JPH06502718A - 光ファイバー圧力センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

光フアイバー圧力センサー 発明の対象 この発明は、光ビームによる伝送用光ファイバーを使用する圧力センサーに関し 、かつこのようなセンサーを取付けた検出又は測定装置に関する。 従来技術の記述 圧力センサーは２つのカテゴリー、すなわち外因性センサーと内Δ性センサーに 分層できる。外因性センサーでは、光ファイバーは受動的で光を１つの点から池 の点に伝送するのに使用されるのみである。内因性センサーでは、光ファイバー は活性で、物理的量（圧力、温度、ｐＨなど）の定量化に用いられる。 米国特許第４．６９１．７０９号（コーヘン）は、血液スピードと静圧を測定し うる圧力センサーを記載している。このセンサーは、弾性フオームと光ファイバ ーの接触によってもたらされる光エネルギー損失に基づくものである。その損失 は、接触ゾーンの拡がりの関数として増加するものである。 この作用モードは光ファイバーの基本特性である全反射１、フオームとの接触で 変化あることから、内因性のものとして記載されている。 このセンサーは、外因性作用モードの使用もしている。これは、光ファイバーの 末端に設置された反射膜を使用し、その曲率半径が圧力の関数として変化するか らである。 しかしながら、このセンサーを大量生産をする場合、センサー中での膜の位置付 けで技術的問題を生じコストの関係が無視てきないのである。 日本特許公開、特開昭６２−２９４９２８号（出光興産）には、系の伝送の変動 に基づいて圧力を測定する光減衰器を記載している。 この減衰器は、エラストマーの中にある着色剤の分散度からなる。着色剤粒子の 空間分布が、エラストマーに与えられた圧で変動し、これから系の伝送の変化が 生ずる。 この外因性センサーは、大部分ベヤ−・ランバート［ｓｉｃ］法で定義された伝 送関数に基づいており、この間数はｅＸｐ（−ａｘ）タイプ（ａは減衰係数、Ｘ は光ビームが通過する光路）であるといえる。 しかし、このようなセンサーは、大量生産では、エラストマー中の着色剤の分布 の再現が保障できず、そのためセンサーの形状再現性か保障されない。 その上、このような伝送センサーは、十分に高いＳ／Ｎ比か得られず、嵩高がさ けられないため血圧測定に転用することが難しい。 光ファイバーを使用し、一般的作用が、圧力に付される膜又はピストンに固定さ れたミラーの変位に基づく圧力センサーも知られている［Ｓｃｈｅｇｇｉ　（Ｉ ｎｓｔｉｔｕｔ　ｄｉ　Ｒｉｃｅｒｃａ　５ｕｌｌｅ　０ｎｄｅε１ｅｃｔｒｏ ｍａｇｎｅｔｉｓｃｈｅ　（ｓｉｃ）　ＣＮ！？、　Ｆｉｒｅｎｚｅ、Ｉｔａｒ Ｙコと松本ｒＪ、　Ｍｅｄ、Ｅｒ＋ｇ、ａｎｄ　Ｔｅｃｈ、２．　２３９　（５ ）、５ｅｐｔ、１９７８）コミラーの変位か光フアイバー中の光強度の分布を変 化させ、膜又はピストンに奏される圧力を測定することか可能になる。 ヨーロッパ特許出願Ａ−０１７８８０６号（スベリ−コーポレーシヨン）には、 出力チャンネルのエネルギー比が、圧力の関数として反射率の変動によって影響 される２Ｘ２カプラーを使用する内の性型の圧力センサーを記載している。 一端に膜を連結した光ファイバーを二つに分けて用いる圧力センサーかハンセン によって開示されている（ＣＬＥＯ’８１　Ｔｅｃｈ。 Ｄｉｇ、　ＦＩ４．１７６　（１９８１）。 膜の変位に応答する代りに、ローソン（Ｏｐｔ、　Ｌｅｆｔ、　８．２８６（５ ）、　１９８３）と日本特許公開、特開昭５６−７０３４　（東芝）には、反射 膜の曲率半径を使用するセンサーを開示している。 この膜の曲率半径は、この場合圧力の関数として変化する。 米国特許第３．２７３．４４７号（フランク）には、変形に弾性であり反射層で カバーできる材料で構成したバルブ（ｂｕｌｂ）を末端に有する光ファイバーが 記載されている。 このバルブは非球直状で測定される圧力のＩ！