JPH08327398A - 光変調型プロセス量センサ、およびこのセンサを用いたプロセス計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な構造で光ファイバによる多点測定に適
した光変調型プロセス量センサを提供すること、および
接続ケーブル数の削減と対ノズル性を向上させたプロセ
ス計測装置を提供すること。 【構成】 プロセス量を測定すべきプロセス中に設定さ
れた光学作用点に向けて光を照射し、該光学作用点を通
る透過光または該光学作用点からの反射光を受光する光
学系５ａ，５ｂと、透光性の圧電材料により構成され、
厚み滑り振動あるいは伸張振動を行うようにカットされ
て少なくとも一方の面にピンホールまたはスリットを持
つ不透明電極が設けられてなり、前記光学系の光学作用
点に前記ピンホールまたはスリットが位置合わせされて
設置された圧電振動子２ａ，２ｂと、この圧電振動子と
協働して該圧電振動子に前記プロセス量に応じた振動を
行わせる発振回路４と、をそなえ、前記プロセス量の変
動に応じた前記圧電振動子の振動により、前記光学系に
おける透過光または反射光に変調を施すようにしたこと
を特徴とする光変調型プロセス量センサ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、工場や発電所などのプ
ラント内における温度や圧力などのプロセス量計測に適
用される光変調型プロセス量センサ、およびこのセンサ
を用いたプロセス計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、工場や発電所等のプラント内に
おける温度や圧力などのプロセス計測には、熱電対や圧
電素子などのセンサが用いられており、出力は４−２０
ｍＡの電流信号に規格化され、それぞれメタルケーブル
により信号処理装置に１対１に伝送されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、センサ
出力が信号処理装置に１対１に伝送されているため、セ
ンサの数が増加するに伴ってケーブル数も増え、ケーブ
ルの敷設や維持が困難となり、信号ケーブルへのノイズ
の影響も問題となってくる。

【０００４】一方、信号の高速伝送が可能でノイズに対
しても強い光ファイバがプラント内の情報伝送媒体とし
ても使用されるようになってきた。センサ部において
も、光ファイバを用いたプロセス量センサが開発されて
いる。

【０００５】しかし、光学素子を偏光子などと組み合わ
せ、光弾性効果を利用した圧力センサや温度センサで
は、圧力や温度などのプロセス量を光量により検出して
いるため、光源の不安定性とか、センサや光ファイバの
周囲環境の変化により光量が変動する。この結果、精度
の良い測定を行うことができず、多点測定を行うことも
できない。また、光ファイバを用いたＯＴＤＲ法による
測定では、多点測定が可能であるが、高価な計測装置を
必要とすることに加え、ある程度の精度で測定できるプ
ロセス量は温度が限られている。

