JPS58113716A - カルマン渦流量計 - 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】 （→　−明の属する技術分野の説― 本弛明社、流量針又は流速針に関し、特に、光フアイバ
素子を通過する光の機械的な変調装置を利用し九カルマ
ン渦流量針又は流速針に関する。

更に詳しく社、光の変調方法として、従来、単緒晶に電
場をかけて偏光面の回転を利用した電気光学光変調方式
あるいは圧電現象を利用して媒体の屈折率を変化させる
音響光学光変調方式が光通信関係で実用化されているが
、本弛明は、力又は変位等の機械的な入力で光ファイバ
の通過光量を変論する純ｍ械的な変調方式を使用し良流
速計オ九は滝蓋針に−するものである。

（ロ）　−明の背景の説明 ｍ　Ｉ　Ｅ　（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）は従来における光
７アイパの機械的な通過光量変調方法を示している０図
において、１社入力光ファイバ、２は出力光ファイバ、
３はシャッタを夫々示す。

１１！１図（１）はシャッタ３の優位りを機械的に加減
し、出力光ファイバ２０通過光量を変調する方式第１図
（ｂ）は芯ずれ型の変調方法であ）、芯ずれ量りを加減
して光を変調する。

１１１１図（Ｃ）は角度ずれ癩であ）、角度−を加減し
て光を変調すゐ。

その他の方法として、同軸上に端間を崗自会わせ先光フ
ァイバの端面間距離を加減して光を変調する方式、又は
光７アイパの−げによる損失の増加を利用する方法等も
あるが、これらの方法は一般に感度が悪く、それ福利用
されてはいない。

第１図の入力、出力用光ファイバ１１２の代表的寸法と
Ｌ　Ｙ：、　、”　７　％　１００４ｍ、コアよ＊４ｍ
折率の低いクラッドの径は１５ＧＰｍ＠ｉ度のものが多
い。

コア、クラッドとして、石英を利用し九無機系のものと
、アクリル１１１１等を利用し九有機系のもの、あるい
は、コアに石英を利用し、クラッドにシリコン＊＊ｔ＊
用し九無機、有機の綴金せ薯が使用されている。を九、
コア内の屈折率が一定なマルチセード・ステップインデ
ックス蓋ファイバと、コアの中心はど屈折率の大きくな
ったｉルチ毫−ドーグレーデイツトインデックス１ｌｉ
ｙアイパとがある。

これらの外に、；ア径が数μｍというように極端に細く
なったシングルモード薯ファイバも存在する。

本−明に使用される機械的光変調装置においては上記の
どの溜の７アイパでも使用で會るが、最後のシングルセ
ード１１ファイバは光コネクタの芯金せが困−な丸めに
、実用土一点かあ為。

クラッドを含め先光ファイバの外通Ｆ１１５０Ｆｍ程直
であるので、１１１図のような変１１１７ｉ式を構成す
る鳩舎の光ファイバの３合せが―しい、うまく合つ九に
しても、その状態を保持するのが同機に難しい、光ファ
イバの端面へのごみの付着に対しても弱い、端間への結
露等でも障害が起電る。又、水、その他の液体中で使用
しようとすると、水あかの穐生、気泡の端面への付着等
によ）短時間で障害を受けてしまうのｔＩＡＩＩ状であ
る。

結局のとζろ、１１１１図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）に示
すよう傘従来の方式社研究寵尋の好環境下で短時間だけ
使用できるに過ぎない。

本−明考は先行技術に内在する上記欠点を解消せんとし
て鋭意研究、検討し九結果、弾性体の顔孔内にｓｉ及び
ＩＩ２の光ファイバを挿入し、蒙■１及び第３の光ファ
イバの両端面間を一定距離だけ離隔して光７アイパが存
しない光変調空間を構成し、該光変調空間の弾性的−け
により通過光量を変調することを特徴とし九機械的光変
調装置を発明し、しかして、芯会せ等の厄介な操作を必
要とする仁とがなく、シかも墨濃境下ても経年的に劣化
することのない、信馴性の高い新規な機械的光変調装置
を開−した。この光変調装置は本出願と共願の特許１１
５５−１５４８１４９明細書に記執され九−明である。