Ｉ数としてかつ材料の弾性特性値 の関数として圧破応力か負荷されている。奏される圧力の作用で、バルブか変形 し、光フアイバー中の光か大きく又は小さく反射する。 １つの変形具体例では、キャビティかこのバルブ中に導入できる。このキャビテ ィは、光ビームがキャビティの周囲の光路を進み光フアイバー中に戻ってくるよ うな非球面形で受信する。 バルブに奏される圧力は、曲率半径か表面のある位置で変化するので、ビームが 表面のある位置で全体的に反射しない事実のため、光損失を増大する効果を有す る。 しかしなから、このようなセンサーは、感度か十分でなく大量生産に再現できる 形状を育するものができない欠点かある。 発明の目的 この発明の目的は、現在提案されているものに比較して非常に低価格のセンサー を提供することを目的とする。 この発明の他の目的は、医亨用に適する圧力センサーを提供することで、移植で きる小さなサイズの規準を満足し、身体に忍容性である。 この発明の他の目的は、医庵用に十分な精密性と信頼性を有する圧力センサーを 提供することである。 この発明の他の目的は、大量生産で再現できる形状を有する圧力センサーを提供 することである。 発明の特徴的要素 この発明は、本質的にあり、光ファイバーの少なくとも１つのセグメントからな る少くとも１つの包育物からなり、その伝送関数か形状の効果で変化し、光ビー ムを伝送できる光ファイバーに結合でき、かつ本質的変形に対して弾性であり、 使用波長の光に対して光学的に透過できる材料、好ましくは、エラスートマーか らなる圧力センサーに関する。 この発明によれば、包育物はトロイダル形状、好ましくは円筒形状を育し、１０ ミクロンから５８０ミクロンの直径を有する。 この包含物（ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ）は、有機もしくは無機のガラス、流体および ／または包育物の周囲の弾性体とは異なる弾性体からなることかできる。 光ファイバーのセグメントは、光ビームの伝送を行う光ファイバーの回転軸と角 度を形成している回転軸を有するのか宵利である。その角度は９０°の程度か好 ましい。 図面の簡単な説明 図１は圧力センサーからなる通常の検出システムの概略図を示す。 図２は検出モジュールを詳細に示す。 図３はこの発明による圧力センサーの縦断面図を示す。 図４ａはこの発明によるセンサーの好ましい具体例の横断面図を示す。 ｌＮ４ｂは図４ａに対応するこの発明によるセンサーの好ましい具体例の平面図 を示す。 発明の好ましい聾様の説明 図１は通常の検出システムの概略図である。 参照番号ｌは、図２に詳細に示す検出モジュールを示す。 信頼性のある測定をするためには、通常、伝送ファイバー開存のパラメーターの 変動からの信号や池の２次的効果による信号を削除するため常に補償を行う必要 かある。 この目的のため、所謂補償ファイバー３か備えられ、圧力センサー５か末端に設 置された伝送ファイバー４と平行に設置される。 補償ファイバー３の末端には、光線を全反射させるミラーか配設されている。 光フアイバーコネクター２は２つの光ファイバー３と４を結合又は分離できる。 第１の実施例によれば、一般に反射で動かすことか好ましい。 しかし、圧力センサーの作動を光ビームの伝導の光ファイバーによって観察する ことも可能である。 そのセンサーに働く圧力は、伝送光ファイバーの中で反射および／または散乱し た光強度の変化として変換される。 光ビームは、発光源６（レザー／ＬＥＤ）から発生する。その最初のビームはレ ンズ７で平行光線に集束され、スブリ、ツタ−８で２つのビーム八とビーム已に 分ける。 ビームＡはスプリッター９によりＡ′とＡ＃に分けられる。 ビームＡ′はスプリッター１１を介してレンズ１２によって光ファイバー１３の 上に焦点合わせされる。この光ファイバーはコネクター１４に結合される。光フ ァイバー１５は圧力センサー１６に光ビームを導く。この圧力センサーは基準圧 力の状態にある。 