【０００６】本発明は上述の点を考慮してなされたもの
で、簡単な構造で光ファイバによる多点測定に適した光
変調型プロセス量センサを提供すること、および接続ケ
ーブル数の削減と対ノズル性を向上させたプロセス計測
装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明では、請求項１記載の、プロセス量を測定す
べきプロセス中に設定された光学作用点に向けて光を照
射し、該光学作用点を通る透過光または該光学作用点か
らの反射光を受光する光学系と、透光性の圧電材料によ
り構成され、厚み滑り振動あるいは伸張振動を行うよう
にカットされて少なくとも一方の面にピンホールまたは
スリットを持つ不透明電極が設けられてなり、前記光学
系の光学作用点に前記ピンホールまたはスリットが位置
合わせされて設置された圧電振動子と、この圧電振動子
と協働して該圧電振動子に前記プロセス量に応じた振動
を行わせる発振回路と、をそなえ、前記プロセス量の変
動に応じた前記圧電振動子の振動により、前記光学系に
おける透過光または反射光に変調を施すようにしたこと
を特徴とする光変調型プロセス量センサ、請求項２記載
の、請求項１記載の光変調型プロセス量センサにおける
前記光学系の光を前記圧電振動子のピンホールまたはス
リットに収束させる入力集光レンズと、前記ピンホール
またはスリットの透過光を前記光学系に収束させる出力
集光レンズと、をそなえたことを特徴とする光変調型プ
ロセス量センサ、請求項３記載の、請求項１記載の光変
調型プロセス量センサにおける前記圧電振動子の面に形
成される電極のうち、他方の面を透光性の透明導電膜と
したことを特徴とする光変調型プロセス量センサ、請求
項４記載の、請求項１記載の光変調型プロセス量センサ
における前記圧電振動子の面に形成される電極のうち、
光入射側の電極を光を反射しない不透明な材料により形
成してピンホールまたはスリットを設け、反対側の電極
は効率よく光を反射する材料により形成し、入射光を前
記ピンホールまたはスリットを通して前記反対側の電極
で反射させ、反射光を入射光と同一方向に出射させるこ
とを特徴とする光変調型プロセス量センサ、請求項５記
載の、請求項４記載の光変調型プロセス量センサにおけ
る前記光学系の光を前記圧電振動子のピンホールまたは
スリットに収束させ、かつ前記ピンホールまたはスリッ
トからの反射光を前記光学系に集光させる入出力光集光
レンズをそなえたことを特徴とする光変調型プロセス量
センサ、請求項６記載の、請求項４記載の光変調型プロ
セス量センサにおける前記光学系の光を前記圧電振動子
の振動面に対し斜めに入射させて反射光を反対側に斜め
に出射させることにより、入射光と反射光の光路を互い
に分離したことを特徴とする光変調型プロセス量セン
サ、請求項７記載の、請求項６記載の光変調型プロセス
量センサにおける前記光学系の光を前記圧電振動子のピ
ンホールまたはスリットに収束させる入力集光レンズ
と、前記ピンホールまたはスリットからの反射光を前記
光学系に集光させる出力集光レンズとをそなえたことを
特徴とする光変調型プロセス量センサ、請求項８記載
の、請求項１記載の光変調型プロセス量センサにおける
前記圧電振動子を厚み滑り振動を行うものとし、前記圧
電振動子の面に形成される電極にすだれ状のスリットを
形成したことを特徴とする光変調型プロセス量センサ、
請求項９記載の、請求項８記載の光変調型プロセス量セ
ンサにおける前記光学系の光を前記圧電振動子のスリッ
トに収束させる入力集光レンズと、前記スリットからの
透過光を前記光学系に集光させる出力集光レンズと、を
そなえたことを特徴とする光変調型プロセス量センサ、
請求項１０記載の、請求項８記載の光変調型プロセス量
センサにおける前記圧電振動子の面に形成されるすだれ
状電極のうち、光入射側の電極を光を反射しない不透明
な材料により形成し、反対側の電極は効率よく光を反射
する材料により形成し、前記光学系の光を光入射側の電
極を透過させたのち前記反対側の電極で反射させて反射
光を入射光と同一方向に出射させることを特徴とする光
変調型プロセス量センサ、請求項１１記載の、請求項１
０記載の光変調型プロセス量センサにおける前記光学系
の光を前記圧電振動子のスリットに収束させ、同時に前
記スリットからの反射光を前記光学系に集光させる入出
力光集光レンズをそなえたことを特徴とする光変調型プ
ロセス量センサ、請求項１２記載の、請求項１記載の光
変調型プロセス量センサにおける前記圧電振動子を伸張
振動を行う圧電振動子とし、前記圧電振動子の所定部分
が前記光学系の光軸位置に一致するように配置され、そ
の所定部分に不透明な膜を有するか、あるいは前記圧電
振動子自身が不透明な材質により形成されており、前記
圧電振動子の伸張運動に伴って前記光学系の光を透過あ
るいは遮断することを特徴とする光変調型プロセス量セ
ンサ、請求項１３記載の、請求項１２記載の光変調型プ
ロセス量センサにおける前記光学系の光を前記圧電振動
子の所定部分に収束させる入力集光レンズと、前記圧電
振動子を透過した光を前記光学系に収束させる出力集光
レンズと、をそなえたことを特徴とする光変調型プロセ
ス量センサ、請求項１４記載の、請求項１２記載の光変
調型プロセス量センサにおける前記圧電振動子の光入射
側の表面に光を効率的に反射する反射膜が形成されてな
り、前記反射膜が前記圧電振動子の伸張振動に伴って光
を反射し、反射光を入射光と同一方向に出射することを
特徴とする光変調型プロセス量センサ、請求項１５記載
の、請求項１４記載の光変調型プロセス量センサにおけ
る前記光学系の光を前記圧電振動子の所定部分に収束さ
せ、同時に圧電振動子からの反射光を前記光学系に集光
させる入出力光集光レンズをそなえたことを特徴とする
光変調型プロセス量センサ、請求項１６記載の、請求項
１４記載の光変調型プロセス量センサにおける前記光学
系の光を圧電振動子の振動面に対し斜めに入射させて反
対側に斜めに出射させることにより、入射光と反射光の
光路を分離したことを特徴とする光変調型プロセス量セ
ンサ、請求項１７記載の、請求項１６記載の光変調型プ
ロセス量センサにおける前記光学系の光を前記振動子の
振動面に収束させる入力集光レンズと、該振動面からの
反射光を前記光学系に収束させる出力集光レンズと、を
そなえたことを特徴とする光変調型プロセス量センサ、
請求項１８記載の、プロセス量を測定すべきプロセス中
に設定された光学作用点に向けて光を照射し、該光学作
用点を通る透過光または該光学作用点からの反射光を受
光する光学系、透光性の圧電材料により構成され、厚み
滑り振動あるいは伸張振動を行うようにカットされて少
なくとも一方の面にピンホールまたはスリットを持つ不
透明電極が設けられてなり、前記光学系の光学作用点に
前記ピンホールまたはスリットが位置合わせされて設置
された圧電振動子、この圧電振動子と協働して該圧電振
動子に前記プロセス量に応じた振動を行わせる発振回
路、をそなえ、前記プロセス量の変動に応じた前記圧電
振動子の振動により、前記光学系における透過光または
反射光に変調を施す光変調型プロセス量センサと、前記
光学系における変調された光を電気信号に変換する光電
変換器と、この光電変換器の出力信号の周波数に基づい
て温度や圧力などのプロセス量を得る信号処理装置と、
をそなえたことを特徴とするプロセス計測装置、および
請求項１９記載の、請求項１８記載のプロセス計測装置
における光ファイバを分岐する光ファイバ・カプラと、
振動周波数が異なる複数の光変調型プロセス量センサと
をそなえ、これらのセンサを並列に接続するとともに、
複数の光変調型プロセス量センサの各出力を重ね合わせ
て出力させたことを特徴とするプロセス計測装置、を提
供するものである。

【０００８】

【作用】請求項１記載の構成により、光学系の光学作用
点を経る光は圧電振動子の振動周波数で断続している。
そして、プロセス量の変化があると圧電振動子の振動条
件が変化するから、発振回路と組み合わされた圧電振動
子の振動周波数が変化する。その結果、光学系の光学作
用点を経る光の断続周波数はプロセス量の変化に応じて
変化する。

【０００９】請求項２記載の構成により、光学系の光
は、入射光、出射光ともにレンズによって収束され、散
乱の少ない光となる。

【００１０】請求項３記載の構成により、圧電振動子の
面に形成される電極の１つが透光性の透明導電膜である
から、光学作用点での光の断続はもう一つのピンホール
またはスリットを持つ電極単独で行う。

【００１１】請求項４記載の構成により、圧電振動子の
光入射側の電極におけるピンホールまたはスリットによ
り断続され、断続された光が反対側の電極により反射さ
れる。

【００１２】請求項５記載の構成により、光学系では入
出力光集光レンズを介して入射光および出射光が入射、
出射する。

【００１３】請求項６記載の構成により、光学系の光は
圧電振動子の振動面に対し斜めに入射して反射光が反対
側に斜めに出射する。すなわち、入射光と反射光の光路
は互いに分離している。

【００１４】請求項７記載の構成により、光学系の光は
入力集光レンズを介して圧電振動子のピンホールまたは
スリットに収束し、出力集光レンズを介してピンホール
またはスリットからの反射光が光学系に集光する。

【００１５】請求項８記載の構成により、圧電振動子は
厚み滑り振動を行い、圧電振動子の面に形成された電極
のすだれ状のスリットにより、光量変化の大きな光の断
続が生じる。

