JPH08152373A - 圧力変動検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 可燃性あるいは引火性の検出対象物の圧力測
定を、広い検出範囲で、精度良く測定でき、しかも、高
い周波数の圧力変化に追随できる圧力変動検出器を提供
する。また、検出結果をノイズの影響を受けることな
く、遠隔地へ伝送することができる圧力変動検出器を提
供する。 【構成】 圧力検出素子１８は圧力検出対象物の圧力変
動に応じた電圧信号を出力する。光変調器１４は、入力
光ファイバ１３を介して入射する光源１１からの光を電
圧信号に応じて変調する。変調された光は、出力光ファ
イバ１５を介して受光器１６に入射し、電気信号に変化
される。計測器１７は、受光器からの電気信号に基づい
て圧力検出対象物の圧力を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧力変動検出器に関
し、特に、容器内に充填されたガスや液体等の圧力変動
を検出する圧力検出器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、容器内に充填されたガスや液体等
の圧力を検出する検出器として、ブルドン管やベローズ
等が知られている。これらの検出器は、いずれも圧力の
変化を機械的変位に変換して圧力を測定する機器であ
る。例えば、ブルドン管は、楕円あるいは偏平の断面を
もつ半円形の管の一端を閉じ、他端側からこの管の内部
に圧力を加えたとき、その先端が変位することを利用し
て圧力を測定する。

【０００３】このような検出器は、構成が単純で安価で
あり、信頼性も高い。ところが、これらの検出器には、
圧力の検出範囲が狭く、圧力変化への追随速度も遅いと
いう欠点がある。また、これらの検出器から得られる圧
力情報は機械的変位であるため、多数の検出器からの圧
力情報を集中管理したり、得られた圧力情報を遠隔地へ
伝送したりするには原理的に無理がある。

【０００４】そこで、近年では、歪みゲージや半導体ゲ
ージといった、圧力変化を電気的変位に変換する検出器
が利用されるようになってきた。このような検出器は、
圧力変化を例えば、電気抵抗の変化、あるいは静電容量
の変化として検出する。この種の検出器は、検出精度が
高く、高い周波数の圧力変動にも追随できるという特長
を有し、更に、遠隔地への伝送も導線ケーブルを用いて
容易に行うことができるため、集中管理なども容易に実
現することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、歪みゲ
ージや半導体ゲージなど、圧力変化を電気的変化として
検出する検出器では、これらの検出器を駆動するための
電源を必要とし、検出対象物が、可燃性あるいは引火性
の物体である場合には、安全対策を施す必要がある。

【０００６】また、これらの検出器で検出した情報を導
線ケーブルを用いて伝送する場合、周囲から導線ケーブ
ルへの雑音の侵入、あるいは、導線ケーブルからの情報
の漏洩を避ける事ができない。また、雷などの影響に対
する安全上の対策も施す必要がある。

【０００７】さらにまた、導線ケーブルによる情報の伝
送は、伝送損失が大きく、長距離伝送が困難であるとい
う問題点もある。

【０００８】本発明は、可燃性あるいは引火性の検出対
象物の圧力測定を、広い検出範囲で、精度良く測定で
き、しかも、高い周波数の圧力変化に追随できる圧力変
動検出器を提供することを目的とする。また、検出結果
をノイズの影響を受けることなく、遠隔地へ伝送するこ
とができる圧力変動検出器を提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、圧力を
検出して該圧力に応じた電圧信号を発生する圧力検出手
段と、光を発生する光源と、該光源から入射する前記光
を前記電圧信号に基づいて変調して変調光を出射する光
変調手段と、前記変調光を電気信号に変換する光電変換
手段と、該光電変換手段からの前記電気信号に基づいて
前記圧力を求める圧力計測手段とを有することを特徴と
する圧力変動検出器が得られる。

【００１０】

【作用】圧電素子は、圧力検出対象物の圧力の変動に応
じて電圧信号を発生する。圧電素子の測定範囲は広く、
圧力変動に対する追従性も高い。また、圧電素子は、駆
動電源を必要としないので、引火、爆発性雰囲気内であ
っても圧力検出が可能である。圧電素子からの電圧信号
は、光変調器に供給され、光変調器は、この電圧信号に
応じて、光ファイバを介して伝送されてくる光を変調
し、変調された光を光ファイバにより送り返す。変調さ
れた光は光電素子で電気信号に変換され、電気信号に基
づいて、検出対象物の圧力が求められる。

