmで肉厚が約0.3mm（12mil）のシリコン製ダ
イヤフラムを使用して製造することができた。こ
のセンサもまたリニアな圧力応答性を有し、０乃
至約4.2Kg／cm2の範囲における相関係数は0.99987
であつた。
本発明を用いて構成する圧力感知装置は、小形
でかつ環境によつて左右されないかかる装置が所
望される分野であれば、軍事上及び産業上の種々
の分野において広く使用することができる。
でかつ環境によつて左右されないかかる装置が所
望される分野であれば、軍事上及び産業上の種々
の分野において広く使用することができる。
（発明の効果）
以上のように、特許請求の範囲第１項に記載の
発明によれば、ダイヤフラムの撓みが、第３の複
数の光フアイバが受ける光と第１の複数の光フア
イバとが受ける光との比率に従うものであるか
ら、光源の強度の変動、第２の光フアイバ内での
損失及びダイヤフラム表面の反射率の変化を自動
的に補償することができる。更に、圧力は、光フ
アイバとダイヤフラムとの間の距離によつてでは
なく、ダイヤフラムの曲率によつて測定されるの
で、本発明の装置は温度及び振動の影響を受ける
ことがない。更にまた、本発明の装置はリニアな
態様で作動させるようにすることができるので、
容易に補正を行うことができる。特に第１ないし
第３の複数の光フアイバを円を形成するように配
置してので、検出精度を大幅に高めることができ
る。
発明によれば、ダイヤフラムの撓みが、第３の複
数の光フアイバが受ける光と第１の複数の光フア
イバとが受ける光との比率に従うものであるか
ら、光源の強度の変動、第２の光フアイバ内での
損失及びダイヤフラム表面の反射率の変化を自動
的に補償することができる。更に、圧力は、光フ
アイバとダイヤフラムとの間の距離によつてでは
なく、ダイヤフラムの曲率によつて測定されるの
で、本発明の装置は温度及び振動の影響を受ける
ことがない。更にまた、本発明の装置はリニアな
態様で作動させるようにすることができるので、
容易に補正を行うことができる。特に第１ないし
第３の複数の光フアイバを円を形成するように配
置してので、検出精度を大幅に高めることができ
る。
また特許請求の範囲第１０項の発明によれば、
少なくとも一対の感知フアイバグループをダイヤ
フラムの可撓面に対して対称的な位置に配置して
いるため、対称平均化技術を利用してダイヤフラ
ムの撓みの検出精度を高めることができる利点が
ある。
少なくとも一対の感知フアイバグループをダイヤ
フラムの可撓面に対して対称的な位置に配置して
いるため、対称平均化技術を利用してダイヤフラ
ムの撓みの検出精度を高めることができる利点が
ある。
第１図は第１の発明に係るダイヤフラムの撓み
検出装置の一実施例の横断面図、第２図はダイヤ
フラムが光フアイバに対して凸状に撓んだときに
第１と第３の複数の光フアイバによつて捕えられ
た光の量を示す概略側面図、第３図はダイヤフラ
ムが撓んでいないときに第１及び第３の複数の光
フアイバにより捕えられた光の量を示す概略側面
図、第４図はダイヤフラムが光フアイバに対し凹
状に撓んだときに第１及び第３の複数の光フアイ
バによつて捕えられた光の量を示す概略側面図、
第５図は湾曲するダイヤフラムの下方に端部が配
置された３本のフアイバからなる光フアイバの概
略側面図、第６図は出力信号と圧力との関係を示
すグラフ図、第７図は第１の発明の別の実施例を
示す概略平面図、第８図は第２の発明の実施例を
示す概略平面図、第９図は第２の発明の他の実施
例を示す概略平面図である。 １２……ダイヤフラム、１４，１６……光、１
８，２０……コレクシヨン・フアイバ、２２……
光、２４……コレクシヨン・フアイバ、２６……
ダイヤフラム、２８，２９，３０……光フアイ
バ、３２……ダイヤフラム、５６，５８，６０，
６２，６４……光フアイバ、６６……ダイヤフラ
ム、６８……光フアイバ、７０……ダイヤフラ
ム、７２，７４，７６……光フアイバ、７８……
ダイヤフラム、８０，８２……入力フアイバ、８
１，８４，８８，９０……コレクシヨン・フアイ
バ。
検出装置の一実施例の横断面図、第２図はダイヤ
フラムが光フアイバに対して凸状に撓んだときに
第１と第３の複数の光フアイバによつて捕えられ
た光の量を示す概略側面図、第３図はダイヤフラ
ムが撓んでいないときに第１及び第３の複数の光
フアイバにより捕えられた光の量を示す概略側面
図、第４図はダイヤフラムが光フアイバに対し凹
状に撓んだときに第１及び第３の複数の光フアイ
バによつて捕えられた光の量を示す概略側面図、
第５図は湾曲するダイヤフラムの下方に端部が配
置された３本のフアイバからなる光フアイバの概
略側面図、第６図は出力信号と圧力との関係を示
すグラフ図、第７図は第１の発明の別の実施例を
示す概略平面図、第８図は第２の発明の実施例を
示す概略平面図、第９図は第２の発明の他の実施
例を示す概略平面図である。 １２……ダイヤフラム、１４，１６……光、１
８，２０……コレクシヨン・フアイバ、２２……
光、２４……コレクシヨン・フアイバ、２６……
ダイヤフラム、２８，２９，３０……光フアイ