次に本−明の基礎となる上記機械的光変調装置について
図Ｗｉを参照しながら具体的に説明しよう。

＠２ａｇｌｔｉ上記機械的光質Ｉ４値電の原塩的構成図
である６図において、参＊ｉ＊ｓｉｉは入力光ファイバ
、　１２は出力光７アイノ（，１４は光７アイノ＜１１
，１２が通る毛細管を夫々示している。入出力光ファイ
バ１１．１２の端１１ｉ１５．１６間には光７アイノ（
が存在しない、後述されるように、光は端Ｅ１１５．１
６間の空間でｆＩｌｌされるので、以下この空間を変Ｉ
ｌｌ！！間と定義する。毛細管１４ｔｉ金属ま九社プラ
スチック材料等により形成される。入出力光コアイノ（
１１％　１２はコアにクラッドがなされているが、１１
２１ｉｉｉ１で拡りラクドは省略されている。

今、ここで、入力光ファイバ１ｉｔ−固定し、出力光７
アイパ１２を１１２図の破線にて示すように角度−だけ
−げると、変調空間が砿−のように−ｐ１出力７アイパ
１ｚの通過光量が減少する。

出力光ファイバ１２の振れ角＃を角周波数−で−ｍ＃ｍ
１ｉｎｓｔで振動させ友場合を暮ａｌｌ（ａ）に示して
いる。この場合の通過光量を１１３　Ｉｔ　（ｂ）に示
す。

粗面化するか又は黒色塗料を論って黒化し九場合を示し
ている。入出力ファイバ１１．１２がｓ２図のように−
［Ｉｔ上にある場合に限り光が通過する。

わずかの振れ角があると、光は毛細管内−で徴収されて
しまい、出力光量がイロになってし壕うので、−線入の
ようにシャープなパルス状出力になる。嬉３図伽）の曲
線Ｂは毛細管１４の内壁の黒化度を落し九楊金を示して
いる。この場合に紘、内壁で反射し九九の一部が出力光
７アイパ１２に入るので、出力光量が増加してｉる。Ｉ
ＩＩＩｌｌＩＣＦｉＪ＠顔管１４の内壁をｆ＊は顔面１
４た鳩舎面木す、仁の場合には、通過光量が更に増加す
るが、毛細管内−での光の徴収が殆んどないために、光
は闘スなしに通過し、１ＩＩＩＩＣ中の交流成分が小さ
くなってし★う。

後述するように、本斃明において社この交流成分□ を利用するので、１１１ＩＩＣは好ましくない、従って
出力液形中の交流会を大きくするような適度の黒化度が
必豐である。

１１８図（ｂ）から明らかなように、機械的角周波数は
−であるが、出力光量中の交流会の基本技の角周波数は
２−になる、このような振れ角変調器で実用上型１１１
ｋＪＩＬ＃ｉ、通過光量中の交流会が大きいこと、微小
な振れ角で光量が急変することの二点である。

一般にマルチモード・ステップインデックス個ファイバ
を白色光龜で使用すると、ｆｌ１２ＷＪの端面腸から射
出される光は頂角約２０＠で変調９関円を＝−ン状に広
がってしまう、その丸めに、出力ファイバが入力ファイ
バと一直纏上にあっても、出力ファイバの端面１−に入
る光はわずかなものになり、大部分は毛細管１４の内壁
で吸収されてしまう、：１−ン状の光の広が聾を少なく
するには、入力７アイパの端１ｉｉ１Ｂに隣接して微小
な集光レンズを置くのは有効である。出力ファイバの端
面１６のＩ［＃にレンズを配置するのも亦有効である。

