JPH09101225A - 光ファイバ圧力センサ - Google Patents
光ファイバ圧力センサInfo
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- JPH09101225A JPH09101225A JP7259740A JP25974095A JPH09101225A JP H09101225 A JPH09101225 A JP H09101225A JP 7259740 A JP7259740 A JP 7259740A JP 25974095 A JP25974095 A JP 25974095A JP H09101225 A JPH09101225 A JP H09101225A
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- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/14—Mode converters
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L11/00—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L23/00—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid
- G01L23/08—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically
- G01L23/16—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically by photoelectric means
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- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/26—Optical coupling means
- G02B6/264—Optical coupling means with optical elements between opposed fibre ends which perform a function other than beam splitting
- G02B6/266—Optical coupling means with optical elements between opposed fibre ends which perform a function other than beam splitting the optical element being an attenuator
Abstract
(57)【要約】
【課題】光ファイバを用いた圧力計測において、小さな
曲げ変形で大きな光量変化を確実に得なければならいこ
と。 【解決手段】実用的に使用可能な光源６１の波長に対し
て光ファイバ１０はその規格化された周波数（Ｖ値）
を、単一モード条件を与える規格化された遮断周波数の
９０％より小さくなるようにしている。具体的には前記
光ファイバ１０は通常の通信用光ファイバよりコア・ク
ラッドの比屈折率差を小さくしており、光が漏れやすい
構造にしている。圧力検出部材である光ファイバ１０は
ガスケット３１の各受圧部４８ａ，ｂ，ｃ，ｄで燃焼圧
力に応じた曲げ変形を受け、それによる通過光量変化を
受光器６２で検出する。
曲げ変形で大きな光量変化を確実に得なければならいこ
と。 【解決手段】実用的に使用可能な光源６１の波長に対し
て光ファイバ１０はその規格化された周波数（Ｖ値）
を、単一モード条件を与える規格化された遮断周波数の
９０％より小さくなるようにしている。具体的には前記
光ファイバ１０は通常の通信用光ファイバよりコア・ク
ラッドの比屈折率差を小さくしており、光が漏れやすい
構造にしている。圧力検出部材である光ファイバ１０は
ガスケット３１の各受圧部４８ａ，ｂ，ｃ，ｄで燃焼圧
力に応じた曲げ変形を受け、それによる通過光量変化を
受光器６２で検出する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は自動車エンジンにお
ける燃焼圧力の計測制御をはじめ、一般に圧力を計測し
それを制御に利用する産業分野全般に係わる。
ける燃焼圧力の計測制御をはじめ、一般に圧力を計測し
それを制御に利用する産業分野全般に係わる。
【０００２】
【従来の技術】本発明は一般の圧力計測制御に利用でき
るが、以下では自動車エンジン制御を目的とした燃焼圧
センサの場合を例に従来技術を説明する。
るが、以下では自動車エンジン制御を目的とした燃焼圧
センサの場合を例に従来技術を説明する。
【０００３】ピエゾ起電力またはピエゾ抵抗効果を利用
した電気式圧力検出が燃焼力計測の基本技術であった。
これに対し光学式センサ、特に電気的雑音に強く複雑に
込み入ったエンジン周辺に実装容易な、光ファイバを用
いた燃焼圧センサの提案がある。一例として特開昭60−
166739号の制御装置では光ファイバをエンジンの周りに
配置し、その一部はボルトの座金位置に用意した圧力検
出用のケース内を通るようにしている。光ファイバは電
気的絶縁体であるため、ショートの危険なくエンジン周
辺の隙間を通すことができる。これに対し、光ファイバ
を圧力検出部と共に更にエンジンの内部に実装するよう
にした燃焼圧センサがある。図１３にその構成例を示
す。図１３の燃焼圧センサでは大部分の光ファイバを気
筒毎に設けた圧力検出部と共にエンジンヘッドガスケッ
ト内部に実装するようにしている。この場合、エンジン
本体にセンサ実装用の孔を設ける必要がないため複数圧
力検出部のエンジン実装が容易であり、実装中また動作
中に断線の心配が少ない。各受圧部では、内圧に応じた
曲げ変形を光ファイバに与えるようにしている。曲げ変
形に伴う光損失の結果、光ファイバ伝播光量が変化する
ため、逆に光量変化から内圧変化を知ることができる。
一般にエンジンでは、多気筒内圧計測に必要な複数セン
サの実装スペース確保が難しいが、図１３の例ではこの
問題を解決することができる。
した電気式圧力検出が燃焼力計測の基本技術であった。
これに対し光学式センサ、特に電気的雑音に強く複雑に
込み入ったエンジン周辺に実装容易な、光ファイバを用
いた燃焼圧センサの提案がある。一例として特開昭60−
166739号の制御装置では光ファイバをエンジンの周りに
配置し、その一部はボルトの座金位置に用意した圧力検
出用のケース内を通るようにしている。光ファイバは電
気的絶縁体であるため、ショートの危険なくエンジン周
辺の隙間を通すことができる。これに対し、光ファイバ
を圧力検出部と共に更にエンジンの内部に実装するよう
にした燃焼圧センサがある。図１３にその構成例を示
す。図１３の燃焼圧センサでは大部分の光ファイバを気
筒毎に設けた圧力検出部と共にエンジンヘッドガスケッ
ト内部に実装するようにしている。この場合、エンジン
本体にセンサ実装用の孔を設ける必要がないため複数圧
力検出部のエンジン実装が容易であり、実装中また動作
中に断線の心配が少ない。各受圧部では、内圧に応じた
曲げ変形を光ファイバに与えるようにしている。曲げ変
形に伴う光損失の結果、光ファイバ伝播光量が変化する
ため、逆に光量変化から内圧変化を知ることができる。
一般にエンジンでは、多気筒内圧計測に必要な複数セン
サの実装スペース確保が難しいが、図１３の例ではこの
問題を解決することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記光ファイバ圧力セ
ンサには種々の光ファイバを使用できる。一方、一般の
通信に広く使用されている光ファイバは長距離の光伝送
を目的として曲げ変形に伴う光損失が小さくなるように
設計されている。この場合曲げに対して必要なセンサ感
度、即ち光量変化を確保するには、例えば光ファイバに
対する曲げ変形を複数個所で繰り返して与えるようにす
ればよい。しかしながら光ファイバに繰り返し曲げ変形
を与える場合には変形を受ける光ファイバ部分が長くな
る。従って曲げ変形を与えるために必要な手段は、例え
ば一箇所に小さな曲げ変形を加える場合と比べて構造的
に大きくならざるを得ない。即ち、通常構造の光ファイ
バについては入手が容易であるものの、充分な検出感度
を維持したまま上記曲げ変形を与える手段を小型にする
ことが難しいという問題があった。これは単に実装に不
利と言うだけでなく、構造的に大きな受圧部では高い周
波数応答性を得にくいという本質的問題を含む。エンジ
ンの燃焼圧計測の場合、例えば異常燃焼の検出のために
２０ｋＨｚ近い周波数への応答性も要求されている。
ンサには種々の光ファイバを使用できる。一方、一般の
通信に広く使用されている光ファイバは長距離の光伝送
を目的として曲げ変形に伴う光損失が小さくなるように
設計されている。この場合曲げに対して必要なセンサ感
度、即ち光量変化を確保するには、例えば光ファイバに
対する曲げ変形を複数個所で繰り返して与えるようにす
ればよい。しかしながら光ファイバに繰り返し曲げ変形
を与える場合には変形を受ける光ファイバ部分が長くな
る。従って曲げ変形を与えるために必要な手段は、例え
ば一箇所に小さな曲げ変形を加える場合と比べて構造的
に大きくならざるを得ない。即ち、通常構造の光ファイ
バについては入手が容易であるものの、充分な検出感度
を維持したまま上記曲げ変形を与える手段を小型にする
ことが難しいという問題があった。これは単に実装に不
利と言うだけでなく、構造的に大きな受圧部では高い周
波数応答性を得にくいという本質的問題を含む。エンジ
ンの燃焼圧計測の場合、例えば異常燃焼の検出のために
２０ｋＨｚ近い周波数への応答性も要求されている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題に鑑
みてなされたものであり、その手段は、少なくとも一本
の光ファイバは光を伝搬させるための主要部と該主要部
を保護するための保護用コートから成り、該光ファイバ
に光学的に接続された発光手段と、該光ファイバの通過
光または反射戻り光を検出する受光手段と、該光ファイ
バの少なくとも一部に被計測圧力に応じた曲げを与える
手段とを具備し、該光ファイバの形状変化に伴う光損失
から圧力計測をする光ファイバ圧力センサであって、前
記光ファイバの正規化周波数（Ｖ値）を該光ファイバの
単一モード条件を与える正規化遮断周波数の９０％より
小さくして使用したことを特徴とする光ファイバ圧力セ
ンサであり、具体的には上記光ファイバの主要部をほぼ
均一な屈折率を有するコア（光が閉じ込められ伝搬する
部分）とクラッド（コアの外側を占める構成部)で構成
し、与えられた光源に対して上記正規化周波数(Ｖ値)を
１.０から２.０ の間とした光ファイバを用いたことを
特徴とする光ファイバ圧力センサであり、また前記コア
とクラッドとの比屈折率差をほぼ０.１５％から０.２５
％の間とし、上記光ファイバのカットオフ波長をほぼ
０.５μｍから０.６μｍの間としたことを特徴とする光
ファイバ圧力センサである。
みてなされたものであり、その手段は、少なくとも一本
の光ファイバは光を伝搬させるための主要部と該主要部
を保護するための保護用コートから成り、該光ファイバ
に光学的に接続された発光手段と、該光ファイバの通過
光または反射戻り光を検出する受光手段と、該光ファイ
バの少なくとも一部に被計測圧力に応じた曲げを与える
手段とを具備し、該光ファイバの形状変化に伴う光損失
から圧力計測をする光ファイバ圧力センサであって、前
記光ファイバの正規化周波数（Ｖ値）を該光ファイバの
単一モード条件を与える正規化遮断周波数の９０％より
小さくして使用したことを特徴とする光ファイバ圧力セ
ンサであり、具体的には上記光ファイバの主要部をほぼ
均一な屈折率を有するコア（光が閉じ込められ伝搬する
部分）とクラッド（コアの外側を占める構成部)で構成
し、与えられた光源に対して上記正規化周波数(Ｖ値)を
１.０から２.０ の間とした光ファイバを用いたことを
特徴とする光ファイバ圧力センサであり、また前記コア
とクラッドとの比屈折率差をほぼ０.１５％から０.２５
％の間とし、上記光ファイバのカットオフ波長をほぼ
０.５μｍから０.６μｍの間としたことを特徴とする光
ファイバ圧力センサである。
【０００６】また、上記光ファイバから保護用コートを
除いた主要部外径寸法を１２５μｍより小さくしたこと
を特徴とする光ファイバ圧力センサであり、同時に上記
光ファイバの主要部に該主要部内部に予め歪を与えるた
めの構造を与えたり、上記保護用コートと光ファイバ主
要部との間に応力緩和層を設けたことを特徴とする光フ
ァイバ圧力センサである。
除いた主要部外径寸法を１２５μｍより小さくしたこと