このセンサーから発生する信号は光ファイバー１５に戻され、そしてコネクター １４により光ファイバー１３に伝送される。このビームはレンズ１２によって集 束されてからスブリ・ツタ−１１を介してレンズ１７に伝送される。そこで、そ のビームはフォトダイオード１８に焦点合わせされる。 ビームＡ′はスプリッター１０−１：Ｅ送され、そしてレンズ１９により光ファ イバー２０に焦点合わせされる。光ファイバー２０はコネクター１４に接続され 、そしてそのビームは光ファイバー２１に伝送される。この光ファイバー２１は 光ファイバー１５と平行で、光ファイバー２１はその終端にミラー２２かある。 そのビームはミラー２２により反射され、さらにファイバー２１により、コネク ター１４を介して光ファイバー２０に伝送される。 ［ノンズ１９はそのビームを取り出し、スプリッター１０を介してレンズ２３に ビームを伝送する。レンズ２３は）すトダイオード２４にビームを焦点合わせす る。 フォトダイオード１８と２４から発生する信号は、処理装置２５に、より処理さ れる。その処理装置によって実行される主要な動作は２つの信号間の比率を計算 する、二とである。 内部校正はセンサー＋６に付加した圧力の関数として信号の記録に基づいている 。この関数は記憶される。 作動圧力は選択されるが、これはセンサー１６とセンサー３１によって生じる信 号間の差異を決定するための基準になる。校正中において、センサー３１とセン サー１６は同じ圧力状態に置かれる。 ビームＢはスプリッターｌＯによりＢ′とＢ“に分けられる。 ビームＢ′はスプリンタ−２６を介し、レンズ２９によって光ファ・イ′バー２ ８上に焦点合わせされ’Ｓ　ｏこの光ファイバーはコネクター２９によって結合 される。光ファイバー３０は光ビームを圧力センサー３１に導いている。このよ うな圧力センサーは患者に差し込み（ｉＩＩｉｐｌａｎｔ）できる。このセンサ ーから発生する信号は光ファイバー３０に戻され、コネクター２９によって光フ ァイバー２８に伝送される。そこで、このビームはレンズ２７により集束され、 スプリッター２６を介してレンズ３２に伝送される。次いで、そのビームは、フ ォトダイオード３３上に焦点合わせされる。 ビームＢ′はスプリッター３４に伝送され、光ファイバー３６にレンズ３５によ って焦点合わせされる。光ファイバー３６はコネクター２９に連結され、そのビ ームは光ファイバー３７に伝送される。 この光ファイバー３７は光ファイバー３Ｑと平行で、光ファイバー３１はその終 端かミラー３８である。 そのビームはミラー３８によって反射され且つコネクター２９を介して光ファイ バー３７により光ファイバー３６に伝送される。レンズ３５はそのビームを取り 出し、スプリッター３４を介して１／ンズ３９に伝送する。レンズ３９はビーム をフォトダイオード４０に集束する。 フォトダイオード３３と４０から発生する信号は処理菌ｆ１２５によって処理さ れる。処理装置によって実行される主要な動作は、２つの信号間の比率を計算す ることである。 その処理装置はそこから圧力値を抽出するフォトダイオード１８、２４．３３と ４０から発生する信号を最終的に処理する。 図３は、この発明による圧力センサーの縦断面を示し、前述に記載されたタイプ の装置として組み込まれてよい。 エラストマーブロック４１と光ファイバー４は一緒に接着されている。例えば、 ラテックスで作られた薄い保護膜４２はセンサーの穴をおお・っている。スリー ブ４．！Ｉよ光ファイバー５４［５ｉｃｌにジャケットを固定するために使用さ れる。 そのセンサーは、シリコンで構成されることがより好ましい。 これらのセンサーは、特に医療用、例えば、血圧または呼吸圧の測定として意図 されていることから、このセンサーか人体に５容性かあるカテーテル４３に配置 される必要かある。一般に、このカテーテルはラテックスジャケグトで構成され る。このような応用として、センサーの寸法は、インブラント型で人体に５容性 かあるような大きさ、即ち、ミリメータの範囲であることは明らかである。 