【００１６】請求項９記載の構成により、スリットへの
入射光およびスリットからの出射光はともに集光レンズ
を通る。

【００１７】請求項１０記載の構成により、光学系の光
を光入射側のすだれ状電極を透過させたのち反対側の電
極で反射させて反射光を入射光と同一方向に出射させ
る。

【００１８】請求項１１記載の構成により、入出光集光
レンズによって光学系の光を圧電振動子のスリットに収
束させ、同時にスリットからの反射光を光学系に集光さ
せる。

【００１９】請求項１２記載の構成により、伸張振動を
行う圧電振動子が、その所定部分が光学系の光軸位置に
一致するように配置され、その所定部分が不透明である
ため、圧電振動子の伸張運動に伴って前記光学系の光を
透過あるいは遮断する。

【００２０】請求項１３記載の構成により、入力集光レ
ンズにより光学系の光を前記圧電振動子の所定部分に収
束させ、出力集光レンズにより圧電振動子を透過した光
を光学系に収束させる。

【００２１】請求項１４記載の構成により、反射膜が圧
電振動子の伸張振動に伴って光を反射し、反射光を入射
光と同一方向に出射する。

【００２２】請求項１５記載の構成により、入出力光集
光レンズによって光学系の光を圧電振動子の所定部分に
収束させ、同時に圧電振動子からの反射光を光学系に集
光させる。

【００２３】請求項１６記載の構成により、光学系の光
を圧電振動子の振動面に対し斜めに入射させて反対側に
斜めに出射させ、入射光と反射光の光路を分離する。

【００２４】請求項１７記載の構成により、光学系の光
を入力集光レンズを介して振動子の振動面に収束し、振
動面からの反射光を出力集光レンズにより光学系に収束
させる。

【００２５】請求項１８記載の構成により、請求項１記
載の光変調型プロセス量センサにより形成した断続光を
光電変換器により信号変換し、さらに信号処理を施して
プロセス量を計測する。

【００２６】請求項１９記載の構成により、請求項１記
載の光変調型プロセス量センサを複数台設け、これらを
光ファイバ・カプラにより結合して各センサの出力を重
ね合わせて出力させる。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の各実施例を図面に基づいて説
明する。

【００２８】図１は、本発明に係る光変調型プロセス量
センサの第１の実施例を示す図である。この図１に示す
ように、光変調型プロセス量センサ１は、透光性の圧電
振動子２ａとして、厚み滑り振動や伸張振動するようカ
ットされてピンホール付き電極が設けられた水晶などが
用いられる。そして、水晶の固有振動数が温度や圧力な
どのプロセス量の変化に応じて変化することを利用し
て、周囲の温度や圧力の変動により変化する振動周波数
を検出して温度、圧力を測定するもので、精度および再
現性に優れている。

【００２９】圧電振動子２ａの表面は研磨されており、
図２（ａ）に示すように、直径が５０μｍ程度のピンホ
ールを持った銀電極６ａが両面に蒸着されている。そし
て圧電振動子２ａには、電池３により作動する発振回路
４が取り付けられている。さらに、圧電振動子２ａの光
入射側には、光を伝送するコア径５０μｍの送光用光フ
ァイバ５ａが、また光出射側にも図示しない光電変換器
に光を伝送する同様の受光用光ファイバ５ｂが、それぞ
れ光軸がピンホールを介して一致するように保持されて
いる。

【００３０】次に、この第１の実施例の作用について説
明する。

【００３１】まず圧電振動子２ａが振動していない状態
では、送光用光ファイバ５ａ、圧電振動子２ａの電極に
形成されたピンホールおよび受光用光ファイバ５ｂは、
光軸が一致するように配置されており、また送光用光フ
ァイバ５ａからの出射光は、ピンホールを透過して受光
用光ファイバ５ｂにより光電変換器に伝送される。

【００３２】一方、圧電振動子２ａは、電圧が印加され
ると振動する。そして、図３に示すように、厚み滑り振
動を行う圧電振動子では、表と裏の両面が互い違いの方
向に滑るように周期的に移動する。このため、図１でい
えば、ピンホールの位置は光軸から振動の周期に合わせ
て上下方向に移動する。

【００３３】ピンホールの位置が光軸からずれると、送
光用光ファイバ５ａの出射光はピンホールを透過して受
光用光ファイバ５ｂに到達することができない。したが
って、光量一定の入射光に対し、受光用光ファイバ５ｂ
が伝送し得る光量は、図３に示すように、圧電振動子２
ａの発振周期（１／ｆ）の２分の１の時間毎に周期的に
変調される。

【００３４】他方、伸張運動を行う圧電振動子において
も、圧電振動子の表と裏の両面が同一の方向に移動する
ことのみが異なり、ピンホールの位置は同様に周期的に
移動するため、全く同一の効果をもたらす。そして、測
定対象である温度や圧力などのプロセス量の変化によ
り、発振周波数ｆが変化することになる。

【００３５】光電変換器に接続された信号処理回路で
は、発振周波数ｆを検出して温度や圧力などの値に変換
する。ここで、光変調型プロセス量センサ１には、温度
や圧力などの測定対象に応じてそれらの検出内容を効果
的に圧電振動子２ａに伝達する機構が設けられている。

【００３６】この第１の実施例によれば、光変調型プロ
セス量センサ１を用いることにより、光ファイバ内に伝
送される光を直接変調することができる。

【００３７】なお、第１の実施例において、送光用光フ
ァイバ５ａの出射光を収束してピンホールに効率よく入
射させる入力集光レンズとしての収束レンズ７、さらに
ピンホールを透過した光を収束して効率よく受光用光フ
ァイバ５ｂに入射させる出力集光レンズとしての収束レ
ンズ７を用いることにより、光を有効利用でき光の損失
を低減できる結果、変調光の強度を高めることができ
る。

【００３８】また、上記実施例において、圧電振動子２
ａの両面に蒸着された電極のうち片面をピンホールを持
たない透光性の透明導電膜とすれば、両面のピンホール
の位置合わせを行わずに済み、加工や調整を容易にする
ことができる。

【００３９】図４は、本発明に係る光変調型プロセス量
センサの第２の実施例を示す図である。以下の実施例中
で、図１の実施例と同一または対応する部分には、図１
と同一の符号を付して説明する。