を特徴とする光ファイバ圧力センサであり、同時に上記
光ファイバの主要部に該主要部内部に予め歪を与えるた
めの構造を与えたり、上記保護用コートと光ファイバ主
要部との間に応力緩和層を設けたことを特徴とする光フ
ァイバ圧力センサである。
【０００７】また、上記曲げを与える手段を、二点で支
えられた上記光ファイバの間を残りの一点で押す構造
（三点支持による曲げ構造）としたことを特徴とする光
ファイバ圧力センサであり、加えて前記曲げを与える手
段は上記光ファイバの通過光量がほぼ線形に減少する中
心位置よりも初期設定の曲げが緩くあるいはきつくなる
ようにして、センサの動作域がそれぞれ低圧側あるいは
高圧側の一方で非線形応答域にかかるようにしたことを
特徴とする光ファイバ圧力センサである。
えられた上記光ファイバの間を残りの一点で押す構造
（三点支持による曲げ構造）としたことを特徴とする光
ファイバ圧力センサであり、加えて前記曲げを与える手
段は上記光ファイバの通過光量がほぼ線形に減少する中
心位置よりも初期設定の曲げが緩くあるいはきつくなる
ようにして、センサの動作域がそれぞれ低圧側あるいは
高圧側の一方で非線形応答域にかかるようにしたことを
特徴とする光ファイバ圧力センサである。
【０００８】更に、上記光ファイバの保護用コートとし
てポリイミド系の樹脂や金属材料等の耐熱性を有する材
料を使用したことを特徴とする光ファイバ圧力センサで
ある。
てポリイミド系の樹脂や金属材料等の耐熱性を有する材
料を使用したことを特徴とする光ファイバ圧力センサで
ある。
【０００９】
【発明の実施の形態】まず、本発明の一実施例である光
ファイバ筒内圧センサの測定原理について説明する。
ファイバ筒内圧センサの測定原理について説明する。
【００１０】本発明に係る光ファイバ筒内圧センサで
は、圧力検出用光ファイバの正規化周波数（Ｖ値）を該
光ファイバの単一モード条件を与える正規化遮断周波数
の９０％より小さくして使用することで、曲げ変形に対
して該光ファイバが顕著な通過光量変化を示すようにし
ている。これは曲げ変形による光量変化をできるだけ抑
える必要のある一般の通信用光ファイバの設計とは逆の
方向であるが、本発明では圧力センサとしての使用を目
的に、上記光ファイバの感度を向上させ、また光ファイ
バに要求される曲げを緩和して耐久性を上げると共に、
受圧部を小型にするようにしている。具体的には上記光
ファイバの主要部をほぼ均一な屈折率を有するコア（光
が閉じ込められ伝搬する部分）とクラッド（コアの外側
を占める構成部）で構成し、与えられた光源に対して上
記正規化周波数（Ｖ値）を１.０ から２.０ の間に選ぶ
ことで、光ファイバ内部の構造を特に複雑にすることな
く該光ファイバの曲げ変形に対する光量変化の感度を上
げるようにしている。これはまた、比較的入手容易で低
コストな波長０.７８〜０.８３μｍの光源の使用を前提
に、コアとクラッドとの比屈折率差をほぼ０.１５％か
ら０.２５％の間とし、光ファイバのカットオフ波長を
ほぼ０.５μｍから０.６μｍの間に選ぶことで実現する
ことができる。
は、圧力検出用光ファイバの正規化周波数（Ｖ値）を該
光ファイバの単一モード条件を与える正規化遮断周波数
の９０％より小さくして使用することで、曲げ変形に対
して該光ファイバが顕著な通過光量変化を示すようにし
ている。これは曲げ変形による光量変化をできるだけ抑
える必要のある一般の通信用光ファイバの設計とは逆の
方向であるが、本発明では圧力センサとしての使用を目
的に、上記光ファイバの感度を向上させ、また光ファイ
バに要求される曲げを緩和して耐久性を上げると共に、
受圧部を小型にするようにしている。具体的には上記光
ファイバの主要部をほぼ均一な屈折率を有するコア（光
が閉じ込められ伝搬する部分）とクラッド（コアの外側
を占める構成部）で構成し、与えられた光源に対して上
記正規化周波数（Ｖ値）を１.０ から２.０ の間に選ぶ
ことで、光ファイバ内部の構造を特に複雑にすることな
く該光ファイバの曲げ変形に対する光量変化の感度を上
げるようにしている。これはまた、比較的入手容易で低
コストな波長０.７８〜０.８３μｍの光源の使用を前提
に、コアとクラッドとの比屈折率差をほぼ０.１５％か
ら０.２５％の間とし、光ファイバのカットオフ波長を
ほぼ０.５μｍから０.６μｍの間に選ぶことで実現する
ことができる。
【００１１】また、光ファイバに曲げ変形を与えた状態
での長期的なセンサ使用には、該光ファイバの耐久性が
重要であるが、本発明では上記光ファイバの保護用コー
トを除いた主要部の外径寸法を通常通信用に使用される
１２５μｍより小さくすることで、同じ曲げ変形に対す
る光ファイバ主要部、例えば石英ガラスの表面歪を小さ
くするようにしている。光ファイバの破断は該光ファイ
バ主要部表面の小さな傷が使用時の歪により成長して引
き起こされるものであるため、上記外形寸法の変更によ
りこれを回避するようにしている。光ファイバの外径寸
法を変更すると光ファイバ自体の剛性が低下するため光
ファイバはねじれ易くなる。結果として光ファイバ主要
部に余分な歪が生じて曲げ変形に対する感度が変わって
しまう場合も考えられる。本発明ではこれに対し上記光
ファイバの主要部に予め一定の大きさの歪を与える構造
を付加することで、上記ねじれ等による相対的に小さな
歪が現れにくいようにしている。また光ファイバ内部構
造の変更が事実上困難な場合には、上記保護用コートと
光ファイバ主要部との間に応力緩和層を設けることで、
光ファイバ全体のねじれ影響がその主要部に伝わりにく
いようにしている。また、本発明では二点で支えられた
上記光ファイバの間を残りの一点で押す曲げ構造（三点
支持による曲げ構造）で被計測圧力に応じた曲げ変形を
与えることにより、小型で周波数応答性のよい受圧部を
実現するようにしている。加えて該曲げを与える手段に
おいて上記光ファイバの通過光量がほぼ線形に減少する
中心位置よりも初期設定の曲げが緩くなるようにして、
高い印加圧力については線形域で応答する一方低い印加
圧力については非線形性の強い領域で応答するように光
ファイバを設置するようにしている。エンジン各気筒の
燃焼圧力計測への応用を例にとると、これにより光ファ
イバに加わる歪を小さく抑えたままエンジン制御に重要
な燃焼圧力の増加を線形応答領域で正しく捉えることが
できるようにしている。また逆に、上記光ファイバの通
過光量がほぼ線形に減少する中心位置よりも初期設定の
曲げがきつくなるようにして、低い印加圧力については
線形域で応答する一方高い印加圧力については非線形性
の強い領域で応答するように光ファイバを設置するよう
にもしている。エンジン各気筒の燃焼圧力計測への応用
を例にとると、これにより燃料や空気の吸入時にみられ
るマイナス１気圧程度の小さい気筒内圧力を線形応答域
で正確に測ると同時に１００気圧近い燃焼圧力を非線形
応答域でつぶして捉える（線形応答の値より小さな値と
して出力する）ことにより計測のダイナミックレンジを
広く確保できるようにしている。これらは計測の目的に
応じてそれぞれ使い分けることができる。
での長期的なセンサ使用には、該光ファイバの耐久性が
重要であるが、本発明では上記光ファイバの保護用コー
トを除いた主要部の外径寸法を通常通信用に使用される
１２５μｍより小さくすることで、同じ曲げ変形に対す
る光ファイバ主要部、例えば石英ガラスの表面歪を小さ
くするようにしている。光ファイバの破断は該光ファイ
バ主要部表面の小さな傷が使用時の歪により成長して引
き起こされるものであるため、上記外形寸法の変更によ
りこれを回避するようにしている。光ファイバの外径寸
法を変更すると光ファイバ自体の剛性が低下するため光
ファイバはねじれ易くなる。結果として光ファイバ主要
部に余分な歪が生じて曲げ変形に対する感度が変わって
しまう場合も考えられる。本発明ではこれに対し上記光
ファイバの主要部に予め一定の大きさの歪を与える構造
を付加することで、上記ねじれ等による相対的に小さな
歪が現れにくいようにしている。また光ファイバ内部構
造の変更が事実上困難な場合には、上記保護用コートと
光ファイバ主要部との間に応力緩和層を設けることで、
光ファイバ全体のねじれ影響がその主要部に伝わりにく
いようにしている。また、本発明では二点で支えられた
上記光ファイバの間を残りの一点で押す曲げ構造（三点
支持による曲げ構造）で被計測圧力に応じた曲げ変形を
与えることにより、小型で周波数応答性のよい受圧部を
実現するようにしている。加えて該曲げを与える手段に
おいて上記光ファイバの通過光量がほぼ線形に減少する
中心位置よりも初期設定の曲げが緩くなるようにして、
高い印加圧力については線形域で応答する一方低い印加
圧力については非線形性の強い領域で応答するように光
ファイバを設置するようにしている。エンジン各気筒の
燃焼圧力計測への応用を例にとると、これにより光ファ
イバに加わる歪を小さく抑えたままエンジン制御に重要
な燃焼圧力の増加を線形応答領域で正しく捉えることが
できるようにしている。また逆に、上記光ファイバの通
過光量がほぼ線形に減少する中心位置よりも初期設定の
曲げがきつくなるようにして、低い印加圧力については
線形域で応答する一方高い印加圧力については非線形性
の強い領域で応答するように光ファイバを設置するよう
にもしている。エンジン各気筒の燃焼圧力計測への応用
を例にとると、これにより燃料や空気の吸入時にみられ
るマイナス１気圧程度の小さい気筒内圧力を線形応答域
で正確に測ると同時に１００気圧近い燃焼圧力を非線形
応答域でつぶして捉える（線形応答の値より小さな値と
して出力する）ことにより計測のダイナミックレンジを
広く確保できるようにしている。これらは計測の目的に
応じてそれぞれ使い分けることができる。
【００１２】本発明の光ファイバ筒内圧センサでは、受
圧部構造の小型化が容易であるため、該受圧部と光ファ
イバを含む圧力検出部を例えばエンジンの各構成部材、
即ちガスケットや点火プラグあるいはボルト類の内部に
実装することも容易である。そうした場合には、光ファ
イバの保護用コートとしてポリイミド系の樹脂や金属材
料等の耐熱性のあるコートを施すことで、熱的にも安定
した圧力計測ができるようにしている。
圧部構造の小型化が容易であるため、該受圧部と光ファ
イバを含む圧力検出部を例えばエンジンの各構成部材、
即ちガスケットや点火プラグあるいはボルト類の内部に
実装することも容易である。そうした場合には、光ファ
イバの保護用コートとしてポリイミド系の樹脂や金属材
料等の耐熱性のあるコートを施すことで、熱的にも安定
した圧力計測ができるようにしている。
【００１３】以上、本発明の光ファイバ筒内圧センサで
は、使用する光ファイバ自体を圧力計測に適する形に変
更することで、充分な検出感度を維持したまま上記曲げ
変形を与える手段を小型にできるようにすると同時に、
光ファイバ圧力センサの実用化に必要な耐久性，応答性
を得るようにしている。
は、使用する光ファイバ自体を圧力計測に適する形に変
更することで、充分な検出感度を維持したまま上記曲げ
変形を与える手段を小型にできるようにすると同時に、
光ファイバ圧力センサの実用化に必要な耐久性，応答性
を得るようにしている。
【００１４】次に、本発明の一実施例について、図面を
用いて詳細に説明する。
用いて詳細に説明する。
【００１５】図１に本発明の第１の実施例として圧力検
出に適するよう設計された光ファイバの構造例を示す。
図は当該光ファイバの断面図とその動径方向の屈折率分
布を示す説明図である。光は主に光ファイバクラッド１
２より僅かに屈折率の高いコア１１の内部に閉じ込めら
れた状態で光ファイバの長手方向に伝搬する。図１では
見やすさのためこの違いを大きく示している。上記コア
とクラッドからなる光ファイバの主要部は保護用コート
２０で傷や衝撃から保護されている。
出に適するよう設計された光ファイバの構造例を示す。
図は当該光ファイバの断面図とその動径方向の屈折率分
布を示す説明図である。光は主に光ファイバクラッド１
２より僅かに屈折率の高いコア１１の内部に閉じ込めら
れた状態で光ファイバの長手方向に伝搬する。図１では
見やすさのためこの違いを大きく示している。上記コア
とクラッドからなる光ファイバの主要部は保護用コート
２０で傷や衝撃から保護されている。
【００１６】光ファイバの基本的な構成は図１に示すよ
うな屈折率の分布によって決まる。この光ファイバを特
定の波長λの光で使用する場合の特性を数値的に記述す
るために下記（１）式で与えられる規格化された周波数
（Ｖ値）を用いることが一般的である。
うな屈折率の分布によって決まる。この光ファイバを特
定の波長λの光で使用する場合の特性を数値的に記述す
るために下記（１）式で与えられる規格化された周波数
（Ｖ値）を用いることが一般的である。
【００１７】
【数１】
【００１８】図１の例ではコア１１とクラッド１２の比
屈折率差Δ＝０.１７％(コアとクラッドの屈折率差０.