レンズと等価的な作用をするロンドレンズを配置するの
も有効である。入出力光ファイバの両端面間に、コアと
屈折率のマツチし九透明な１体又は筐体を満すの４亦効
果的であゐ、このような媒体ｔｉ隻金銅と呼ばれる。光
の広がりを防止すると共に端面での７レネル反射損を減
少させる。

＠３図の破線１７に示すように、変調空間のｊ＠細管を
紙面に喬厘な平面により押しつぶして、光路をせばめる
と、わずかの撮れ角の変化で光量が急変し、出力波形が
パルス状に１ヤ、後続のＩＩｌ形整形が有利になる。参
照書号１７のように押しつぶすと、曲げ角−によ）毛細
管の表面に弛生ずる応力が減少し、振動による４１１Ａ
管の疲労破損の点でも有利になる。押しつぶす代如に、
変調空間を引自伸して変調空間の円形断面積を小さくし
ても同機な効果がある。

ｍｉｓの出力光７アイパの端１１１６に反射鋺を置けば
、入力光ファイバ１１かもの光が再び入力光７アイパ１
１に戻る。この戻）の光は中は）振れ角−で変調される
。戻り光は入射光から簡単に分離できるので、この反射
方式では、出力光７アイパ１２は不要となり、入力光７
アイパが出力光７アイパを兼用し、一本のファイバです
むことになる。

上記説明で明らかなように、光７アイパを４１１管中に
通すことによ如、その毛細管によって入出力光ファイバ
の芯が自動的に一致してしまうので、従来における如き
わずられしい芯合せの操作が必賛ない、一旦毛細管中に
挿入され走光ファイバの芯及び趨向は毛細管１４に保躾
されるから、経年的に劣化することがない、即ち、変調
空間は毛細管騙により保饅されているので、ごみ又は結
露部によシ劣化することがなく、悪環境下でも高い信頼
性を一層することができる。また、４＃ｌ管１４の材質
の１択により、腐蝕性の気体、液体中でも十分な信頼性
を持って動作するので、その実用土の効果が大きい、更
に壕九、変調空間の領域内における毛細管をつぶして光
路ｔせばめることにより、わずかな振れ角の変化により
光変調が可能な点も実用上極めて有刹な効果がある。

輪２−は本−明に使用される機械的光変調装置の最も簡
革な一例であるが、振れ角−を大きくとｐ１光スイッチ
の作用を持たせれば、複数−の変調空ｌ＆Ｉｌ會鳳列、
並列にｉＩ絖することによって、ＯＲ回隆、ＡＮＤ回路
、その他の一層回路が構成できるので、複数−の機械的
入力に応答する複雑な一層回路が輿現できる。このよう
な光スィッチでは、あらかじめ変調空間を＊けて、光を
線断状−にしておき、機械的入力で入出力光７アイパを
一厘線上になるようにして光を通過させる方式（常ＩＦ
ＩＩｉ点）と、これの逆である機械的入力で変調空間を
ｌＩ！ｌける方式（常ＩＩ接点）とがある。

以上説明した構成例においては、説明の便宜上、毛細管
を使用し九が、毛細管線不可欠のもので線ない０例えば
、細孔をうがつ大弾性体内にズ出力光ファイバを対向さ
せて変調空間を構威し、弾性体を−げれば、＠細管と同
じように、光が変調されることは明らかである。

爾、＊１１ｇ１において、出力光ファイバ１２の端面１
６を出力光７アイパ１２の中心軸に対して斜めにカット
しておくと、振れ角＃ｓａ＋＋＃ｍ５ｉａ・１で１ａ動
させ１ 九場合の出力光の交流会の基本角周腋歇を２−ではなく
、・にすることもで自る。

さて、カルマン渦を胸用しえ従来のこの種鋳面として、
カルマン渦を熱的に検出するもの、蓋圧として検出する
もの、超音波で検出するもの、渦による尾翼振動１に電
気的に検出するもの、カルマン＃１ｌｌｖｈ生の反作用
として渦尭生体に作用する交喬力を圧電素子又はストレ
ンゲージで調定するもの等がある。これらの方式はそれ
ぞれ一長一短があるが、共通的な欠点として次の（１）
〜（４）があげられる−０ （１）、概して複雑であると共に、ｉＩ［ＩｊｌＪであ
る。