【００４０】この図４に示すように、この第２の実施例
の光変調型プロセス量センサ１の圧電振動子２ｂは、厚
み滑り振動をするようにカットされた水晶などを用い
る。そして、この水晶を研磨してその両面に、図２
（ｂ）に示すように、スリットを持った銀電極６ｂを蒸
着する。

【００４１】そして、圧電振動子２ｂへの入射光および
出射光を取り扱う光学系として、送光用光ファイバ５ａ
の光を収束して平行ビームとする収束レンズ７と、圧電
振動子２ｂを透過した光を収束して受光用光ファイバ５
ｂに入射させる収束レンズ７とが光軸に沿って配置され
ている。

【００４２】上記の構成において、圧電振動子２ｂの振
動によりスリットの位置が最も移動した際に光を透過し
なくなるように、スリットの幅が決められている。

【００４３】この第２の実施例によれば、圧電振動子２
ｂはピンホールよりも広い面積を持つスリットに光を透
過することができ、光軸の厳格な調整精度が必要なくな
り、光変調型プロセス量センサ１の製作・調整を容易に
することができる。

【００４４】図５は、本発明の第３の実施例を示す図で
ある。この実施例の光変調型プロセス量センサ１の圧電
振動子２ａは、第１の実施例における圧電振動子２ａの
両面の電極のうち光入射側は、ピンホールを設ける側で
あり、光を反射しにくい材料で形成するか、あるいは電
極の上から黒色の被膜をかぶせる。他方、光出射側はピ
ンホールを設けない側であり、光を反射する銀電極等で
形成して反射面としている。光ファイバ５と圧電振動子
２ａの間には、ロッドレンズあるいは複数のレンズを組
み合わせた収束レンズ７が配置されている。

【００４５】上記の構成において、光ファイバ５からの
出射光は、収束レンズ７により収束されたのち圧電振動
子２ａにより反射され、この反射光は再び収束レンズ７
によって収束された上で光ファイバ５で反対方向に伝送
され、光分岐器で分離されて光電変換され信号処理が施
される。

【００４６】この第３の実施例によれば、圧電振動子２
ａの一方の面にピンホールを形成して透過面とし、他方
の面に銀などを蒸着して反射面としているため、入射光
はピンホールから入って反対側の反射面で反射され、圧
電振動子２ａの中を往復してピンホールから再び出射さ
れる。その結果、圧電振動子の両面にピンホールを形成
する際の精密な位置合わせが必要ないことに加え、一本
の光ファイバで送受光を行うことができる。出力光は、
ハーフミラー等の光分岐器により光路を分離して取り出
され、光電変換器を経て信号処理が行われる。

【００４７】図６は、本発明に係る光変調型プロセス量
センサの第４の実施例を示す図である。この実施例の光
変調型プロセス量センサ１の圧電振動子２ｂは、第２の
実施例におけるスリット型の圧電振動子２ｂの両面の電
極のうち、光入射側は光を反射しにくい材料で形成する
か、あるいは電極の上から黒色の被膜をかぶせて構成
し、他方、光出射側は光を反射する銀電極等が形成され
た反射面として構成している。そして光ファイバ５と圧
電振動子２ｂの間には、収束レンズ７が配置されてい
る。

【００４８】上記の構成において、光ファイバ５からの
出射光は、収束レンズ７により平行ビームにされたのち
圧電振動子２ｂにより反射され、この反射光は再び収束
レンズ７により収束された上で光ファイバ５により反対
方向に伝送され、出力光は光分岐器によって取り出され
て光電変換され、その信号処理が行われる。

【００４９】この第４の実施例によれば、圧電振動子２
ｂの一方の面にスリットを形成して透過面とし、他方の
面に銀などを蒸着してスリットを形成した反射面として
いるため、入射光は透過面のスリットから入り、圧電振
動子２ｂの振動に伴って反対側の反射面で反射あるいは
透過され、反射された光は圧電振動子２ｂの中を往復し
て透過面のスリットから再び出射される。その結果、一
本の光ファイバで送受光を行うことができる。出力光
は、ハーフミラー等の光分岐器により光路を分離して取
り出され、光電変換を経て信号処理が行われる。

【００５０】図７は、本発明に係る光変調型プロセス量
センサの第５の実施例を示す図である。この実施例の圧
電振動子２ａは、第３の実施例における反射面を持つス
リット型圧電振動子２ａと同一のものである。送光用光
ファイバ５ａと圧電振動子２ａの間には収束レンズ７
が、また受光用光ファイバ５ｂと圧電振動子２ａの間に
は収束レンズ７およびミラー８が配置されている。

【００５１】上記の構成において、送光用光ファイバ５
ａからの出射光は、収束レンズ７により平行ビームにさ
れたのち、圧電振動子２ａに斜めに入射する。この入射
光は、圧電振動子２ａにより反射され、さらにミラー８
で入射光と平行になる方向に反射される。この反射光
は、再び収束レンズ７により収束されたのち受光用光フ
ァイバ５ｂで伝送される。

【００５２】この第５の実施例によれば、圧電振動子２
ａの一方の面にピンホールを形成して透過面とし、他方
の面に銀などを蒸着して反射面としているため、入射光
はピンホールから入り、反対側の反射面で反射されたの
ち圧電振動子２ａの中を往復してピンホールから再び出
射される。

【００５３】この結果、圧電振動子の両面にピンホール
を形成する際の精密な位置合わせが必要ないことに加
え、圧電振動子２ａに対し斜めに光を入射させたことに
より、入射光と反射光を分離して取り出せる。このた
め、光分岐器により受光部で光路を分離する必要がな
く、光量の損失を防ぐことが可能である。

【００５４】図８は、本発明に係る光変調型プロセス量
センサの第６の実施例を示す図である。この実施例の光
変調型プロセス量センサ１の圧電振動子２は、伸張振動
するようにカットされた水晶などが用いられ、その先端
部の表面は黒色の被膜がかぶされて光を透過しない構造
となっている。送光用光ファイバ５ａと受光用光ファイ
バ５ｂは、光軸が一致するように保持されており、その
光軸位置に振動する先端位置が一致するように圧電振動
子２が配置されている上記の構成において、送光用光フ
ァイバ５ａからの出射光は、圧電振動子２が振動により
最も伸びきった際に光路を完全に遮断され、また最も縮
んだ際には光路を遮断されずに受光用光ファイバ５ｂに
伝送される。