００２５ をコアの屈折率１.４６５ で割った値）、コ
ア半径ａ＝２.５μｍの石英ガラスファイバを示してい
る。これを中心波長λ＝０.８３μｍの光源で使用する
時のＶ値はＶ＝１.６，中心波長λ＝０.７８μｍの光源
で使用する時のＶ値はＶ＝１.７ となる。
屈折率差Δ＝０.１７％(コアとクラッドの屈折率差０.
００２５ をコアの屈折率１.４６５ で割った値）、コ
ア半径ａ＝２.５μｍの石英ガラスファイバを示してい
る。これを中心波長λ＝０.８３μｍの光源で使用する
時のＶ値はＶ＝１.６，中心波長λ＝０.７８μｍの光源
で使用する時のＶ値はＶ＝１.７ となる。
【００１９】図１の光ファイバはほぼ一定のコア屈折率
とクラッド屈折率を持つステップインデックス型の光フ
ァイバであり、単一モード条件を与える規格化された遮
断周波数はおよそ２.４であることが知られている。Ｖ
値が２.４より小さくなるほど光がコアの外側に広がり
やすく、光ファイバの変形により光がファイバの外へ漏
れやすくなる。逆にＶ値が２.４ より大きくなると基本
モードに加え、高次モードの光もコアのなかを安定に伝
搬できるようになる。一般に通信用の単一モード光ファ
イバでは、高次モードの発生を抑えるようにＶ値を２.
４ より小さくはするが、長距離の安定な光伝搬を実現
するために光ファイバの変形による光損失を避けること
が本質的に必要である。このため例えば通信用単一モー
ド光ファイバのＶ値は規格化された遮断周波数より若干
小さめに採られるものの、その大きさは規格化された遮
断周波数の９０％よりは大きくなる。ステップインデッ
クス型の光ファイバの例でみるならおよそ２.３が目安
といえる。
とクラッド屈折率を持つステップインデックス型の光フ
ァイバであり、単一モード条件を与える規格化された遮
断周波数はおよそ２.４であることが知られている。Ｖ
値が２.４より小さくなるほど光がコアの外側に広がり
やすく、光ファイバの変形により光がファイバの外へ漏
れやすくなる。逆にＶ値が２.４ より大きくなると基本
モードに加え、高次モードの光もコアのなかを安定に伝
搬できるようになる。一般に通信用の単一モード光ファ
イバでは、高次モードの発生を抑えるようにＶ値を２.
４ より小さくはするが、長距離の安定な光伝搬を実現
するために光ファイバの変形による光損失を避けること
が本質的に必要である。このため例えば通信用単一モー
ド光ファイバのＶ値は規格化された遮断周波数より若干
小さめに採られるものの、その大きさは規格化された遮
断周波数の９０％よりは大きくなる。ステップインデッ
クス型の光ファイバの例でみるならおよそ２.３が目安
といえる。
【００２０】一方、我々の目的とする圧力検出用の光フ
ァイバでは１km以上の長尺ファイバによる安定した長距
離光伝送を求める必要はない。一例として、圧力検出用
の光ファイバをエンジンの気筒内圧計測に適用する場合
には連続長さでも高々２〜３ｍ程度必要となるだけであ
るので、光ファイバの配線部を適当な支持部材の中にい
れて保護することは容易である。あるいはまた圧力検出
部のみを特殊ファイバに置き換えてもよい。光ファイバ
の接続部には若干の光損失が生じるが、圧力検出自体へ
の影響は事実上無視できる。そこで本発明に係る圧力検
出用光ファイバではＶ値を積極的に小さくすることで小
さな曲げ変形でも大きな光量変化を得るようにしてい
る。例えば上記実施例でのＶ値１.６〜１.７は規格化さ
れた遮断周波数のおよそ６５〜７０％である。
ァイバでは１km以上の長尺ファイバによる安定した長距
離光伝送を求める必要はない。一例として、圧力検出用
の光ファイバをエンジンの気筒内圧計測に適用する場合
には連続長さでも高々２〜３ｍ程度必要となるだけであ
るので、光ファイバの配線部を適当な支持部材の中にい
れて保護することは容易である。あるいはまた圧力検出
部のみを特殊ファイバに置き換えてもよい。光ファイバ
の接続部には若干の光損失が生じるが、圧力検出自体へ
の影響は事実上無視できる。そこで本発明に係る圧力検
出用光ファイバではＶ値を積極的に小さくすることで小
さな曲げ変形でも大きな光量変化を得るようにしてい
る。例えば上記実施例でのＶ値１.６〜１.７は規格化さ
れた遮断周波数のおよそ６５〜７０％である。
【００２１】光ファイバの変形に伴う光の損失評価は一
般には難しいが、光ファイバに一様な曲げが与えられた
場合の損失評価は例えば、D.Marcuse,“Curvature loss
formula for optical fiber”,J.Opt.Soc.Am.,Ｖｏｌ.
６６.Ｎｏ.３，ｐｐ．２１６−２２０（１９７６）の式
（３２）に与えられている。この結果を基に規格化周波
数（Ｖ値）と光損失の特徴的な関係を抽出するなら、曲
げ半径と光源波長とを与えられたものとし、基本モード
に注目することで図１５の関係を得る。図のＶｃは規格
化遮断周波数を示す。図より通信用光ファイバに用いら
れる領域では光ファイバの変形（曲げ）に対する光損失
の小さいことが確認できる。この領域の変化はほぼ直線
的でもある。図にはこの領域でのグラフの傾きを示す直
線を併せて示している。図より新たに分かることは、Ｖ
ｃに対するＶの割合が９０％より小さくなる点から、通
信用ファイバとしての特性の延長（図の接線）からのず
れが生じはじめ、光損失が著しくなることである。この
領域の光ファイバこそ本発明に係る圧力センサに使用す
る上で適当な光ファイバであると言える。本発明の光フ
ァイバ圧力センサに係る光ファイバでは上記の９０％を
上限に光ファイバのＶ値を選択するようにしている。
般には難しいが、光ファイバに一様な曲げが与えられた
場合の損失評価は例えば、D.Marcuse,“Curvature loss
formula for optical fiber”,J.Opt.Soc.Am.,Ｖｏｌ.
６６.Ｎｏ.３，ｐｐ．２１６−２２０（１９７６）の式
（３２）に与えられている。この結果を基に規格化周波
数（Ｖ値）と光損失の特徴的な関係を抽出するなら、曲
げ半径と光源波長とを与えられたものとし、基本モード
に注目することで図１５の関係を得る。図のＶｃは規格
化遮断周波数を示す。図より通信用光ファイバに用いら
れる領域では光ファイバの変形（曲げ）に対する光損失
の小さいことが確認できる。この領域の変化はほぼ直線
的でもある。図にはこの領域でのグラフの傾きを示す直
線を併せて示している。図より新たに分かることは、Ｖ
ｃに対するＶの割合が９０％より小さくなる点から、通
信用ファイバとしての特性の延長（図の接線）からのず
れが生じはじめ、光損失が著しくなることである。この
領域の光ファイバこそ本発明に係る圧力センサに使用す
る上で適当な光ファイバであると言える。本発明の光フ
ァイバ圧力センサに係る光ファイバでは上記の９０％を
上限に光ファイバのＶ値を選択するようにしている。
【００２２】基本モードに対する規格化された遮断周波
数２．４ に対応する（１）式の波長（カットオフ波
長）の点から再び図１の光ファイバをみるなら、これは
カットオフ波長０.５５μｍ を持つことがわかる。
（１）式から分かるようにＶ値はコア径ａとコアとクラ
ッドとの比屈折率差Δにより特徴づけられるが、実際に
はコア径はその輪郭があいまいである。このため代わり
に確実に計測できるカットオフ波長をパラメータとして
用いることが多い。上記本発明第１の実施例には上記本
発明に係る光ファイバの一例を示したが、同等な特性を
有する光ファイバはこれらのパラメータについてみるな
ら代表的な値としてコアとクラッドとの比屈折率差０.