（２）、電気的方式を使っているために、爆弛に対する
安全性に問題がある。

（３）、上記（２）と同じ塩出で、亀−気的な誘導に弱
い。

（４）、小口径の滝量掬定が苦手であり、内径約５０ｍ
ｍ１ｉ度が最小である。

（Ｃ）　　−明の目的の説明 本穐明は先行技術の上記実情に着目し、この樵の技術に
内在する上記諸欠点を解消する為になされたものであシ
、従って本抛明の目的は、モールドにより一体成形七可
能とし、極めて原価に構成することかで龜ると共に、爆
−に対して本質的に資金であり、しかも電磁気的誘４を
除去され九新規な流量針又は流速計を提供することにあ
る。

（ｄ）　　−明の構成 上記目的を達成する為に、本−明に係るカルマン渦流量
針は、流体の流れに直角に配置されたカルマン渦−生体
と、該カルマン渦斃生体の下ａｍに取付けられ九振動尾
翼とを具備し、蘭記渦穐生体と振動尾翼の接続部ま九は
前記尾翼内に、弾性体の細孔内にｆＭｌ及び１１Ｍ２の
光ファイバを挿入し１１１１１１１及び＄１２の光ファ
イバの両端面間を一定距離だけ離隔して光ファイバが存
しない光変調空間を形成し走光変調装置を設けて構成さ
れ、卿記尾翼の振動により前記変調空間を弾性的に変形
させて前記光７アイパ閤の通過光量を変調することを特
徴としていゐ。

（４５）　　尭明の実施例の説明 次に本抛明をその好ましい一実施例について一１１ｉｉ
ｔ−参照しながら異体的に説明する。

第４１１線＠２図に示し＊、機械的光変調装置をカルミ
ン渦流量針に適用し九本弛明の一実施例を示す断面図で
ある。＃Ｉ６図鉱謳４図の右側パイプを外し友場合の側
面図、ＩＩ６図社箇４図の６−６線に沿って切断し矢印
の方向に見え断面図　１１７図は光変調部分の拡大断１
１１１図である。

１１４図〜１１７図において、参照番号３０線パイプを
示し、このバイブ３０内ｔｆｌｔ体が矢印３１の方向に
流れる。パイプ３０の端部に形成された７ランジ３２に
よりリング状ガスケット３３をはさみ、ボルト３４で固
定している。リング状ガスケット３３の内径線パイプ３
０の内径に等しくなっている。流体の流れに対して直角
に且つ直径方向にカルマン渦−生体３５が挿着されてい
る。渦動生体３５０両端は接続体３６によ）前記リング
状ガスケット３３に固着されている。カルマン渦−生体
３５は、１１６図に示されるように、断面が台形状に形
成され、あるレイノルズ数の範囲内で規則的なカルマン
渦列３７を一生する。

ここで、渦列３７の侘生周波数をｆ１バイグ３０内の流
体の平均流速をマ、渦殉生体３５の幅ｔ−Ｄとすると、
ＪＩＩＩ獣数ｆは、 ｆ　＝　８　ｔ−ｖ−−−−−−−−−−−−−−−−
−−−−（１）■ で表わされる。但し、８ｔはス）ａ−ハル数と呼ばれる
無次元量であって、約０．１８の値を持つ定数である０
周波数ｆと平均流速マは正比例関係にあるので、周液数
ｆｔ−一定する仁とにょヤ、平均流速Ｖ、すなわち、流
体の流量を知ることができる。

また、逆に、流体の流量又は流れの速度ｔｔ化させるこ
とによｐ１周周液数、すなわち、変調周波数が変化する
から、本−明になるカルマン流量計はそのミオ光変調装
置として使用し得ゐとと紘明白である。