【００５５】この第６の実施例によれば、圧電振動子２
を伸張振動を行う振動子として、送光用光ファイバ５ａ
からの光を透過あるいは遮断するように配置したことに
より、電極にピンホールやスリットなどを設ける精密な
加工を必要とせずに光変調を行うセンサを構成すること
ができる。

【００５６】図９は、本発明に係る光変調型プロセス量
センサの第７の実施例を示す図である。この実施例にお
ける光変調型プロセス量センサ１の圧電振動子２は、上
記第６の実施例と同様に、伸張振動するようにカットさ
れた水晶などが用いられ、その先端部の表面は銀が蒸着
されて光を反射する構造となっている。そして送受光用
光ファイバ５の光軸位置に振動する先端位置が一致する
ように、圧電振動子２が配置されている。

【００５７】上記の構成において、光ファイバ５からの
出射光は、圧電振動子２が振動により最も伸びきった際
に光軸を遮るように、圧電振動子２の反射面が移動して
反射され、また最も縮んだ際には光軸から圧電振動子２
の先端が離れるため反射されない。圧電振動子２により
反射された反射光は、入射光と反対方向に反射されて出
力光として光ファイバ５により伝送される。出力光は、
光分岐器により取り出され信号処理が行われる。

【００５８】この第７の実施例によれば、圧電振動子２
を伸張振動を行う振動子とし、光ファイバ５からの光を
透過あるいは反射するように配置したことにより、電極
にピンホールやスリットなどを設ける精密な加工を必要
とせずに光変調を行うセンサを構成できる。しかも、一
本の光ファイバで送受光を行うことができる。

【００５９】出力光は、ハーフミラー等の光分岐器によ
り光路を分離して取り出され、光電変換を経て信号とさ
れた上で信号処理され、測定がなされる。

【００６０】また、上記第１ないし第７の実施例におい
て、光ファイバ５あるいは光ファイバ５ａからの入射光
の一部を太陽電池などの光電変換素子に照射し、この光
電変換素子から発振回路４に電圧を印加すれば、電池３
が不要になる。

【００６１】図１０は、本発明に係るプロセス計測装置
の第１の実施例を示すブロック線図である。この図１０
において、光変調型プロセス量センサ１は温度測定用ま
たは圧力測定用の水晶振動子を用いており、構成は図１
に示すようになっている。光源９としては、一定量の光
を発生する発光ダイオードが用いられ、光ファイバ５ａ
により光変調型プロセス量センサ１に接続されている。
圧電振動子により変調された光変調型プロセス量センサ
１の出力光は、光ファイバ５ｂにより光電変換器１０に
伝送され、内蔵された光電変換素子としてのフォトダイ
オードにより電気信号に変換される。この光電変換素子
には、信号処理回路１１が接続されている。

【００６２】次に、プロセス計測装置の第１の実施例の
作用について説明する。

【００６３】光源９から出射した光は、光ファイバ５ａ
により光変調型プロセス量センサ１へ供給される。この
光変調型プロセス量センサ１は、温度や圧力などのプロ
セス量に応じた周波数で光の変調を行うから、一定光量
であった入射光は水晶振動子を透過することにより、水
晶振動子の振動周波数に応じて脈動する出力光となる。

【００６４】さらに、光変調型プロセス量センサ１の出
力光は、光ファイバ５ｂにより光電変換器１０に導かれ
る。光電変換器１０の出力信号は、信号処理回路１１で
予め校正しておいた周波数とプロセス量との関係から、
温度や圧力などのプロセス量を算出する。ここで、光変
調型プロセス量センサ１は、ＬＥＤなどの光送信素子を
内蔵した光ファイバ式センサと異なり、圧電振動子によ
り入射光の変調を行うため、消費電力が著しく少ない。
そして、光変調型プロセス量センサ１の発振回路４は、
電池３により駆動されるため、電源ケーブルを必要とせ
ず電気的に外部と完全に分離されている。

【００６５】この実施例によれば、従来のセンサから信
号処理装置まで敷設していたケーブルが光ファイバに置
き換えられることにより、対ノイズ性を向上させること
ができる。

【００６６】図１１は、本発明に係るプロセス計測装置
の第２の実施例を示すブロック線図である。この実施例
のプロセス計測装置に用いられる光変調型プロセス量セ
ンサ１は、温度測定用または圧力測定用の水晶振動子を
用いて構成され、図５に示す構造となっている。光源９
としては、一定量の光を発生する発光ダイオードが用い
られ、光ファイバ５により光変調型プロセス量センサ１
に接続されている。圧電振動子により変調された光変調
型プロセス量センサ１の出力光は、光ファイバ５により
入射光と反対方向に伝送され、ハーフミラーを用いた光
分岐器１２により分離されたのち光電変換器１０に伝送
され、内蔵された光電変換素子であるフォトダイオード
により電気信号に変換される。この光電変換素子には、
信号処理回路１１が接続されている。

【００６７】次に、プロセス計測装置の第２の実施例の
作用について説明する。

【００６８】光源９から出射した光は、光ファイバ５に
より光変調型プロセス量センサ１へ供給される。この光
変調型プロセス量センサ１は、温度や圧力などのプロセ
ス量に応じた周波数で光の変調を行うから、一定光量で
あった入射光は水晶振動子によって反射されることによ
り変調を受け、水晶振動子の周波数に応じた脈動光とな
る。

【００６９】さらに、光変調型プロセス量センサ１の出
力光は、光ファイバ５によりハーフミラーを用いた光分
岐器１２により光源９からの光と分離される。分離され
た光は、光電変換器１０に導かれる。光電変換器１０の
出力信号は、信号処理回路１１で予め校正しておいた周
波数とプロセス量との関係から、温度や圧力などのプロ
セス量を算出するために用いられる。ここで、光変調型
プロセス量センサ１は、発光ダイオードなどの光送信素
子を内蔵した光ファイバ式センサと異なり、消費電力が
著しく少ない。したがって、光変調型プロセス量センサ
１の発振回路４は電池３により駆動されるため、電源ケ
ーブルを必要とせず、電気的に外部と完全に分離されて
いる。