１５〜０.２５％、またカットオフ波長０.５〜０.６μ
ｍを持つと言える。比屈折率差は小さいほど、またカッ
トオフ波長は使用する光源の中心波長より小さくなるほ
ど曲げに対する光損失は大きくなる。一方あまり損失が
大きくなると光ファイバの配線部でも容易に光が漏れる
ためセンサとしては使いにくい場合も出てくる。上記の
代表値は図１３に示すエンジンヘッドガスケットのよう
に比較的狭い領域に光ファイバを実装することを前提
に、曲げに対する必要な感度の確保と使いやすさの両面
を満足する設定例である。Ｖ値でみるなら図１の基本構
造においておよそ１.０〜２.０の範囲がそれにあたる。
もちろん光ファイバの使用状況に応じて、例えば実装条
件により光ファイバ配線に無理な曲げを与える必要がな
く、受圧部以外からの光の漏れが計測に影響しないよう
な場合には、上記Ｖ／Ｖｃ＝９０％を上限にパラメータ
の設定を更に広い範囲で調整できる。
数２．４ に対応する（１）式の波長（カットオフ波
長）の点から再び図１の光ファイバをみるなら、これは
カットオフ波長０.５５μｍ を持つことがわかる。
（１）式から分かるようにＶ値はコア径ａとコアとクラ
ッドとの比屈折率差Δにより特徴づけられるが、実際に
はコア径はその輪郭があいまいである。このため代わり
に確実に計測できるカットオフ波長をパラメータとして
用いることが多い。上記本発明第１の実施例には上記本
発明に係る光ファイバの一例を示したが、同等な特性を
有する光ファイバはこれらのパラメータについてみるな
ら代表的な値としてコアとクラッドとの比屈折率差０.
１５〜０.２５％、またカットオフ波長０.５〜０.６μ
ｍを持つと言える。比屈折率差は小さいほど、またカッ
トオフ波長は使用する光源の中心波長より小さくなるほ
ど曲げに対する光損失は大きくなる。一方あまり損失が
大きくなると光ファイバの配線部でも容易に光が漏れる
ためセンサとしては使いにくい場合も出てくる。上記の
代表値は図１３に示すエンジンヘッドガスケットのよう
に比較的狭い領域に光ファイバを実装することを前提
に、曲げに対する必要な感度の確保と使いやすさの両面
を満足する設定例である。Ｖ値でみるなら図１の基本構
造においておよそ１.０〜２.０の範囲がそれにあたる。
もちろん光ファイバの使用状況に応じて、例えば実装条
件により光ファイバ配線に無理な曲げを与える必要がな
く、受圧部以外からの光の漏れが計測に影響しないよう
な場合には、上記Ｖ／Ｖｃ＝９０％を上限にパラメータ
の設定を更に広い範囲で調整できる。
【００２３】もちろん（１）式のようにｖ値は使用する
光源の波長に依存するので、光源波長を変更してＶ値を
調整することもできる。しかしながら実際には、例えば
コストや装置の大きさの面から使用可能な光源は限ら
れ、また特定の光源で波長を連続的に変えることは一般
には難しい。このため上記のＶ値は、事実上これを与え
られた光源に対して光ファイバの構造を指定する代表パ
ラメータと捉えることができる。上記の例では波長０.
７から０.８μｍ近傍の光源、具体的には低コストの受
光素子と組み合わせて使用可能な汎用レーザダイオード
モジュールやそれに類する光源モジュールの使用を前提
とした。もちろんその他波長の光源に対する光ファイバ
の構造変更も上記の例に従いコアとクラッドの比屈折率
差Δとコア半径ａを若干変更することで容易である。普
通に使われる通信用光ファイバとの違いは光ファイバを
曲げた時の通過光量変化の大きさの違いに現われる。
光源の波長に依存するので、光源波長を変更してＶ値を
調整することもできる。しかしながら実際には、例えば
コストや装置の大きさの面から使用可能な光源は限ら
れ、また特定の光源で波長を連続的に変えることは一般
には難しい。このため上記のＶ値は、事実上これを与え
られた光源に対して光ファイバの構造を指定する代表パ
ラメータと捉えることができる。上記の例では波長０.
７から０.８μｍ近傍の光源、具体的には低コストの受
光素子と組み合わせて使用可能な汎用レーザダイオード
モジュールやそれに類する光源モジュールの使用を前提
とした。もちろんその他波長の光源に対する光ファイバ
の構造変更も上記の例に従いコアとクラッドの比屈折率
差Δとコア半径ａを若干変更することで容易である。普
通に使われる通信用光ファイバとの違いは光ファイバを
曲げた時の通過光量変化の大きさの違いに現われる。
【００２４】図２に上記本発明第２の実施例として曲げ
による光損失に基づき圧力を検出する光ファイバにおい
てその配線形状が圧力検出結果に影響しにくいようにし
た圧力検出用光ファイバの構造例を示す。上記第１の実
施例との違いはクラッド１２の外側に楕円型のジャケッ
ト構造１３を設けた点にある。当該ジャケット構造はガ
ラスファイバに添加する材料を調整して作製できる。ジ
ャケット構造は熱膨張の程度が周囲と異なるため、光フ
ァイバの製造過程でファイバ内部に歪を残すようにな
る。その主な効果は（１）コア・クラッド部分に予め歪
を与えておくことで更に加わる強制的な曲げ変形に対し
て大きな通過光量変化を容易に得ることができる（２）
予め造ったファイバ内部の緊張状態が比較的大きいため
配線時の捩じれ等による微小な変形が加わりにくいとい
う二つの点にあるといえる。これらにより当該圧力検出
用光ファイバでは圧力検出部への光ファイバ配線部分で
はほとんど歪の影響を受けず、圧力検出点で与える曲げ
に対しては大きな通過光量変化を示すようにしている。
即ち、前記項目（１）により外乱に対して大きな出力を
感度よく得ることができるようにし、前記項目（２）に
より外乱自体の影響が現れにくいようにしている。
による光損失に基づき圧力を検出する光ファイバにおい
てその配線形状が圧力検出結果に影響しにくいようにし
た圧力検出用光ファイバの構造例を示す。上記第１の実
施例との違いはクラッド１２の外側に楕円型のジャケッ
ト構造１３を設けた点にある。当該ジャケット構造はガ
ラスファイバに添加する材料を調整して作製できる。ジ
ャケット構造は熱膨張の程度が周囲と異なるため、光フ
ァイバの製造過程でファイバ内部に歪を残すようにな
る。その主な効果は（１）コア・クラッド部分に予め歪
を与えておくことで更に加わる強制的な曲げ変形に対し
て大きな通過光量変化を容易に得ることができる（２）
予め造ったファイバ内部の緊張状態が比較的大きいため
配線時の捩じれ等による微小な変形が加わりにくいとい
う二つの点にあるといえる。これらにより当該圧力検出
用光ファイバでは圧力検出部への光ファイバ配線部分で
はほとんど歪の影響を受けず、圧力検出点で与える曲げ
に対しては大きな通過光量変化を示すようにしている。
即ち、前記項目（１）により外乱に対して大きな出力を
感度よく得ることができるようにし、前記項目（２）に
より外乱自体の影響が現れにくいようにしている。
【００２５】上記本発明第２の実施例の特徴は上記コア
・クラッド部を囲む歪を与える構造にある。図２ではこ
れをジャケット構造１３とそれを構造的に支持するサポ
ート部１４により実現しているが、その構造はこれに限
るものではない。必要な歪の効果が得られれば前記ジャ
ケット構造の輪郭を円形にしたり、その他構造を付加し
てもよい。但しそれらの選択には製造の容易さに加えて
製造後の構造的耐久性に留意する必要がある。
・クラッド部を囲む歪を与える構造にある。図２ではこ
れをジャケット構造１３とそれを構造的に支持するサポ
ート部１４により実現しているが、その構造はこれに限
るものではない。必要な歪の効果が得られれば前記ジャ
ケット構造の輪郭を円形にしたり、その他構造を付加し
てもよい。但しそれらの選択には製造の容易さに加えて
製造後の構造的耐久性に留意する必要がある。
【００２６】ここで上記本発明第２の実施例に係る光フ
ァイバと一般に知られる楕円ジャケット型偏波面保存光
ファイバとの違いについてみなおしておきたい。構造上
の違いは既述のようにコア・クラッド部の構造にある。
本発明に係る光ファイバでは上記比屈折率差を例えば
０.１７〜０.１８％というように普及している通信用光
ファイバのそれより小さくしている。これは実用上好ま
しい光源波長に対して上記のＶ値を本発明で提案した領
域に設定するために必要である。効果の違いはそれぞれ
の開発上の経緯から明らかである。即ち通常使用される
楕円ジャケット型偏波面保存光ファイバは内部の異方性
歪により独立する二つの偏光モードの伝搬状態を制御し
たのに対し、本発明では上記のように光ファイバの部分
的な曲げで安定高感度な通過光量変化を得るようにして
いる。
ァイバと一般に知られる楕円ジャケット型偏波面保存光
ファイバとの違いについてみなおしておきたい。構造上
の違いは既述のようにコア・クラッド部の構造にある。
本発明に係る光ファイバでは上記比屈折率差を例えば
０.１７〜０.１８％というように普及している通信用光
ファイバのそれより小さくしている。これは実用上好ま
しい光源波長に対して上記のＶ値を本発明で提案した領
域に設定するために必要である。効果の違いはそれぞれ
の開発上の経緯から明らかである。即ち通常使用される
楕円ジャケット型偏波面保存光ファイバは内部の異方性
歪により独立する二つの偏光モードの伝搬状態を制御し
たのに対し、本発明では上記のように光ファイバの部分
的な曲げで安定高感度な通過光量変化を得るようにして
いる。
【００２７】図３に上記本発明第１，第２の実施例に基
づき製作した圧力検出用光ファイバの部分的な曲げ（横
軸）に対する通過光量変化の大きさ（縦軸）の測定例を
示す。また図１６に試作ファイバの断面プロファイルを
示す。曲げ半径が大きいうちは顕著な光量変化がないも
のの、ある程度小さな曲げ半径から急激に大きな光量変
化の生じることが確認できる。しかしそれは光ファイバ
が折れてしまうほど厳しいものではない。光変化の生じ
る曲げ半径はおよそ１cm前後である。従って予め光ファ
イバの受圧部におよそ１cm前後曲げを与えておけば配線
部分ではほとんど光を失わずに圧力検出部で感度良い圧
力検出をすることができる。図３より光量がほぼ直線的
に変わる領域を確認することができる。通信用光ファイ
バではより厳しい曲げ変形を与えない限り初期通過光量
の７〜８割に及ぶ大きな光変化を得ることは難しく、実
際には光ファイバが折れてしまうことが多いため繰り返
し曲げを与える使い方には適さない。これに対し本発明
に係る光ファイバではほとんどゼロ近くに及ぶ大きな光
量変化を繰り返し安定に得ることができる。圧力検出用
光ファイバを長期間に渡って使用する場合には使用時の
曲げが緩い方が光ファイバへの負担が小さい。この場合
には上記Ｖ値を更に小さく設定することでより大きな曲
げ半径で同等の効果を得ることもできる。
づき製作した圧力検出用光ファイバの部分的な曲げ（横
軸）に対する通過光量変化の大きさ（縦軸）の測定例を
示す。また図１６に試作ファイバの断面プロファイルを