【００１１】遠隔地への測定結果の伝送は、光を用いて
行うことができるので、雑音の影響を受けず、情報の漏
洩もなく、又、雷などの影響も受けない。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１に本発明の一実施例を示す。本実施例の圧力
変動検出器は、光を発生する光源１１（例えば、半導体
レーザー）、光源１１を駆動する光源用電源１２、光源
１１からの光を伝送する入力光ファイバ１３、入力光フ
ァイバ１３からの光を変調して出力する光変調器１４、
光変調器１４からの変調光を伝送する出力光ファイバ１
５、出力光ファイバ１５からの変調光信号を電気信号に
変換する受光器１６、受光器１６からの電気信号に基づ
いて圧力を求める計測器１７、及び検出対象物の圧力を
検出し検出圧力に応じた電圧信号を光変調器１４の変調
電極に供給する圧力検出素子１８を有している。

【００１３】本実施例の圧力変動検出器では、光源１１
から出射した光が、入力光ファイバ１３を介して光変調
器１４に入射する。一方、圧力検出素子１８は、検出対
象物の圧力に応じた電圧信号を発生し、この電圧信号を
光変調器１４の変調電極へ供給する。光変調器１４は、
圧力検出素子１８からの電圧信号に応じて、光源１１か
らの光の強度を変調する。変調された光は、光変調器１
４から出射し、出力光ファイバ１５を介して受光器１６
へ入射する。受光器１６は、入射した光をその強度に応
じた電気信号に変換して、計測器１７へ出力する。計測
器１７は、入力された電気信号に信号処理を施して圧力
を求める。また、求めた圧力を表示する。

【００１４】本実施例の圧力変動検出器では、圧力検出
素子１８のみを検出対象物を収容した容器内に配置すれ
ば良く、この圧力検出素子１８に電力を供給する必要が
ないので、検出対象物が可燃性あるいは引火性の物質で
あっても、安全対策を容易に施すことができる。また、
圧電素子は、広い測定範囲に対応でき、高い周波数の圧
力変動にも対応できる。

【００１５】また、本実施例の圧力変動検出器では、光
変調器を用いて光信号を変調するようにしたことで、遠
隔地へ検出結果を伝送する場合に光信号による伝送が可
能で、ノイズの影響を排除でき、また、情報の漏洩を防
ぐことができる。さらに、伝送路での雷に対する安全対
策も不要となる。

【００１６】本実施例で使用される光変調器１４を図２
参照いて詳細に説明する。この光変調器１４は、電気光
学効果を示すニオブ酸リチウム結晶を基板２１として、
その表面に、光導波路を形成してマッハツェンダ光干渉
計としている。つまり、入力光ファイバ１３に接続され
る入射導波路２２と、出力光ファイバ１５に接続される
出射導波路２３との間に、２つの位相シフト光導波路２
４を形成し、位相シフト光導波路２４の表面に変調電極
２５を形成している。

【００１７】この光変調器１４に入射した光は、２つの
位相シフト光導波路２４へと分岐して進む。変調電極２
５には、それぞれ圧力検出素子からの電圧信号が供給さ
れ、位相シフト光導波路２４に電界を印加する。そし
て、この電界により、位相シフト光導波路２４の屈折率
が変化する。このため、２つの位相シフト光導波路２４
を通過する２つの光信号に位相差が生じ、出射光導波路
２３で合流するときに互いに干渉して、変調電極２５に
印加された電圧に依存する強度変化をもつ光となる。な
お、この光変調器は、ほぼ、長さ５０mm、幅３mm、及び
厚さ０．５mmである。

【００１８】次に本実施例で使用される圧力検出素子１
８を図３を参照して詳細に説明する。この圧力検出素子
１８は、圧電材料である（厚さ方向に分極した）ニオブ
酸リチウム結晶製の圧電素子基板３１の表裏面に、それ
ぞれ全面を覆う電極３２及び３３を形成して圧電素子と
し、一方の電極３２にダイヤフラム３４を、さらにダイ
ヤフラム３４にベース３５を貼り合わせて構成されてい
る。電極３２、３３には、それぞれ端子３６、３７が設
けられており、これら端子は、前述した光変調器１４の
変調電極２５に接続される。

【００１９】この圧力検出素子１８では、その表側と裏
側との間に圧力差が生じると、ダイヤフラム３４が変形
する。この時、圧電素子を構成する圧電素子基板３１も
変形し、電極３２及び３３の間に電圧信号を発生する。
そこで、この圧力検出素子１８の表裏の一方に基準圧力
のガスなどを封入しておけば、他方側の圧力変動を電圧
信号として取り出すことできる。また、ダイヤフラムは
急激な圧力変化に対応できる。