【００７０】この実施例によれば、従来のセンサから信
号処理装置まで敷設していたケーブルが光ファイバに置
き換えられることにより、対ノイズ性を向上させること
ができ、さらに送受光を一本の光ファイバで行うことが
できる。

【００７１】図１２は、本発明に係るプロセス計測装置
の第３の実施例を示すブロック線図である。この実施例
のプロセス計測装置に用いられる光変調型プロセス量セ
ンサ１は、温度測定用または圧力測定用の水晶振動子を
用いるもので、図１に示す構造となっている。光源９と
しては、一定量の光を発生する発光ダイオードが用いら
れ、光源９には複数の光分岐器１２が直列に接続され、
これらの光分岐器１２には、それぞれ光ファイバ５を通
して複数の光変調型プロセス量センサ１の一端が並列に
接続されている。

【００７２】複数の光変調型プロセス量センサの他端に
は、光ファイバ５がそれぞれ接続され、これらが光分岐
器１２で重ね合わされ、光変調型プロセス量センサ１の
圧電振動子の振動周波数に応じて変調された透過光を電
気信号に変換する光電変換器１０に接続されている。光
電変換器１０には、信号処理回路１１が接続されてい
る。

【００７３】次に、プロセス計測装置の第３の実施例の
作用について説明する。

【００７４】光源９から出射した光は、光分岐器１２に
より分岐されながら光ファイバ５を通して複数の光変調
型プロセス量センサ１へ供給される。この光変調型プロ
セス量センサ１は、それぞれ周波数が異なる水晶振動子
を用いて構成されており、周波数が重なり合うことはな
い。また、それぞれの光変調型プロセス量センサ１で
は、温度や圧力などのプロセス量に応じた周波数で光の
変調が行われ、一定光量であった入射光は変調を受け、
水晶振動子の周波数に応じて脈動する出力光となる。

【００７５】さらに、複数の光変調型プロセス量センサ
１からの出力光は、再び光分岐器１２で重ね合わされて
光ファイバ５により光電変換器１０に導かれる。

【００７６】一方、光電変換器１０の出力信号は、信号
処理回路１１で各周波数毎に分離・復調され、予め校正
しておいた周波数とプロセス量の関係から、温度や圧力
などのプロセス量を算出する。ここで、光変調型プロセ
ス量センサ１の発振回路４は電池３により駆動されるた
め、電源ケーブルを必要とせず電気的に外部と完全に分
離されている。

【００７７】この実施例によれば、従来のセンサから信
号処理装置までの各センサ毎に敷設していたケーブル
は、光入出力用の２本の光ファイバで置き換えることが
でき、ケーブル数を削減することができるとともに、対
ノイズ性を向上させることができる。また、複数の光変
調型プロセス量センサの出力を重ね合わせたことによ
り、周波数多重型の多点測定システムを構成することが
できる。

【００７８】また、このプロセス量計測装置の第３の実
施例において、既存の４〜２０ｍＡの電流出力のプロセ
スセンサから出力される電流信号を周波数信号に変換
し、この周波数信号により駆動される発光ダイオードの
出力光を伝送用の光ファイバに重畳したり、あるいは上
記周波数信号により駆動されるポッケルス素子などの光
変調素子で伝送用光ファイバで伝送される光の変調を行
うことにより、圧電振動子を用いた光変調型プロセス量
センサに限らず、既存のプロセスセンサと組み合わせ、
用途に応じた種々のセンサを用いたプロセス計測装置を
提供することができる。

【００７９】

【発明の効果】以上説明したように、特許請求の範囲に
おける各請求項記載の構成により、次のような効果があ
る。

【００８０】請求項１記載の構成によれば、プロセス量
の変化が光学系に設けられた圧電振動子の振動周波数の
変化をもたらし、これにより光学系の光の断続周波数が
変化するため、プロセス量の変化に応じて周波数変調さ
れた光信号を取り出すことができる。

【００８１】請求項２記載の構成によれば、光学系にレ
ンズが設けられているため、光の損失を少なくすること
ができる。

【００８２】請求項３記載の構成によれば、圧電振動子
の面に形成される電極の１つが透光性の透明導電膜であ
り、光学作用点での光の断続はもう一つのピンホールま
たはスリットを持つ電極単独で行うため、ピンホールま
たはスリットの加工は全ての電極を行う必要がなくて１
つの電極を行えばよく、加工が容易に行える。

【００８３】請求項４記載の構成によれば、圧電振動子
の光入射側の電極におけるピンホールまたはスリットに
より断続され、断続された光が反対側の電極により反射
されるため、ピンホールまたはスリットが一つであり加
工が簡単である上に、入力光および出力光が１本の光フ
ァイバで行える。

【００８４】請求項５記載の構成によれば、光学系では
入出力光集光レンズを介して入射光および出射光が入射
および出射するため、光の有効利用が行われ、光学系に
おける光の損失を低減できる。

【００８５】請求項６記載の構成によれば、光学系の光
は圧電振動子の振動面に対し斜めに入射して反射光が反
対側に斜めに出射して、入射光と反射光の光路を互いに
分離しているため、光分岐器などを用いることがなく、
それによる光の損失を防止できる。

【００８６】請求項７記載の構成によれば、光学系の光
は入力集光レンズを介して圧電振動子のピンホールまた
はスリットに収束し、出力集光レンズを介してピンホー
ルまたはスリットからの反射光が光学系に集光するた
め、光が有効利用され光の損失を低減することができ
る。

【００８７】請求項８記載の構成によれば、圧電振動子
は厚み滑り振動を行い、圧電振動子の面に形成された電
極のすだれ状のスリットにより、ピンホールに比べて光
量変化の大きな光の断続が生じるため、強度の大なる測
定信号が得られる。

【００８８】請求項９記載の構成によれば、スリットへ
の入射光およびスリットからの出射光はともに集光レン
ズを通るため、光が有効利用され光の損失を低減するこ
とができる。