示す。曲げ半径が大きいうちは顕著な光量変化がないも
のの、ある程度小さな曲げ半径から急激に大きな光量変
化の生じることが確認できる。しかしそれは光ファイバ
が折れてしまうほど厳しいものではない。光変化の生じ
る曲げ半径はおよそ１cm前後である。従って予め光ファ
イバの受圧部におよそ１cm前後曲げを与えておけば配線
部分ではほとんど光を失わずに圧力検出部で感度良い圧
力検出をすることができる。図３より光量がほぼ直線的
に変わる領域を確認することができる。通信用光ファイ
バではより厳しい曲げ変形を与えない限り初期通過光量
の７〜８割に及ぶ大きな光変化を得ることは難しく、実
際には光ファイバが折れてしまうことが多いため繰り返
し曲げを与える使い方には適さない。これに対し本発明
に係る光ファイバではほとんどゼロ近くに及ぶ大きな光
量変化を繰り返し安定に得ることができる。圧力検出用
光ファイバを長期間に渡って使用する場合には使用時の
曲げが緩い方が光ファイバへの負担が小さい。この場合
には上記Ｖ値を更に小さく設定することでより大きな曲
げ半径で同等の効果を得ることもできる。
【００２８】図４に上記本発明第３の実施例として上記
圧力検出用光ファイバに耐熱性を有する保護用コートを
併用した場合を示す。図は当該光ファイバの断面図であ
る。図４の２２はおよそ２５０℃の耐熱性を有するポリ
イミド系樹脂による保護用コートを、２１は前記保護用
コートと光ファイバ主要部との間に設けた応力緩和層を
示す。光ファイバコア１１とクラッド１２の構造は上記
本発明第１の実施例に準じる。ポリイミド系樹脂にはそ
の構造上の違いにより、例えば耐水性に差があるような
種類の違いがある。これらは用途に応じて使いわけるこ
とができる。もちろん光ファイバ主要部の構造は本実施
例のものに限らない。前記応力緩和層は一例として炭素
の微粒子あるいは炭素系材料を付着積層させて構成する
ことができる。保護用コートにポリイミドのように比較
的固い樹脂を塗布し熱処理により固化させると光ファイ
バの主要部に大きな残留歪の残る場合が考えられるが、
前記応力緩和層を設けるとその影響を緩和することがで
きる。上記ポリイミド系樹脂とカーボンコートの組み合
わせではカーボン自体が耐熱性を有するため光ファイバ
全体の耐熱性を維持したまま同じ効果を得ることができ
る。これにより上記第１第２の実施例に係る光ファイバ
を高温環境でも安定に使用することができる。具体的に
は圧力検出用光ファイバを直接エンジン実装するような
使い方に適した光ファイバを提供できる。もちろん上記
応力緩和層は状況に応じて省略することもできる。一例
として歪の低減のために保護用コート２２の厚みを調整
できるような場合には、上記応力緩和層を省略して当該
光ファイバの製造を容易にできる。
圧力検出用光ファイバに耐熱性を有する保護用コートを
併用した場合を示す。図は当該光ファイバの断面図であ
る。図４の２２はおよそ２５０℃の耐熱性を有するポリ
イミド系樹脂による保護用コートを、２１は前記保護用
コートと光ファイバ主要部との間に設けた応力緩和層を
示す。光ファイバコア１１とクラッド１２の構造は上記
本発明第１の実施例に準じる。ポリイミド系樹脂にはそ
の構造上の違いにより、例えば耐水性に差があるような
種類の違いがある。これらは用途に応じて使いわけるこ
とができる。もちろん光ファイバ主要部の構造は本実施
例のものに限らない。前記応力緩和層は一例として炭素
の微粒子あるいは炭素系材料を付着積層させて構成する
ことができる。保護用コートにポリイミドのように比較
的固い樹脂を塗布し熱処理により固化させると光ファイ
バの主要部に大きな残留歪の残る場合が考えられるが、
前記応力緩和層を設けるとその影響を緩和することがで
きる。上記ポリイミド系樹脂とカーボンコートの組み合
わせではカーボン自体が耐熱性を有するため光ファイバ
全体の耐熱性を維持したまま同じ効果を得ることができ
る。これにより上記第１第２の実施例に係る光ファイバ
を高温環境でも安定に使用することができる。具体的に
は圧力検出用光ファイバを直接エンジン実装するような
使い方に適した光ファイバを提供できる。もちろん上記
応力緩和層は状況に応じて省略することもできる。一例
として歪の低減のために保護用コート２２の厚みを調整
できるような場合には、上記応力緩和層を省略して当該
光ファイバの製造を容易にできる。
【００２９】図５に上記本発明第４の実施例として上記
第３の実施例における保護用コート２２の変わりに一種
類以上の金属を積層させた場合を示す。図５の内層２３
は一例としてニッケルやクロムと金との混合された蒸着
層を、外層２４はその上にメッキ等の手段で積層させた
金のコートをそれぞれ示す。この場合内側の層は光ファ
イバとの密着性を高めるための補助層であり、外側が実
際に保護用コートとして寄与する金属層である。本実施
例においても応力緩和層２１を必要に応じて併用するこ
とができる。上記金属コートを有する圧力検出用光ファ
イバでは上記本発明第３の実施例より更に高い耐熱性ま
た耐水性を得ることができる。また金属間の溶接等の手
段により実装時の光ファイバの固定が容易である。
第３の実施例における保護用コート２２の変わりに一種
類以上の金属を積層させた場合を示す。図５の内層２３
は一例としてニッケルやクロムと金との混合された蒸着
層を、外層２４はその上にメッキ等の手段で積層させた
金のコートをそれぞれ示す。この場合内側の層は光ファ
イバとの密着性を高めるための補助層であり、外側が実
際に保護用コートとして寄与する金属層である。本実施
例においても応力緩和層２１を必要に応じて併用するこ
とができる。上記金属コートを有する圧力検出用光ファ
イバでは上記本発明第３の実施例より更に高い耐熱性ま
た耐水性を得ることができる。また金属間の溶接等の手
段により実装時の光ファイバの固定が容易である。
【００３０】図６に上記本発明第５の実施例として光フ
ァイバコートに関する上記第３，第４の実施例の特徴を
組み合わせた場合を示す。図６の２２は樹脂層である保
護用コートを２４は金属層である外層を２３は当該金属
層の密着性を高めるための補助層である内層をそれぞれ
示す。本実施例においては例えば必要な厚さの樹脂層に
より光ファイバの保護を図り、一方薄手の金属層で光フ
ァイバの金属間固定をしたり、あるいは耐水性のない樹
脂層を保護できるようにしている。本実施例は各機能に
応じたコート構造を組み合わせるようにした例である。
一般に金属層は樹脂層と比べて積層に時間がかかるが、
本実施例では樹脂層２２を光ファイバの保護に用いるこ
とで内層２３自体を薄くしている。即ち役割機能の分担
により光ファイバコートとして同等の効果を簡単に得る
ようにしている。異なる性質の部材を積層する場合、長
期間の使用においては部材間の剥離等の問題もあるが、
例えば短期間のセンサ使用あるいは試験的評価において
はこれをそのまま活用することができる。
ァイバコートに関する上記第３，第４の実施例の特徴を
組み合わせた場合を示す。図６の２２は樹脂層である保
護用コートを２４は金属層である外層を２３は当該金属
層の密着性を高めるための補助層である内層をそれぞれ
示す。本実施例においては例えば必要な厚さの樹脂層に
より光ファイバの保護を図り、一方薄手の金属層で光フ
ァイバの金属間固定をしたり、あるいは耐水性のない樹
脂層を保護できるようにしている。本実施例は各機能に
応じたコート構造を組み合わせるようにした例である。
一般に金属層は樹脂層と比べて積層に時間がかかるが、
本実施例では樹脂層２２を光ファイバの保護に用いるこ
とで内層２３自体を薄くしている。即ち役割機能の分担
により光ファイバコートとして同等の効果を簡単に得る
ようにしている。異なる性質の部材を積層する場合、長
期間の使用においては部材間の剥離等の問題もあるが、
例えば短期間のセンサ使用あるいは試験的評価において
はこれをそのまま活用することができる。
【００３１】図７に上記本発明第６の実施例を示す。本
実施例においては圧力検出用の光ファイバ１０の外径寸
法を通常の通信用光ファイバ１５より小さくするように
している。具体的には通信用光ファイバ１５の外径寸法
１２５μｍに対し、本実施例に係る光ファイバ１０では
例えばその外径寸法を９０〜１１０μｍとしている。図
７に示すように外径寸法の小さい光ファイバでは同じ曲
げ半径Ｒに対して表面に生じる歪を小さくすることがで
きる。従って光ファイバの部分的な曲げに伴う光量変化
を検出する圧力センサにこれを使用すると光ファイバ部
の受ける機械的負担を軽減し耐久性の向上を図ることが
できる。具体的な光ファイバの寿命は光ファイバ自体の
特性やその使用環境など種々の条件によることなるが、
一例として十年以上の長寿命を条件とする場合の計算評
価例を図１７に示す。これより、光ファイバ径の細径化
により耐久性の確保が容易となることが確認できる。
実施例においては圧力検出用の光ファイバ１０の外径寸
法を通常の通信用光ファイバ１５より小さくするように
している。具体的には通信用光ファイバ１５の外径寸法
１２５μｍに対し、本実施例に係る光ファイバ１０では
例えばその外径寸法を９０〜１１０μｍとしている。図
７に示すように外径寸法の小さい光ファイバでは同じ曲
げ半径Ｒに対して表面に生じる歪を小さくすることがで
きる。従って光ファイバの部分的な曲げに伴う光量変化
を検出する圧力センサにこれを使用すると光ファイバ部
の受ける機械的負担を軽減し耐久性の向上を図ることが
できる。具体的な光ファイバの寿命は光ファイバ自体の
特性やその使用環境など種々の条件によることなるが、
一例として十年以上の長寿命を条件とする場合の計算評
価例を図１７に示す。これより、光ファイバ径の細径化
により耐久性の確保が容易となることが確認できる。
【００３２】図７のように光ファイバ外径寸法を小さく
していくと次第に光ファイバが捩じれやすくなるため、
配線の状況によっては逆に不必要な歪が加わりやすくな
る。その場合には上記本発明第３及び第４の実施例で説
明した光ファイバコートを併用することでその影響を低
減することができる。前者においては樹脂として比較的
固いポリイミドコートの厚さを、後者においては金属コ
ートの厚さをそれぞれ適当な厚さに選ぶことで光ファイ
バ全体の剛性を高め、これにより捩じれ等の余分な変形
が生じにくいようにできる。もちろん上記本発明第２の
実施例における「コア・クラッド部に歪を与えるための
構造」を併用してその効果を高めるようにしてもよい。
していくと次第に光ファイバが捩じれやすくなるため、
配線の状況によっては逆に不必要な歪が加わりやすくな
る。その場合には上記本発明第３及び第４の実施例で説
明した光ファイバコートを併用することでその影響を低
減することができる。前者においては樹脂として比較的
固いポリイミドコートの厚さを、後者においては金属コ