バ、３２……ダイヤフラム、５６，５８，６０，
６２，６４……光フアイバ、６６……ダイヤフラ
ム、６８……光フアイバ、７０……ダイヤフラ
ム、７２，７４，７６……光フアイバ、７８……
ダイヤフラム、８０，８２……入力フアイバ、８
１，８４，８８，９０……コレクシヨン・フアイ
バ。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 半径ｒのダイヤフラムの撓みを監視するのに
適したダイヤフラムの撓み検出装置において、 前記ダイヤフラムの中心を中心として配列され
かつ前記半径ｒよりも小さい半径r1を有する円を
形成するように配設された第１の複数の光フアイ
バと、 前記ダイヤフラムの中心を中心として端部どう
しが全体で環状に配列されかつ前記半径ｒ及びr1
に対しｒ＞r2＞r1なる関係を有する半径r2の円を
形成するように配設された第２の複数の光フアイ
バと、 前記ダイヤフラムの中心を中心として端部どう
しが全体で環状に配列されかつ前記半径ｒ及びr2
に対しｒ≧r3＞r2なる関係にある半径r3の円を形
成するように配設された第３の複数の光フアイバ
とを備えてなり、 前記第１と第３の複数の光フアイバの端部は光
捕捉特性を有しかつ前記第２の複数の光フアイバ
の端部は光放出特性を有しており、前記第２の複
数の光フアイバから出る光は所定の比率に従う前
記ダイヤフラムの撓みの量に比例して前記ダイヤ
フラムにより反射されて前記第１及び第３の複数
の光フアイバに導入されることを特徴とするダイ
ヤフラムの撓み検出装置。 ２ 前記第１，第２及び第３の複数の光フアイー
バは多モードの光フアイバであることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項に記載のダイヤフラムの
撓み検出装置。 ３ 前記第１，第２及び第３の複数の光フアイバ
は単モードの光フアイバと多モードの光フアイバ
との組合せからなることを特徴とする特許請求の
範囲第１項に記載のダイヤフラムの撓み検出装
置。 ４ 前記第１，第２及び第３の複数の光フアイバ
はハウジングによつて保持されていることを特徴
とする特許請求の範囲第１項に記載のダイヤフラ
ムの撓み検出装置。 ５ 前記のハウジングは前記第１，第２及び第３
の複数の光フアイバを前記ダイヤフラムの表面に
対し直角に保持する手段を備えることを特徴とす
る特許請求の範囲第４項に記載のダイヤフラムの
撓み検出装置。 ６ 前記ハウジングは前記第１，第２及び第３の
複数の光フアイバを前記ダイヤフラムに対し同心
をなして保持する手段を備えることを特徴とする
特許請求の範囲第４項に記載のダイヤフラムの撓
み検出装置。 ７ 前記第３と第１の複数の光フアイバによつて
捕えられる光の強度（Ｉ）の関係はln（I3／I1）と
して表すことができ、しかも前記ダイヤフラムの
撓みの変化に対して一次関数の関係にあることを
特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のダイヤ
フラムの撓み検出装置。 ８ 前記第１と第３の複数の光フアイバによつて
捕えられる光の強度（Ｉ）の関係は（I3−I1）／
（I3＋I1）として表すことができ、しかも前記ダ
イヤフラムの撓みの変化に対して一次関数の関係
にあることを特徴とする特許請求の範囲第１項に
記載のダイヤフラムの撓み検出装置。 ９ 前記ダイヤフラムはダイヤフラムにかかる圧
力の変化に応答して撓むことを特徴とする特許請
求の範囲第１項に記載のダイヤフラムの撓み検出
装置。 １０ 環境条件の変化に応答して撓みダイヤフラ
ムと、 一端部が前記ダイヤフラムの可撓面に対し略直
角に配置された入力フアイバ、前記入力フアイバ
の第１の側部に近接して配置されかつ一端が前記
入力フアイバの前記一端部に近接し前記ダイヤフ
ラムの前記可撓面に対し略直角に配置された第１
のコレクシヨン・フアイバ及び前記入力フアイバ
の第２の側部に近接して配置されかつ一端が前記
入力フアイバの前記一端部に近接し前記ダイヤフ
ラムの前記可撓面に対し略直角に配置された第２
のコレクシヨン・フアイバからなる少なくとも一
対の感知フアイバ・グループと、 前記入力フアイバを介して前記ダイヤフラムの
前記可撓面に光を伝える手段と、 前記少なくとも一対の感知フアイバグループの
それぞれの前記第１及び第２のコレクシヨン・フ
アイバによつて捕えられる光を監視しかつ出力信
号を発生する手段とを具備し、 前記少なくとも一対の感知フアイバグループは
前記ダイヤフラムの可撓面に対して対象的な位置
に配置されており、 前記入力フアイバから伝えられる前記光は前記
ダイヤフラムの前記可撓面から反射され、しかも
前記ダイヤフラムが撓んだときに前記入力フアイ
バから伝えられた光は予め定められた比率に従う
前記ダイヤフラムの撓みの大きさに比例して前記
ダイヤフラムから反射されて前記第１及び第２の
コレクシヨン・フアイバによつて捕えられるもの
であり、且つ 前記出力信号は前記少なくとも一対の感知フア
イバグループのそれぞれの前記第１及び第２のコ
レクシヨン・フアイバに捕えられた光の割合に応