【００８９】請求項１０記載の構成によれば、光学系の
光を光入射側のすだれ状電極を透過させたのち反対側の
電極で反射させて反射光を入射光と同一方向に出射させ
るため、スリットが一つであって加工が簡単である上
に、入力光および出力光が１本の光ファイバで行える。

【００９０】請求項１１記載の構成によれば、入出光集
光レンズにより光学系の光を圧電振動子のスリットに収
束させ、同時にスリットからの反射光を光学系に集光さ
せるため、光の損失を低減できる。

【００９１】請求項１２記載の構成によれば、伸張振動
を行う圧電振動子が、その所定部分が光学系の光軸位置
に一致するように配置され、その所定部分が不透明であ
るため、圧電振動子の伸張運動に伴って光学系の光を透
過あるいは遮断するため、ピンホールなどのような精密
加工を要することなく光の変調を行う構成が得られる。

【００９２】請求項１３記載の構成によれば、入力集光
レンズにより光学系の光を前記圧電振動子の所定部分に
収束させ、出力集光レンズにより圧電振動子を透過した
光を光学系に収束させるため、光の損失が少なく光の有
効利用が行われる。

【００９３】請求項１４記載の構成によれば、反射膜が
圧電振動子の伸張振動に伴って光を反射し、反射光を入
射光と同一方向に出射するため、１本の光ファイバで送
受光を行うことができる。

【００９４】請求項１５記載の構成によれば、入出力光
集光レンズによって光学系の光を圧電振動子の所定部分
に収束させ、同時に圧電振動子からの反射光を光学系に
集光させるため、光の有効利用が行われ光の損失が低減
される。

【００９５】請求項１６記載の構成によれば、光学系の
光を圧電振動子の振動面に対し斜めに入射させて反対側
に斜めに出射させ、入射光と反射光の光路を分離するた
め、光が有効利用され光の損失が低減される。

【００９６】請求項１７記載の構成により、光学系の光
を入力集光レンズを介して振動子の振動面に収束し、振
動面からの反射光を出力集光レンズにより光学系に収束
させるため、光が有効利用され光の損失が低減される。

【００９７】請求項１８記載の構成により、請求項１記
載の光変調型プロセス量センサにより形成した断続光を
光電変換器により信号変換し、さらに信号処理を施して
プロセス量を計測するため、従来装置におけるようなメ
タルケーブルの引き回しが削減でき、この結果耐ノイズ
性が向上する。

【００９８】請求項１９記載の構成により、請求項１記
載の光変調型プロセス量センサを複数台設け、これらを
光ファイバ・カプラにより結合して各センサの出力を重
ね合わせて出力させるため、光源とか信号処理装置が共
通化でき、光ケーブルの削減ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光変調型プロセス量センサの第１
の実施例を示す構成図。

【図２】第１の実施例の実施例における圧電振動子の外
観図。

【図３】第１の実施例において圧電振動子の厚み滑り振
動を示した図および光変調型プロセス量センサからの出
射光の光量の時間変化を示す図。

【図４】本発明に係る光変調型プロセス量センサの第２
の実施例を示す構成図。

【図５】本発明に係る光変調型プロセス量センサの第３
の実施例を示す構成図。

【図６】本発明に係る光変調型プロセス量センサの第４
の実施例を示す構成図。

【図７】本発明に係る光変調型プロセス量センサの第５
の実施例を示す構成図。

【図８】本発明に係る光変調型プロセス量センサの第６
の実施例を示す構成図。

【図９】本発明に係る光変調型プロセス量センサの第７
の実施例を示す構成図。

【図１０】本発明に係るプロセス計測装置の第１の実施
例を示す構成図。

【図１１】本発明に係るプロセス計測装置の第２の実施
例を示す構成図。

【図１２】本発明に係るプロセス計測装置の第３の実施
例を示す構成図。

【符号の説明】

１ 光変調型プロセス量センサ ２ 圧電振動子 ２ａ ピンホール型圧電振動子 ２ｂ スリット型圧電振動子 ３ 電池 ４ 発振回路 ５ 光ファイバ ５ａ 送光用光ファイバ ５ｂ 受光用光ファイバ ６ａ ピンホール付電極 ６ｂ スリット付電極 ７ 収束レンズ ８ ミラー ９ 光源 １０ 光電変換器 １１ 信号処理回路 １２ 光分岐器