ートの厚さをそれぞれ適当な厚さに選ぶことで光ファイ
バ全体の剛性を高め、これにより捩じれ等の余分な変形
が生じにくいようにできる。もちろん上記本発明第２の
実施例における「コア・クラッド部に歪を与えるための
構造」を併用してその効果を高めるようにしてもよい。
【００３３】図８に上記本発明第７の実施例を示す。本
実施例においては上記本発明に係る圧力検出用光ファイ
バ１０をエンジンヘッドガスケット３１の内部に受圧構
造と共に実装するようにしている。図８の例における受
圧構造は光ファイバを支えるおさえ板４１，ダイアフラ
ム板４２、及び圧力導入孔４３を有するダイヤフラムの
支え板４４から構成される。光ファイバは前記おさえ板
４１とガスケット３１それぞれに設けた溝４６を通るよ
うにしている。光ファイバが曲げ変形を受ける部分には
例えば高温下でも体積変化の少ないフッ素系の潤滑油を
併用してもよい。前記受圧部と光ファイバとを含むヘッ
ドガスケット３１はシリンダヘッド３２とシリンダブロ
ック３３の間に装着されるので、燃焼室内の圧力を前記
圧力導入口４３に導くことで気筒内の圧力変化を直接計
測することができる。上記本発明に係る光ファイバでは
小さな曲げ変形で大きな光量変化を得ることができるた
め、図８のように圧力変化に応じた小さな曲げ変形を一
箇所に与えるだけで大きなセンサ出力を得ることができ
る。本実施例では、エンジンのようにセンサの実装場所
の確保が難しく且つ熱や振動等による雑音要因の多い環
境でも、特別な構造の光ファイバを用いることで小さな
受圧構造で信号対雑音比の良好な圧力検出をできるよう
にしている。
実施例においては上記本発明に係る圧力検出用光ファイ
バ１０をエンジンヘッドガスケット３１の内部に受圧構
造と共に実装するようにしている。図８の例における受
圧構造は光ファイバを支えるおさえ板４１，ダイアフラ
ム板４２、及び圧力導入孔４３を有するダイヤフラムの
支え板４４から構成される。光ファイバは前記おさえ板
４１とガスケット３１それぞれに設けた溝４６を通るよ
うにしている。光ファイバが曲げ変形を受ける部分には
例えば高温下でも体積変化の少ないフッ素系の潤滑油を
併用してもよい。前記受圧部と光ファイバとを含むヘッ
ドガスケット３１はシリンダヘッド３２とシリンダブロ
ック３３の間に装着されるので、燃焼室内の圧力を前記
圧力導入口４３に導くことで気筒内の圧力変化を直接計
測することができる。上記本発明に係る光ファイバでは
小さな曲げ変形で大きな光量変化を得ることができるた
め、図８のように圧力変化に応じた小さな曲げ変形を一
箇所に与えるだけで大きなセンサ出力を得ることができ
る。本実施例では、エンジンのようにセンサの実装場所
の確保が難しく且つ熱や振動等による雑音要因の多い環
境でも、特別な構造の光ファイバを用いることで小さな
受圧構造で信号対雑音比の良好な圧力検出をできるよう
にしている。
【００３４】光ファイバを含む圧力検出部を上記ヘッド
ガスケットのようなエンジン構成部材を支持部材として
その内部に実装すると、センサ自体を取り扱い易いばか
りでなく、光ファイバ配線部分を揺れや振動から保護す
ることができるため、圧力の計測を安定におこなうこと
ができる。特にガスケットは冷却水の循環により温度的
にも安定した環境を提供できる。
ガスケットのようなエンジン構成部材を支持部材として
その内部に実装すると、センサ自体を取り扱い易いばか
りでなく、光ファイバ配線部分を揺れや振動から保護す
ることができるため、圧力の計測を安定におこなうこと
ができる。特にガスケットは冷却水の循環により温度的
にも安定した環境を提供できる。
【００３５】もちろん上記支持部材は必ずしもエンジン
の構成部材に限るものではない。一例として金属のパイ
プを光ファイバ配線部の支持部材とし、実装に応じた受
圧部をそれにつながるように固定することもできる。図
９に上記本発明第８の実施例としてそうした場合の実装
例を示す。図９では各受圧部４８ａ−ｈに接続された金
属性のパイプ４７ａ，ｂを光ファイバの支持部材として
いる。当該金属パイプの内部には光ファイバと共に振動
影響を緩和するための緩衝部材を封入するようにしても
よい。各受圧部構造は固定手段５１により計測位置に固
定される。図９には詳しく示していないが、圧力の漏れ
を防ぐために例えばオーリングをシール手段として併用
することもできる。もちろん各受圧部の形状は一般に圧
力計測対象に応じた形状に選ぶことができる。光ファイ
バの曲げに伴う光量変化を利用した圧力センサにおいて
は、当該光ファイバの配線の一部または全てを圧力検出
に適する形状に特定できる支持部材内部に実装すること
で機械的な揺れや振動影響を一般に低減することができ
る。
の構成部材に限るものではない。一例として金属のパイ
プを光ファイバ配線部の支持部材とし、実装に応じた受
圧部をそれにつながるように固定することもできる。図
９に上記本発明第８の実施例としてそうした場合の実装
例を示す。図９では各受圧部４８ａ−ｈに接続された金
属性のパイプ４７ａ，ｂを光ファイバの支持部材として
いる。当該金属パイプの内部には光ファイバと共に振動
影響を緩和するための緩衝部材を封入するようにしても
よい。各受圧部構造は固定手段５１により計測位置に固
定される。図９には詳しく示していないが、圧力の漏れ
を防ぐために例えばオーリングをシール手段として併用
することもできる。もちろん各受圧部の形状は一般に圧
力計測対象に応じた形状に選ぶことができる。光ファイ
バの曲げに伴う光量変化を利用した圧力センサにおいて
は、当該光ファイバの配線の一部または全てを圧力検出
に適する形状に特定できる支持部材内部に実装すること
で機械的な揺れや振動影響を一般に低減することができ
る。
【００３６】図１０に上記本発明第８の実施例に係る受
圧部の断面構造例を示す。ダイアフラム板４２の変位は
それにつながる圧力伝達ロッド５４を介して光ファイバ
の曲げに変換される。本受圧部構造においては光ファイ
バ１０に曲げを与える構造とダイアフラム構造が独立し
ているため、ダイアフラムの変位を大きくとりながら光
ファイバに曲げを与える構造を小さくすることが容易で
ある。
圧部の断面構造例を示す。ダイアフラム板４２の変位は
それにつながる圧力伝達ロッド５４を介して光ファイバ
の曲げに変換される。本受圧部構造においては光ファイ
バ１０に曲げを与える構造とダイアフラム構造が独立し
ているため、ダイアフラムの変位を大きくとりながら光
ファイバに曲げを与える構造を小さくすることが容易で
ある。
【００３７】図８あるいは図１０のように光ファイバを
三点で支持して曲げを与える受圧部構造においては光フ
ァイバに局所的な曲げを安定に与えながら機械的構造を
小さくすることができるため、高い周波数応答性を容易
に得ることができる。エンジンの燃焼圧力計測において
は１０〜２０ｋＨｚ程のノッキング信号を検出する必要
がある。本方式のセンサにおける周波数特性は支持され
る光ファイバの曲げが交流入力に対してどこまで追随で
きるかによって決まるが、例えば上記受圧部の支持側
（抑え板４１）の二点の間隔を２から３mm程度あるいは
それ以下に小さくすることで必要な周波数応答性を得る
ことができる。図８の例では光ファイバの支持間隔を小
さくするとそのままダイアフラム径も小さくなるが、そ
れと直交する方向のダイアフラム径を大きくすることで
前記ダイアフラムの変位量を確保することができる。図
１０の例では既述のように支持の間隔がダイアフラムの
有効寸法に影響しないため、周波数特性の確保とダイア
フラム変位の設定との両立が容易である。
三点で支持して曲げを与える受圧部構造においては光フ
ァイバに局所的な曲げを安定に与えながら機械的構造を
小さくすることができるため、高い周波数応答性を容易
に得ることができる。エンジンの燃焼圧力計測において
は１０〜２０ｋＨｚ程のノッキング信号を検出する必要
がある。本方式のセンサにおける周波数特性は支持され
る光ファイバの曲げが交流入力に対してどこまで追随で
きるかによって決まるが、例えば上記受圧部の支持側
（抑え板４１）の二点の間隔を２から３mm程度あるいは
それ以下に小さくすることで必要な周波数応答性を得る
ことができる。図８の例では光ファイバの支持間隔を小
さくするとそのままダイアフラム径も小さくなるが、そ
れと直交する方向のダイアフラム径を大きくすることで
前記ダイアフラムの変位量を確保することができる。図
１０の例では既述のように支持の間隔がダイアフラムの
有効寸法に影響しないため、周波数特性の確保とダイア
フラム変位の設定との両立が容易である。
【００３８】図１１に上記本発明第８，第１０の実施例
における受圧部構造での光ファイバ曲げ半径と当該光フ
ァイバの通過光量変化との関係を示す。光ファイバには
例えば図８において抑え板４１とダイアフラム板４２の
間で図９のＲｓに相当する曲げを与えるようにしてい
る。図１１のＲｏは通過光量が５０％変化する曲げ半径
を示す。光ファイバの曲げに伴う光量変化を利用する圧
力センサにおいては、図１１のようにＲｓ＝Ｒｏとなる
ようセンサの動作点を選び、且つセンサの動作域ΔＲｓ
が通過光量変化の線形な領内に収まるようにすれば、圧
力の変化を全域に渡ってリニアに捉えることができる。
この場合、印加圧力とセンサ出力との関係は図１１に示
すように直線的になる。Ｒｓの値は例えば図８の受圧部
の場合ダイアフラム突起高さを変えることで、またΔＲ
ｓの大きさはダイアフラムの変位量を変えることで調整
できる。
における受圧部構造での光ファイバ曲げ半径と当該光フ
ァイバの通過光量変化との関係を示す。光ファイバには
例えば図８において抑え板４１とダイアフラム板４２の
間で図９のＲｓに相当する曲げを与えるようにしてい
る。図１１のＲｏは通過光量が５０％変化する曲げ半径
を示す。光ファイバの曲げに伴う光量変化を利用する圧
力センサにおいては、図１１のようにＲｓ＝Ｒｏとなる
ようセンサの動作点を選び、且つセンサの動作域ΔＲｓ
が通過光量変化の線形な領内に収まるようにすれば、圧
力の変化を全域に渡ってリニアに捉えることができる。
この場合、印加圧力とセンサ出力との関係は図１１に示
すように直線的になる。Ｒｓの値は例えば図８の受圧部
の場合ダイアフラム突起高さを変えることで、またΔＲ
ｓの大きさはダイアフラムの変位量を変えることで調整
できる。
【００３９】図１２に上記本発明第９の実施例として、
上記本発明に係る光ファイバを用いることで可能となる
圧力センサの出力と印加圧力との関係を示す。本実施例
においては受圧部の光ファイバに与える初期の曲げ半径
ＲｓをＲｓ＜Ｒｏ且つセンサの動作域ΔＲｓが曲げ半径
の小さい側で通過光量変化の非線形になる領域に掛かる
ようにしている。この時入力圧力に対するセンサの出力
は図１２のように低い圧力に対しては線形に、また高い