じて前記予め定められた比率に基づいて計算され
るものであることを特徴とする環境条件を監視す
るのに適したダイヤフラムの撓み検出装置。 １１ 前記ダイヤフラムは温度変化に応答して撓
むバイメタル・ストリツプを備えることを特徴と
する特許請求の範囲第１０項に記載のダイヤフラ
ムの撓み検出装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US06/494,843 US4799751A (en) | 1983-05-16 | 1983-05-16 | Detection device using fiber optic techniques |
| US494843 | 2000-01-31 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6022613A JPS6022613A (ja) | 1985-02-05 |
| JPH0311644B2 true JPH0311644B2 (ja) | 1991-02-18 |
Family
ID=23966211
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59098437A Granted JPS6022613A (ja) | 1983-05-16 | 1984-05-16 | ダイヤフラムの撓み検出装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4799751A (ja) |
| JP (1) | JPS6022613A (ja) |
| DE (1) | DE3418247C2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07151624A (ja) * | 1993-08-27 | 1995-06-16 | Hughes Aircraft Co | 光ファイバ高温度圧力センサ |
Families Citing this family (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4834484A (en) * | 1987-07-09 | 1989-05-30 | University Of Houston-University Park | Optical fiber coupler including refractive means for producing an annular beam |
| DE3813173A1 (de) * | 1988-04-20 | 1989-11-02 | Teves Gmbh Alfred | Verfahren zum betrieb eines hauptzylinders |
| US5017772A (en) * | 1989-05-30 | 1991-05-21 | Bei Electronics, Inc. | Fiber optic probe sensor for measuring target displacement |
| DE4018998A1 (de) * | 1990-06-13 | 1992-01-02 | Dynisco Geraete Gmbh | Faseroptischer drucksensor |
| DE4105270A1 (de) * | 1991-02-20 | 1992-08-27 | Max Planck Gesellschaft | Optisches weg- oder verformungsmessverfahren sowie optischer weg- oder verformungsmesser |
| US5201227A (en) * | 1992-03-05 | 1993-04-13 | Ishikawajima-Harima Jukogyo Kabushiki Kaisha | Device for measuring vibrations on rotating blade |
| DE4207774C2 (de) * | 1992-03-11 | 1996-04-18 | Schablonentechnik Kufstein Ag | Optischer Lesekopf |
| DE4324513A1 (de) * | 1993-07-21 | 1995-01-26 | Zwosta Helge Dipl Ing Fh | Verfahren, Schaltung und Messaufnehmer zum Erfassen physikalischer Größen durch gezielte Messung von charakteristischen Größen des Antwortsignales |
| US5706372A (en) * | 1996-08-12 | 1998-01-06 | Delco Electronics Corporation | Integrated optoelectronic combustion pressure sensor |