この発明によるセンサーで検出される圧力はＯから３００ｍｍＨｇである。 図４ａと４ｂはこの発明によるセンサーの好ましい一実施例を示す。 このセンサーはノリコンブロック４１からなり、その中に本質的に光ビームに対 し垂直に配列されるシリカ光ファイバーの小さなシリンダーか現れる。発光され た光線は反射、散乱、合焦屯の現象を受ける。圧力か、このセンサーに付加され る時、その包育物間の距離か変化し、このために、光学システムの焦屯距離が変 化して、伝送ファイバーによって集束された光エネルギーの変化量になる。 この発明か、単に例示として示した実施例に限定されないことは明らかである。 特に、この発明は、上記で説明したような医療用に限定されない。 機械の振動の測定、交通量、スポーツ競技の速度測定、橋や美術品等の安全変数 の検出のような、広い多様な分野で多数の技術用と工業用に利用することも可能 である。

【図１］ 【図２】

【図３】 国際調査報告 ■｝−１−−ｗｘｈａｓ１−ｔｇ−１ｍｍｄ７Ｉ−−稗ｂ９ｔ１＋＋ｓ＋＝ｇｒ ｅｔｈｅｊ＆ｌｔｅｌｄ−ｔＩ−一啼−１ｅｋｅｄ＝ｔｂ電唐高浴{＋ｓ’ｍ＋ −一管−＝ｅ＋ｖ＋ｓ＝ａ−●１■ｔｖ伽ｒａ’ｐｘη冒一−餉１一舗ぐ●畦一 一一伽１ｏ一轄Ｐ飄樒０鉛けＥＤＰ鋤軸誇ｌ１６〜１η−ｆｌｙｓ一輸Ｐｍｗｌ ｌ　Ｏ％ｗ　ｗａ　ｗｒ　ｗａ　賽ｖｌ　ｂｍｍ　ｌｗ−ｐｖ―−６ｌ−ｌｉｍ ｙ＠　ｇｎｖｍ　ｌｗ　ｉｌ曽一窒п@−ｗ＋＋ｗｂｅｓ フロントページの続き （８１）指定国　ＥＰ（ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，　ＥＳ，　ＦＲ，　Ｇ Ｂ，　ＧＲ，　ＩＴ，　ＬＵ，　ＮＬ，　ＳＥ），ＯＡ（ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，Ｃ Ｇ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，　ＧＮ，　ＭＬ，　ＭＲ，　ＳＮ，　ＴＤ，　ＴＧ）， 　ＡＵ，　ＢＢ，　ＢＧ，　ＢＲ，　ＣＡ，　ＣＳ，　ＤＥ，　ＦＩ，　ＨＵ， 　ＪＰ，ＫＰ，　ＫＲ，　ＬＫ，　ＭＣ，　ＭＧ．　ＭＮ，　ＭＷ，　Ｎｏ，　 ＰＬ，　ＲＯ，　ＳＤ，　ＳＵ，　ＵＳ

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．光ビームが伝送できる光ファイバー（４）に結合する圧力センサー（１）で あって、前記圧力センサーは変形に対して本質的に弾性であり、使用波長の光に 対して光学的に透過できる材料からなり、且つ光ファイバー（４６）の少くとも １セグメントからなる少くとも１つの包有物から構成され、その伝送関数がその 形状の効果が変化することを特徴とする圧力センサー。
2. ２．前記本質的弾性物質はエラストマーで構成されることを特徴とする請求項１ 記載のセンサー。
3. ３．前記包有物はトロイダル形状であることを特徴とする請求項１又は２記載の センサー。
4. ４．前記包有物は円筒形状であることを特徴とする請求項３記載のセンサー。
5. ５．前記包有物は１０ミクロンから５００ミクロンまでの直径を有することを特 徴とする請求項１から４記載のセンサー。
6. ６．前記包有物は有機または無機のガラス、流体および／またはその包有物の周 辺エラストマーから異なるエラストマーから構成されることを特徴とする請求項 １から６記載のセンサー。
7. ７．光ファイバーのセグメントは光ビームの伝送を可能にする前記光ファイバー の回転軸と角度を形成する回転軸を有することを特徴とする請求項１から６記載 のセンサー。
8. ８．前記角度は９０℃程度であることを特徴とする請求項７記載のセンサー。
9. ９．少くとも請求項１から８記載の圧力センサーからなることを特徴とする検出 又は測定装置。
10. １０．患者への差し込みによって血圧又は呼吸圧を測定する請求項９記載の装置 の応用。