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】プロセス量を測定すべきプロセス中に設定
   された光学作用点に向けて光を照射し、該光学作用点を
   通る透過光または該光学作用点からの反射光を受光する
   光学系と、 透光性の圧電材料により構成され、厚み滑り振動あるい
   は伸張振動を行うようにカットされて少なくとも一方の
   面にピンホールまたはスリットを持つ不透明電極が設け
   られてなり、前記光学系の光学作用点に前記ピンホール
   またはスリットが位置合わせされて設置された圧電振動
   子と、 この圧電振動子と協働して該圧電振動子に前記プロセス
   量に応じた振動を行わせる発振回路と、 をそなえ、前記プロセス量の変動に応じた前記圧電振動
   子の振動により、前記光学系における透過光または反射
   光に変調を施すようにしたことを特徴とする光変調型プ
   ロセス量センサ。
2. 【請求項２】請求項１記載の光変調型プロセス量センサ
   において、 前記光学系の光を前記圧電振動子のピンホールまたはス
   リットに収束させる入力集光レンズと、 前記ピンホールまたはスリットの透過光を前記光学系に
   収束させる出力集光レンズと、 をそなえたことを特徴とする光変調型プロセス量セン
   サ。
3. 【請求項３】請求項１記載の光変調型プロセス量センサ
   において、 前記圧電振動子の面に形成される電極のうち、他方の面
   を透光性の透明導電膜としたことを特徴とする光変調型
   プロセス量センサ。
4. 【請求項４】請求項１記載の光変調型プロセス量センサ
   において、 前記圧電振動子の面に形成される電極のうち、光入射側
   の電極を光を反射しない不透明な材料により形成してピ
   ンホールまたはスリットを設け、反対側の電極は効率よ
   く光を反射する材料により形成し、入射光を前記ピンホ
   ールまたはスリットを通して前記反対側の電極で反射さ
   せ、反射光を入射光と同一方向に出射させることを特徴
   とする光変調型プロセス量センサ。
5. 【請求項５】請求項４記載の光変調型プロセス量センサ
   において、 前記光学系の光を前記圧電振動子のピンホールまたはス
   リットに収束させ、かつ前記ピンホールまたはスリット
   からの反射光を前記光学系に集光させる入出力光集光レ
   ンズをそなえたことを特徴とする光変調型プロセス量セ
   ンサ。
6. 【請求項６】請求項４記載の光変調型プロセス量センサ
   において、 前記光学系の光を前記圧電振動子の振動面に対し斜めに
   入射させて反射光を反対側に斜めに出射させることによ
   り、入射光と反射光の光路を互いに分離したことを特徴
   とする光変調型プロセス量センサ。
7. 【請求項７】請求項６記載の光変調型プロセス量センサ
   において、 前記光学系の光を前記圧電振動子のピンホールまたはス
   リットに収束させる入力集光レンズと、 前記ピンホールまたはスリットからの反射光を前記光学
   系に集光させる出力集光レンズとをそなえたことを特徴
   とする光変調型プロセス量センサ。
8. 【請求項８】請求項１記載の光変調型プロセス量センサ
   において、 前記圧電振動子を厚み滑り振動を行うものとし、前記圧
   電振動子の少なくとも一方の面に形成される電極にすだ
   れ状のスリットを形成したことを特徴とする光変調型プ
   ロセス量センサ。
9. 【請求項９】請求項８記載の光変調型プロセス量センサ
   において、 前記光学系の光を前記圧電振動子のスリットに収束させ
   る入力集光レンズと、 前記スリットからの透過光を前記光学系に集光させる出
   力集光レンズと、 をそなえたことを特徴とする光変調型プロセス量セン
   サ。
10. 【請求項１０】請求項８記載の光変調型プロセス量セン
    サにおいて、 前記圧電振動子の面に形成される電極のうち、光入射側
    の電極を光を反射しない不透明な材料により形成し、反
    対側の電極は効率よく光を反射する材料により形成し、 前記光学系の光を光入射側の電極を透過させたのち前記
    反対側の電極で反射させて反射光を入射光と同一方向に
    出射させることを特徴とする光変調型プロセス量セン
    サ。
11. 【請求項１１】請求項１０記載の光変調型プロセス量セ
    ンサにおいて、 前記光学系の光を前記圧電振動子のスリットに収束さ
    せ、同時に前記スリットからの反射光を前記光学系に集
    光させる入出力光集光レンズをそなえたことを特徴とす
    る光変調型プロセス量センサ。
12. 【請求項１２】請求項１記載の光変調型プロセス量セン
    サにおいて、 前記圧電振動子を伸張振動を行う圧電振動子とし、前記
    圧電振動子の所定部分が前記光学系の光軸位置に一致す
    るように配置され、その所定部分に不透明な膜を有する
    か、あるいは前記圧電振動子自身が不透明な材質により
    形成されており、 前記圧電振動子の伸張運動に伴って前記光学系の光を透
    過あるいは遮断することを特徴とする光変調型プロセス
    量センサ。
13. 【請求項１３】請求項１２記載の光変調型プロセス量セ
    ンサにおいて、 前記光学系の光を前記圧電振動子の所定部分に収束させ
    る入力集光レンズと、 前記圧電振動子を透過した光を前記光学系に収束させる
    出力集光レンズと、 をそなえたことを特徴とする光変調型プロセス量セン
    サ。
14. 【請求項１４】請求項１２記載の光変調型プロセス量セ
    ンサにおいて、 前記圧電振動子の光入射側の表面に光を効率的に反射す
    る反射膜が形成されてなり、 前記反射膜が前記圧電振動子の伸張振動に伴って光を反
    射し、反射光を入射光と同一方向に出射することを特徴
    とする光変調型プロセス量センサ。
15. 【請求項１５】請求項１４記載の光変調型プロセス量セ
    ンサにおいて、 前記光学系の光を前記圧電振動子の所定部分に収束さ
    せ、同時に圧電振動子からの反射光を前記光学系に集光
    させる入出力光集光レンズをそなえたことを特徴とする
    光変調型プロセス量センサ。
16. 【請求項１６】請求項１４記載の光変調型プロセス量セ
    ンサにおいて、 前記光学系の光を圧電振動子の振動面に対し斜めに入射
    させて反対側に斜めに出射させることにより、入射光と
    反射光の光路を分離したことを特徴とする光変調型プロ
    セス量センサ。
17. 【請求項１７】請求項１６記載の光変調型プロセス量セ
    ンサにおいて、 前記光学系の光を前記振動子の振動面に収束させる入力
    集光レンズと、 該振動面からの反射光を前記光学系に収束させる出力集
    光レンズと、 をそなえたことを特徴とする光変調型プロセス量セン
    サ。
18. 【請求項１８】プロセス量を測定すべきプロセス中に設
    定された光学作用点に向けて光を照射し、該光学作用点
    を通る透過光または該光学作用点からの反射光を受光す
    る光学系、透光性の圧電材料により構成され、厚み滑り
    振動あるいは伸張振動を行うようにカットされて少なく
    とも一方の面にピンホールまたはスリットを持つ不透明
    電極が設けられてなり、前記光学系の光学作用点に前記
    ピンホールまたはスリットが位置合わせされて設置され
    た圧電振動子、この圧電振動子と協働して該圧電振動子
    に前記プロセス量に応じた振動を行わせる発振回路、を
    そなえ、前記プロセス量の変動に応じた前記圧電振動子
    の振動により、前記光学系における透過光または反射光
    に変調を施す光変調型プロセス量センサと、 前記光学系における変調された光を電気信号に変換する
    光電変換器と、 この光電変換器の出力信号の周波数に基づいて温度や圧
    力などのプロセス量を得る信号処理装置と、 をそなえたことを特徴とするプロセス計測装置。
19. 【請求項１９】請求項１８記載のプロセス計測装置にお
    いて、 光ファイバを分岐する光ファイバ・カプラと、 振動周波数が異なる複数の光変調型プロセス量センサと
    をそなえ、 これらのセンサを並列に接続するとともに、複数の光変
    調型プロセス量センサの各出力を重ね合わせて出力させ
    たことを特徴とするプロセス計測装置。