圧力に対しては飽和の傾向にあるため、例えばエンジン
が燃料を吸入する場合にみられるマイナス１気圧程度の
負圧の正確な計測と、エンジン燃焼時の数十気圧の燃焼
圧力の広いダイナミックレンジでの計測とを両立するこ
とができる。即ち、信号処理に必要とされるＡ／Ｄ変換
の電圧枠内で広い範囲の圧力変化を捉えることができる
と同時に小さな圧力変化を線形応答域で精度よく捉える
ことができる。本実施例においては光ファイバの使用時
に必要な曲げが相対的にきつい方向にずれるため通常の
通信用光ファイバを使用する場合には折れてしまったり
あるいは折れない場合でもその寿命への影響が懸念され
たが、上記本発明に係る圧力検出用光ファイバにおいて
は既述のようにファイバ主要部の構造自体を調整して僅
かな曲げで大きな光量変化の生じるようにしているた
め、こうした問題を回避できる。加えてコア／クラッド
の比屈折率差を上記本発明第１，第２の実施例より更に
小さくするようにし、光ファイバのカットオフ波長を使
用する光源の波長から更に小さくするように選ぶと、例
えば図３の場合より更に大きな曲げ半径から必要に応じ
た光量変化を得るようにもできる。いずれの場合もセン
サの動作する曲げ半径を相対的に大きくとることができ
るため、光ファイバへの負担は小さいまま維持できる。
従って上記本発明の光ファイバと組み合わせることによ
り、図１２の光ファイバ曲げ条件を実用的なものとする
ことができる。
上記本発明に係る光ファイバを用いることで可能となる
圧力センサの出力と印加圧力との関係を示す。本実施例
においては受圧部の光ファイバに与える初期の曲げ半径
ＲｓをＲｓ＜Ｒｏ且つセンサの動作域ΔＲｓが曲げ半径
の小さい側で通過光量変化の非線形になる領域に掛かる
ようにしている。この時入力圧力に対するセンサの出力
は図１２のように低い圧力に対しては線形に、また高い
圧力に対しては飽和の傾向にあるため、例えばエンジン
が燃料を吸入する場合にみられるマイナス１気圧程度の
負圧の正確な計測と、エンジン燃焼時の数十気圧の燃焼
圧力の広いダイナミックレンジでの計測とを両立するこ
とができる。即ち、信号処理に必要とされるＡ／Ｄ変換
の電圧枠内で広い範囲の圧力変化を捉えることができる
と同時に小さな圧力変化を線形応答域で精度よく捉える
ことができる。本実施例においては光ファイバの使用時
に必要な曲げが相対的にきつい方向にずれるため通常の
通信用光ファイバを使用する場合には折れてしまったり
あるいは折れない場合でもその寿命への影響が懸念され
たが、上記本発明に係る圧力検出用光ファイバにおいて
は既述のようにファイバ主要部の構造自体を調整して僅
かな曲げで大きな光量変化の生じるようにしているた
め、こうした問題を回避できる。加えてコア／クラッド
の比屈折率差を上記本発明第１，第２の実施例より更に
小さくするようにし、光ファイバのカットオフ波長を使
用する光源の波長から更に小さくするように選ぶと、例
えば図３の場合より更に大きな曲げ半径から必要に応じ
た光量変化を得るようにもできる。いずれの場合もセン
サの動作する曲げ半径を相対的に大きくとることができ
るため、光ファイバへの負担は小さいまま維持できる。
従って上記本発明の光ファイバと組み合わせることによ
り、図１２の光ファイバ曲げ条件を実用的なものとする
ことができる。
【００４０】図１３に上記本発明第１０の実施例として
本発明に係る圧力検出用光ファイバをエンジンの多気筒
内圧計測に適用する場合の構成概念図を示す。圧力検出
用光ファイバ１０はヘッドガスケット３１の中に実装さ
れている。各受圧部５３ａ，ｂ，ｃ，ｄには例えば図８
に示す構造を採ることができる。燃焼圧力はシリンダボ
アグロメット３４に設けた圧力導入溝３５を経て前記各
受圧部に導くようにしている。本実施例においても部分
的な曲げに対して大きな光量変化を示す光ファイバを使
用することで、周波数応答性のよい小型な受圧部であり
ながら雑音に強い大きなセンサ出力を得ることができる
ようにしている。これは複数の気筒の内圧計測において
特に重要である。
本発明に係る圧力検出用光ファイバをエンジンの多気筒
内圧計測に適用する場合の構成概念図を示す。圧力検出
用光ファイバ１０はヘッドガスケット３１の中に実装さ
れている。各受圧部５３ａ，ｂ，ｃ，ｄには例えば図８
に示す構造を採ることができる。燃焼圧力はシリンダボ
アグロメット３４に設けた圧力導入溝３５を経て前記各
受圧部に導くようにしている。本実施例においても部分
的な曲げに対して大きな光量変化を示す光ファイバを使
用することで、周波数応答性のよい小型な受圧部であり
ながら雑音に強い大きなセンサ出力を得ることができる
ようにしている。これは複数の気筒の内圧計測において
特に重要である。
【００４１】図１４に上記本発明第１１の実施例とし
て、上記本発明に係る光ファイバを用いた圧力センサの
出力と印加圧力との関係に関する別の例を示す。本実施
例では受圧部の光ファイバに与える初期の曲げ半径Ｒｓ
をＲｓ＞Ｒｏ且つセンサの動作域ΔＲｓが曲げの大きい
側で通過光量変化の非線形になる領域に掛かるようにし
ている。この時、入力圧力に対するセンサの出力は図１
４のように高い圧力に対しては線形性を保ちつつ、且つ
光ファイバの設定全体をより曲げのゆるい方向にずらす
ことができる。これにより、例えば図１３の構成におい
てエンジンの燃焼圧力の変化を正確に計測しながら光フ
ァイバへの機械的負担を軽減できるため、一般に長期的
に安定で正確な圧力計測を期待することができる。本実
施例は、例えば図２の光ファイバのように構造が複雑で
機械的強度が若干落ちるものの圧力センサとして的確な
感度の得られる光ファイバを長期間安定に使用する場合
に適する方法であると言える。上記本発明に係る光ファ
イバでは大きな通過光量変化を得るために光ファイバが
折れるほど厳しい曲げを与える必要がないため上記のよ
うな光ファイバの曲げに関する設定条件を状況に応じて
変更することが容易である。
て、上記本発明に係る光ファイバを用いた圧力センサの
出力と印加圧力との関係に関する別の例を示す。本実施
例では受圧部の光ファイバに与える初期の曲げ半径Ｒｓ
をＲｓ＞Ｒｏ且つセンサの動作域ΔＲｓが曲げの大きい
側で通過光量変化の非線形になる領域に掛かるようにし
ている。この時、入力圧力に対するセンサの出力は図１
４のように高い圧力に対しては線形性を保ちつつ、且つ
光ファイバの設定全体をより曲げのゆるい方向にずらす
ことができる。これにより、例えば図１３の構成におい
てエンジンの燃焼圧力の変化を正確に計測しながら光フ
ァイバへの機械的負担を軽減できるため、一般に長期的
に安定で正確な圧力計測を期待することができる。本実
施例は、例えば図２の光ファイバのように構造が複雑で
機械的強度が若干落ちるものの圧力センサとして的確な
感度の得られる光ファイバを長期間安定に使用する場合
に適する方法であると言える。上記本発明に係る光ファ
イバでは大きな通過光量変化を得るために光ファイバが
折れるほど厳しい曲げを与える必要がないため上記のよ
うな光ファイバの曲げに関する設定条件を状況に応じて
変更することが容易である。
【００４２】以上、上記本発明に係る光ファイバとその
応用を、主に自動車エンジンの気筒内圧計測の場合につ
いて見てきたが、もちろん本発明に係る圧力検出用光フ
ァイバの応用は上記応用例に限るものではない。受圧部
の機械的構造を小型にして実装性を高めたり、同時に高
い周波数応答性を得たり、あるいはまた光ファイバに要
求される曲げ歪を小さくして長期間の使用を可能にする
ことは光ファイバの曲げに伴う光量変化を検出する圧力
センサに基本的な課題であり、その応用によらず共通の
問題と言える。上記本発明においては光ファイバ自体の
構造変更を中心にこれらを解決するようにしている。
応用を、主に自動車エンジンの気筒内圧計測の場合につ
いて見てきたが、もちろん本発明に係る圧力検出用光フ
ァイバの応用は上記応用例に限るものではない。受圧部
の機械的構造を小型にして実装性を高めたり、同時に高
い周波数応答性を得たり、あるいはまた光ファイバに要
求される曲げ歪を小さくして長期間の使用を可能にする
ことは光ファイバの曲げに伴う光量変化を検出する圧力
センサに基本的な課題であり、その応用によらず共通の
問題と言える。上記本発明においては光ファイバ自体の
構造変更を中心にこれらを解決するようにしている。
【００４３】
【発明の効果】本発明によれば、光ファイバを用いた圧
力計測で、光ファイバの小さな曲げ変形で大きな光量変
化を得ることができるため、圧力センサとしての精度向
上が図れる。
力計測で、光ファイバの小さな曲げ変形で大きな光量変
化を得ることができるため、圧力センサとしての精度向
上が図れる。
【図１】本発明第１の実施例に係る光ファイバの断面図
とその屈折率分布を示す説明図である。
とその屈折率分布を示す説明図である。
【図２】本発明第２の実施例に係る光ファイバの断面図
とその屈折率分布を示す説明図である。
とその屈折率分布を示す説明図である。
【図３】本発明第１，第２の実施例に係る光ファイバの
曲げに対する光損失特性を示す図である。
曲げに対する光損失特性を示す図である。
【図４】本発明第３の実施例に係る光ファイバとその保
護コートを示す断面図である。
護コートを示す断面図である。
【図５】本発明第４の実施例に係る光ファイバとその保
護コートを示す断面図である。
護コートを示す断面図である。
【図６】本発明第５の実施例に係る光ファイバとその保
護コートを示す断面図である。
護コートを示す断面図である。
【図７】本発明第６の実施例に係る光ファイバとその外
径寸法の設定に関する説明図である。
径寸法の設定に関する説明図である。
【図８】本発明第７の実施例に係る圧力センサ用光ファ
イバのエンジン実装例とその受圧部構造を示す説明図で
ある。
イバのエンジン実装例とその受圧部構造を示す説明図で
ある。
【図９】本発明第８の実施例に係る光ファイバの支持構
造を示す説明図である。
造を示す説明図である。
【図１０】本発明第８の実施例に係る受圧部構造を示す
説明図である。
説明図である。
【図１１】圧力センサ用光ファイバの曲げ半径の設定と
センサ出力特性との関係を示す説明図である。
センサ出力特性との関係を示す説明図である。
【図１２】本発明第９の実施例に係る圧力センサ用光フ
ァイバの曲げ半径の設定とセンサ出力特性との関係を示
す説明図である。
ァイバの曲げ半径の設定とセンサ出力特性との関係を示
す説明図である。
【図１３】本発明第１０の実施例に係る圧力センサ用光
ファイバを用いたエンジンの多気筒内圧計測システムを
示す説明図である。
ファイバを用いたエンジンの多気筒内圧計測システムを
示す説明図である。
【図１４】本発明第１１の実施例に係る圧力センサ用光
ファイバの曲げ半径の設定とセンサ出力特性との関係を
示す説明図である。