| JP3828755B2 (ja) * | 2001-02-20 | 2006-10-04 | 株式会社ケンウッド | 変位光量変換装置 |
| US7460740B2 (en) * | 2002-05-28 | 2008-12-02 | United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Intensity modulated fiber optic static pressure sensor system |
| US20050285025A1 (en) * | 2004-06-29 | 2005-12-29 | Mikhail Boukhny | Optical noninvasive pressure sensor |
| KR101061488B1 (ko) | 2008-12-17 | 2011-09-02 | 김동진 | 압력 측정 장치 및 그의 압력 측정 방법 |
| US8195013B2 (en) * | 2009-08-19 | 2012-06-05 | The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy | Miniature fiber optic temperature sensors |
| US9510786B2 (en) * | 2011-06-22 | 2016-12-06 | Biosense Webster (Israel) Ltd. | Optical pressure measurement |
| EP3028124A1 (en) * | 2013-07-30 | 2016-06-08 | Sabanci Üniversitesi | A pressure-sensitive stylus detecting intensity modulated light |
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| US3580082A (en) * | 1969-11-07 | 1971-05-25 | Bendix Corp | Pressure transducer |
| US3788741A (en) * | 1972-07-26 | 1974-01-29 | Syst Res Labor Inc | Distance indicating optical probe |
| CH639196A5 (de) * | 1977-11-23 | 1983-10-31 | Asea Ab | Messgeraet zum messen von physikalischen groessen mittels optischer mittel. |
| US4210029A (en) * | 1979-05-04 | 1980-07-01 | Lad Research Industries, Inc. | Differential fiber optic differential pressure sensor |
| JPS612915Y2 (ja) * | 1980-10-03 | 1986-01-30 | ||
| US4334321A (en) * | 1981-01-19 | 1982-06-08 | Seymour Edelman | Opto-acoustic transducer and telephone receiver |
| US4432599A (en) * | 1981-03-27 | 1984-02-21 | Sperry Corporation | Fiber optic differential sensor |
-
1983
- 1983-05-16 US US06/494,843 patent/US4799751A/en not_active Expired - Lifetime
-
1984
- 1984-05-16 JP JP59098437A patent/JPS6022613A/ja active Granted
- 1984-05-16 DE DE3418247A patent/DE3418247C2/de not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07151624A (ja) * | 1993-08-27 | 1995-06-16 | Hughes Aircraft Co | 光ファイバ高温度圧力センサ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US4799751A (en) | 1989-01-24 |
| JPS6022613A (ja) | 1985-02-05 |
| DE3418247C2 (de) | 1994-07-21 |
| DE3418247A1 (de) | 1984-11-22 |
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