カル！ｙ−−生体３！ｓの下滝惰に杜、尾翼３８が亀付
けられてい為０尾翼３８と渦−生体ａｇ＃）＠続郁には
くびれ１１３９が形成されている。カルマン渦の一生周
液数に応じた周液数で尾５ｇ５ａ＃ｉ矢印４ｏのように
振動する。愈４１がある丸めに、尾翼８ｓの振動線更に
容重になる。

入力光７アイパ１１が光；ネタタ（−示せずンを経由し
て渦−垂体３ｓ内を砿−にて示すように過宴れている。

入力光７アイパ１１から入力され九入力光はくびれ部３
９で変調を受けて出力光７アイパ１２から外部へ取出さ
れる。

１１７ＩＱはくびれ１１８９の拡大断面図である。渦−
生体３！ｓと尾翼３８間のくびれ部３９内を＠細管１４
が通されている。入力光ファイバ１１と出力光ファイバ
１２が毛細管１４内を通され、それらの端面間に変調空
間４２を構成している０尾翼おの振動による変調空間４
２の曲り（弾性変形）のために、通過光量が変調される
。

渦−生体３５、尾翼３Ｂ勢の材質は被側定流体で決まる
ことになるが、金属よりもプラスチックの力が鑑壇しい
、１１４図〜箒６図から明らかなように渦−生体３５及
び尾翼３８はパイプ３０の中心軸に対して軸対称になっ
ているので、グラスチック材料で一体成形するのが１！
島である。プラスチック材料として、ポリアセタールｍ
ａｒ、ポリプロピレン倒■又は弗素１１１８１等が適度
の弾性係数、耐蝕性の点で有利である。ゴム勢のエラス
トマを遍している。

友だし、渦−生体が振動するのは好普しくないので、そ
の鳩合には振動防止用リプを挿入する必畳がある。

１１７図の毛細管１４は不可欠ではないが、金属毛細管
にあらかじめ光７アイパを通しておい友方がモールド作
秦が容易である。

＠４図〜ｍｓｇはパイプ内の流連欄定例を承しているが
、変形として、渦−生体を棒状に長く形成し、その先端
に尾翼を取付炒れば、大気中の”風速の一定もできる。

を友、長い渦−生体に複数−の尾翼を取付ければ、流速
分布の一定も可能であり、水路等の流速分布の一定に便
利である。

カルマンＷ４−生体８ｓの断Ｗ形状は、本ｌＩ論例にお
いては５ｆａｓ図に見られるように、台形蓋に形成され
ているが、台形型に限らず、円形、三角形等積々の形状
を採参得る４のてあ〉、賛は広いレイノルズ数範囲でカ
ルマン渦を安定に一生するものであれば嵐い。

また、１１４１１〜１１７１１のくびれ部３９、廖４１
は不可欠のもので杜なく、これら社設け７な（てもよい
。

一定範囲を広げようとすゐと、必然的に尾翼３１Ｂ、く
びれ部３９が弱くなる。生産工椙中又紘過大λカ時の破
損を防止するために、尾ａＳＳの＊＊＊＠ｔ制限するス
トッパを必要に応じて設置することは実用上有用である
。＊記説明ではこのストッパは省略されている。

前記し九本ｌｌＩ論例では、くびれ部３９によ）光を変
調し友が、代９に、尾翼全体を柔らかく形成して−がシ
やすくすれば、光変調部を尾翼内で構成しても良いこと
は明らかである。

また、光７アイパ、毛細管は断面形状を円形とし友が、
必ずしも円形である必＊ｌｌ−１なく、だ円形、正７３
形等でも作用、効果に大差はない０円形の力が入手が容
易であるだけの差にすぎない。

（ｆ）　　斃明の効果の説明 本−明によるカルマン渦流量針は、以上説明しえように
構成され、前記し良従来の欠点を全て解決している。即
ち、モールドにより一体成形が可能であるために、極め
て摩価に構成する仁とができる。更に、光方式を使って
いるために、爆−に対しては本質的に安全であり、電磁
気的な誘導がない、また、パイプ内径１９ｍｍ位ｔでは
十分に集用化で自、バイブ内径の下＠を割繊する因子が
少い等の特長を有し、実用上の効果が大きい。