【００２０】次に図４を参照して本発明の第２の実施例
を説明する。ここで、第１の実施例と同一のものには同
一番号を付しその説明を省略する。

【００２１】本実施例に使用される光変調器４１は、２
枚のガラス板４２の表面に、それぞれ偏光素子４３及び
透明電極４４を貼付け、間に液晶４５を挟み込んで構成
されている。この光変調器４１では、圧力検出素子１８
からの電圧信号が透明電極４４に与えられると、液晶４
５はその電圧に応じて配向し、光透過率が変化する。こ
れにより、入力光ファイバ１３から光変調器に入射した
光は、強度変調されて出力光ファイバへと入射する。

【００２２】このように、本実施例の光変調器４１にお
いても、光変調器に入射した光を、圧力検出素子が検出
した圧力に基づいて強度変調することができる。よっ
て、第１の実施例と同様に、圧力変動を検出することが
できる。

【００２３】なお、入力光ファイバ１３及び出力光ファ
イバ１５は、プラスチック光ファイバであってもよい。

【００２４】次に、図５及び図６を参照して、本発明の
第３の実施例について説明する。ここで、第１の実施例
と同一のものには同一番号を付しその説明を省略する。
本実施例の圧力変動検出器は、光サーキュレータ５１
と、反射型光変調器５２と、これらを接続する偏波保持
ファイバ５３とを有している。なお、光サーキュレータ
５１の代わりに光方向性結合器を用いてもよい。

【００２５】光サーキュレータ５１は、光源１１から出
射した光を偏変波保持ファイバ５３に入射させ、偏波保
持ファイバ５３からの光を受光器１６に入射させる。ま
た、偏波保持ファイバ５３は、光サーキュレータ５１か
らの光を反射型光変調器５２へ、反射型光変調器５２か
らの光を光サーキュレータ５１へと伝送する。

【００２６】反射型光変調器５２は、図６に示すよう
に、電気光学効果を有するニオブ酸リチウム結晶製の基
板６１と、基板６１の表面に形成された入出射導波路６
２及びこの入出射導波路６２に連結する２つの位相シフ
ト光導波路６３と、位相シフト光導波路６３の表面に形
成された変調電極６４と、基板６１の端面に形成され位
相シフト光導波路６３を伝播してきた光を全反射する全
反射膜６５とを有している。

【００２７】この反射型光変調器５２においても、図２
の光変調器１４と同様に、偏波保持ファイバ２３から入
射してきた光が、入出射導波路６２から２つの位相シフ
ト光導波路６３へと分岐して、変調電極６４の近傍を通
過する。さらに２つの位相シフト光導波路６３を通過し
た光は、全反射膜６５で反射されて再び変調電極６４の
近傍を通って入出射導波路６２で合流する。光は、変調
電極６４の近傍を通過する際に、圧力検出素子１８から
の電圧信号に応じた変調を受ける。つまり、２つの位相
シフト光導波路６３を通過する光の間に位相差が生じ、
入出射導波路６２で合流した時点で、圧力検出素子１８
からの電圧信号に応じた強度変化を有する光となる。

【００２８】このように、本実施例の圧力変動検出器で
は、光源１１及び受光器１６と光変調器５２とを接続す
る光ファイバーを１本にすることができる。

【００２９】さて、第１及び第３の実施例では、圧力検
出素子と光変調器とが互いに独立しているものとした
が、図７に示すように、これら圧力検出素子と光変調器
とは一体的に形成することができる。つまり、厚さ方向
に分極されたニオブ酸リチウム結晶基板７１の表裏面の
中央部に電極７２を形成して圧電素子を構成し、基板７
１の裏面側にダイヤフラム７３及びベース７４を貼付け
て、圧力検出素子とする。そして、基板７１表面の周辺
部に光導波路７５を形成し、光導波路７５の一部を覆う
変調電極７６を形成し、この変調電極７６と電極７２と
をストリップ導体７７で接続する。さらに、反射型光変
調器の場合には、反射膜７８を形成し、光導波路７５に
光ファイバ７９を接続する。

【００３０】このようにして、圧力検出素子と光変調器
とを一体化することにより、小形軽量化を達成できると
共に、作製、組み立て工程の簡略化を達成できる。ま
た、集積化による耐久性の向上も実現できる。また、圧
力検出素子と光変調器を接続する信号線を、圧力検出対
象物を収めた容器から外側へ引き出す必要がなく、さら
にノイズの影響等を排除することができる。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、圧力検出手段からの電
圧信号で、光変調器を駆動し、光源からの光を変調する
ようにしたことで、遠隔地への検出結果の伝送に光を用
いることができ、周辺のノイズや雷の影響を受けること
がない。特に光ファイバを用いて伝送を行えば、周囲へ
の情報の漏洩もなく、伝送路の損失も小さいので、遠方
への情報伝送を実現できる。