ファイバの曲げ半径の設定とセンサ出力特性との関係を
示す説明図である。
【図１５】光ファイバの変形に伴う光損失とＶ値との関
係を示す説明図である。
係を示す説明図である。
【図１６】本発明に係る試作光ファイバの断面プロファ
イルの測定例である。
イルの測定例である。
【図１７】光ファイバの断面直径と寿命との関係の一例
を示す説明図である。
を示す説明図である。
１０…圧力検出用光ファイバ、１１…光ファイバコア、
１２…光ファイバクラッド、１３…ジャケット構造、１
４…サポート構造、１５…通信用光ファイバ、２０…光
ファイバ保護用コート、２１…応力緩和層、２２…ポリ
イミド系樹脂による保護用コート、２３…金属による保
護用コート（内層）、２４…金属による保護用コート
（外層）、３１…ヘッドガスケット、３２…シリンダヘ
ッド、３３…シリンダブロック、３４…シリンダボアグ
ロメット、３５…圧力導入溝、４１…光ファイバのおさ
え板、４２…ダイアフラム、４３…圧力導入口、４４…
ダイアフラムの支え板、４５…補助板、４６…光ファイ
バ溝、４７ａ，ｂ…光ファイバ支持手段（金属パイ
プ）、４８ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈ…受圧部、
５１…受圧部を固定するための手段、５２…圧力伝達ロ
ッド、５３…圧力伝達ロッドを支持する構造、６０…光
源と受光手段を含むモジュール、６１…光源、６２…受
光器、７０…タイミング参照信号、８０…信号処理手
段。
１２…光ファイバクラッド、１３…ジャケット構造、１
４…サポート構造、１５…通信用光ファイバ、２０…光
ファイバ保護用コート、２１…応力緩和層、２２…ポリ
イミド系樹脂による保護用コート、２３…金属による保
護用コート（内層）、２４…金属による保護用コート
（外層）、３１…ヘッドガスケット、３２…シリンダヘ
ッド、３３…シリンダブロック、３４…シリンダボアグ
ロメット、３５…圧力導入溝、４１…光ファイバのおさ
え板、４２…ダイアフラム、４３…圧力導入口、４４…
ダイアフラムの支え板、４５…補助板、４６…光ファイ
バ溝、４７ａ，ｂ…光ファイバ支持手段（金属パイ
プ）、４８ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈ…受圧部、
５１…受圧部を固定するための手段、５２…圧力伝達ロ
ッド、５３…圧力伝達ロッドを支持する構造、６０…光
源と受光手段を含むモジュール、６１…光源、６２…受
光器、７０…タイミング参照信号、８０…信号処理手
段。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 文野 高之 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者 坂口 龍範 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者 笹山 隆生 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内
Claims (16)
- 【請求項１】少なくとも一本の光ファイバは光を伝搬さ
せるための主要部と、該主要部を保護するための保護用
コートとから成り、該光ファイバに光学的に接続された
発光手段と、該光ファイバの通過光または反射戻り光を
検出する受光手段と、該光ファイバの少なくとも一部に
被計測圧力に応じた曲げを与える手段とを具備し、該光
ファイバの形状変化に伴う光損失から圧力計測をする光
ファイバ圧力センサにおいて、前記光ファイバの正規化
周波数（Ｖ値）を該光ファイバの単一モード条件を与え
る正規化遮断周波数の９０％より小さくして使用したこ
とを特徴とする光ファイバ圧力センサ。 - 【請求項２】請求項１に記載の光ファイバ圧力センサに
おいて、上記光ファイバの主要部はほぼ均一な屈折率を
有するコア（光が閉じ込められ伝搬する部分）とクラッ
ド(コアの外側を占める構成部）とを有し、上記正規化
周波数（ｖ値）をほぼ１.０から２.０ の間としたこと
を特徴とする光ファイバ圧力センサ。 - 【請求項３】請求項１に記載の光ファイバ圧力センサに
おいて、上記光ファイバの主要部はほぼ均一な屈折率を
有するコア（光が閉じ込められ伝搬する部分）とクラッ
ド（コアの外側を占める構成部）とを有し、当該コアと
クラッドとの比屈折率差をほぼ０.１５％から０.２５％
の間とし、また当該コアとクラッドとを有する光ファイ
バのカットオフ波長をほぼ０.５μｍから０.６μｍの間
としたことを特徴とする光ファイバ圧力センサ。 - 【請求項４】請求項１ないし３のいずれかに記載の光フ
ァイバ圧力センサにおいて、上記光ファイバの主要部は
当該主要部内部に予め歪を与えるための構造を具備した
ことを特徴とする光ファイバ圧力センサ。 - 【請求項５】請求項４に記載の光ファイバ圧力センサに
おいて、上記歪を与えるための構造はコア・クラッド部
の外側に設けたジャケット構造と該ジャケット構造を保
持し光ファイバの形を与えるサポート構造から成ること
を特徴とする光ファイバ圧力センサ。 - 【請求項６】請求項１ないし５のいずれかに記載の光フ
ァイバ圧力センサにおいて、上記保護用コートはポリイ
ミド系樹脂であることを特徴とする光ファイバ圧力セン
サ。 - 【請求項７】請求項１ないし５のいずれかに記載の光フ
ァイバ圧力センサにおいて、上記保護用コートは積層す
る一種類以上の金属であることを特徴とする光ファイバ
圧力センサ。 - 【請求項８】請求項１ないし５のいずれかに記載の光フ
ァイバ圧力センサにおいて、上記保護用コートは上記ポ
リイミド系樹脂とその上に積層する一種類以上の金属か
ら成ることを特徴とする光ファイバ圧力センサ。 - 【請求項９】請求項１ないし８のいずれかに記載の光フ
ァイバ圧力センサにおいて、上記光ファイバの保護用コ
ートを除く主要部外径寸法を１２５μｍより小さくした
ことを特徴とする光ファイバ圧力センサ。 - 【請求項１０】請求項１ないし９のいずれかに記載の光
ファイバ圧力センサにおいて、上記保護用コートと光フ
ァイバ主要部との間に応力緩和層を設けたことを特徴と
する光ファイバ圧力センサ。 - 【請求項１１】請求項１０に記載の光ファイバ圧力セン
サにおいて、上記応力緩和層は上記光ファイバ主要部に
付着積層させた炭素系材料から構成されることを特徴と
する光ファイバ圧力センサ。 - 【請求項１２】請求項１ないし１１のいずれかに記載の
光ファイバ圧力センサにおいて、上記曲げを与える手段
を、二点で支えられた上記光ファイバの間を残りの一点
で押す構造（三点支持による曲げ構造）としたことを特
徴とする光ファイバ圧力センサ。 - 【請求項１３】請求項１２に記載の光ファイバ圧力セン
サにおいて、上記光ファイバの少なくとも一部を該光フ
ァイバの配線形状を特定できる支持部材内部に実装した
ことを特徴とする光ファイバ圧力センサ。 - 【請求項１４】請求項１３に記載の光ファイバ圧力セン
サにおいて、上記支持部材はヘッドガスケット，ボル
ト，点火プラグ等のエンジン構成部材であることを特徴
とする光ファイバ圧力センサ。 - 【請求項１５】請求項１１ないし１４のいずれかに記載
の光ファイバ圧力センサにおいて、上記曲げを与える手
段は上記光ファイバの通過光量がほぼ線形に減少する中
心位置よりも設定初期の曲げが緩くなるようにし、セン
サの動作域が通過光量変化の非線形となる領域にかかる
ようにすることで、高い印加圧力については線形域で応
答する一方低い印加圧力については非線形性の強い領域
で応答するように、予め前記光ファイバに曲げ変形を与
えるようにしたことを特徴とする光ファイバ圧力セン
サ。 - 【請求項１６】請求項１１ないし１４のいずれかに記載
の光ファイバ圧力センサにおいて、上記曲げを与える手
段は上記光ファイバの通過光量がほぼ線形に減少する中
心位置よりも設定初期の曲げがきつくなるようにし、セ
ンサの動作域が通過光量変化の非線形となる領域にかか
るようにすることで、低い印加圧力については線形域で
応答する一方高い印加圧力については非線形性の強い領
域で応答するように、予め前記光ファイバに曲げ変形を
与えるようにしたことを特徴とする光ファイバ圧力セン
サ。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7259740A JPH09101225A (ja) | 1995-10-06 | 1995-10-06 | 光ファイバ圧力センサ |
| US08/725,819 US5745611A (en) | 1995-10-06 | 1996-10-07 | Optical fiber pressure sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7259740A JPH09101225A (ja) | 1995-10-06 | 1995-10-06 | 光ファイバ圧力センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09101225A true JPH09101225A (ja) | 1997-04-15 |
Family
ID=17338296
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7259740A Pending JPH09101225A (ja) | 1995-10-06 | 1995-10-06 | 光ファイバ圧力センサ |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5745611A (ja) |
| JP (1) | JPH09101225A (ja) |
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1995
- 1995-10-06 JP JP7259740A patent/JPH09101225A/ja active Pending
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1996
- 1996-10-07 US US08/725,819 patent/US5745611A/en not_active Expired - Lifetime
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Also Published As
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|---|---|
| US5745611A (en) | 1998-04-28 |
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