【００３２】又、圧力検出手段として圧電素子を用いる
ことにより、広い測定範囲、及び高異周波数の圧力変動
に対応できると共に、圧力検出部が駆動電源を必要とし
ないので、引火性、或いは爆発性の雰囲気内での圧力検
出が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の圧力変動検出器の構成
図である。

【図２】図１の圧力変動検出器に使用される光変調器の
構成図である。

【図３】図１の圧力変動検出器に使用される圧力検出素
子の構成を示す一部断面斜視図である。

【図４】本発明の第２の実施例の圧力変動検出器の構成
図である。

【図５】本発明の第３の実施例の圧力変動検出器の構成
図である。

【図６】図５の圧力変動検出器に使用される光変調器の
構成図である。

【図７】図５の圧力変動検出器に使用される同一基板上
に作製された光変調器と圧力検出素子との構成を示す一
部断面斜視図である。

【符号の説明】

１１ 光源 １２ 光源用電源 １３ 入力光ファイバ １４ 光変調器 １５ 出力光ファイバ １６ 受光器 １７ 計測器 １８ 圧力検出素子 ２１ 基板 ２２ 入射導波路 ２３ 出射導波路 ２４ 位相シフト光導波路 ２５ 変調電極 ３１ 圧電素子基板 ３２、３３ 電極 ３４ ダイヤフラム ３５ ベース ３６、３７ 端子 ４１ 光変調器 ４２ ガラス板 ４３ 偏光素子 ４４ 透明電極 ４５ 液晶 ５１ 光サーキュレータ ５２ 反射型光変調器 ５３ 偏波保持ファイバ ６１ 基板 ６２ 入出射導波路 ６３ 位相シフト光導波路 ６４ 変調電極 ６５ 全反射膜 ７１ ニオブ酸リチウム結晶基板 ７２ 電極 ７３ ダイヤフラム ７４ ベース ７５ 光導波路 ７６ 変調電極 ７７ ストリップ導体 ７８ 反射膜 ７９ 光ファイバ

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧力を検出して該圧力に応じた電圧信号
   を発生する圧力検出手段と、光を発生する光源と、該光
   源から入射する前記光を前記電圧信号に基づいて変調し
   て変調光を出射する光変調手段と、前記変調光を電気信
   号に変換する光電変換手段と、該光電変換手段からの前
   記電気信号に基づいて前記圧力を求める圧力計測手段と
   を有することを特徴とする圧力変動検出器。
2. 【請求項２】 前記圧力検出手段が圧電素子を含むこと
   を特徴とする請求項１の圧力変動検出器。
3. 【請求項３】 前記光変調手段が、前記光源からの光が
   入射する入射光導波路と、前記変調光を出射する出射光
   導波路と、前記入射光導波路と前記出射光導波路を連結
   し、前記電圧信号に応答して屈折率がそれぞれ変化する
   ２つの位相シフト光導波路とを有するマッハツェンダー
   干渉計を構成する透過型光導波路素子であることを特徴
   とする請求項１又は２の圧力変動検出器。
4. 【請求項４】 前記透過型光導波路素子が前記圧電素子
   の基板上に形成されていることを特徴とする請求項３の
   圧力変動素子。
5. 【請求項５】 前記光変調手段の前記入射導波路が第１
   の光ファイバによって前記光源に接続され、前記光変調
   手段の前記出射導波路が第２の光ファイバによって前記
   光電変換手段に接続されていることを特徴とする請求項
   ３又は４の圧力変動検出器。
6. 【請求項６】 前記光変調手段が、前記光が入射する光
   導波路と、該光導波路からの光を２つに分岐させ、前記
   電圧信号に応じて屈折率がそれぞれ変化する２つの位相
   シフト光導波路と、該位相シフト光導波路の端面に形成
   され該位相シフト光導波路を伝搬してきた光を前記光導
   波路へ向けて全反射する全反射鏡とを有する干渉計を構
   成する反射型光導波路素子であることを特徴とする請求
   項１又は２の圧力変動検出器。
7. 【請求項７】 前記反射型光導波路素子が前記圧電素
   子の基板上に形成されていることを特徴とする請求項６
   の圧力変動検出器。
8. 【請求項８】 前記光変調手段の前記光導波路が光ファ
   イバに接続され、該光ファイバが光方向性分離手段を介
   して前記光源と前記光電変換手段とに接続されているこ
   とを特徴とする請求項６又は７の圧力変動検出器。
9. 【請求項９】 前記光変調手段が、偏光素子及び透明電
   極を形成した２つの透明体の間に液晶を挟み込んで構成
   されていることを特徴とする請求項１の圧力変動検出
   器。