以上本発明をその良好なりＩ＆論例について説明したが
、それは単象る例示的なものであり、制限的意味を有す
るものでないことは勿論である。従って、本発明の精神
から逸脱することなく、本発明は前記した以外にも種々
の変更を加えて実施し得るが、それらの変形、変更はす
べて本願−明の範囲内に包含されるものである。

４　　ｍｉｔ！ｉｉの簡単亀説明 １１１１ＷＪ（ａ）、（ロ）、（→は従来における機械
的な光の変調方法の＊ｉｉｉ説明図、　ｆｌｌｉ２Ｅは
本−明に使用１れる機械的光変調装置の厚層説明図、Ｓ
Ｓ閣（ａ）、伽）は１１１１２図に示し先光変調装置の
動作を説明する為の図、１Ｉ４ｒＩＡは本−明に係るカ
ルマン渦流量針の一実施例を示す断１Ｉｌａ、ｌｌ５Ｉ
ｉｌｌは暮４閣の右儒パイプを除去して示す儒ｍｅ％ｗ
ＳａＯ社慕４園の６−６−に沿って切断し矢印の方向に
見え断面■、１Ｉ７Ｉｌｌは光変調部分の拡大断Ｗｉ図
である。

１．１１・・・入力光ファイバ、２．１２・・・出力光
ファイバ、３Φ・・シャフタ、１４・・・’！ＩＩ管、
１５．１６・・・光ファイバの端面、ａＯ・・・パイプ
、３２１１１１１１フランジ、３３・・・リング状ガス
ケット、３４・・・ボルト、３５・・・カルマン渦−生
体、３６・・・接続体、３７・・・カルマン渦、３８・
・・尾翼、３９・・ｅ〈びれ部、４１・・・愈、４２・
・・変調空間 ％針山願人　　　大倉、電気株式会社 代　場　人　　　弁理士　熊谷雄太部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）、流体の流れに直角に配置されたカルマン渦−生
   体と、該カルマン渦弛生体の下＃ｌ＠に取付けられ九損
   動尾翼とを具備し、前記渦−生体と振動尾翼のｔｌ！続
   部または前記尾翼内に、弾性体の細孔内に１１１及び１
   １２の光ファイバを挿入し１Ｍ！１１１及び１１１２の
   光ファイバの両端面間を一定距離だけ離隔して光ファイ
   バが存しない光変調空間を形成した光変調装置ｉｔ−設
   け、帥記尾翼の振動により前記変調空間を弾性的に変形
   させて前記光フアイバ間の通過光量を変調することを特
   徴としたカルマン渦流量針。 ０）、前記弾性体として金ａｔたはプラスチック材料に
   １９形成され九も細管ｔ−使用したことを更に特徴とす
   る特許請求の範囲１１（１）項記載のカルマン渦流量針
   。 （３）、前記光変調！２！閾内に屈折率が前記光７アイ
   パのコアの屈折率に一致し九遣明な液体または固体を対
   人し九ことを更に特徴とする特許請求の範囲１１１（１
   ）項またはＩＩ　（り項記載のカルマン渦流量針。 （４）、前記光変調９間内にレンズまたはロッドレンズ
   を挿着したことを更に特徴とする特許請求の範囲１１１
   （１）項を九は箒（２）項記載のカルマン渦流量針。 （５）、前記光変調空間を押しつぶして光の通路をせば
   めたことを更に特徴とする特許請求の範囲嬉（１）項を
   九はＩＩ（２）項記載のカルマン渦流量針。 （６）、前記光変調空間を引伸ばして光の通路の円形断
   面積をせばめたことを更に特徴とする特許請求の範ｉ！
   Ｉ　１１（１）項またはＩＩ（１）項記載のカルマン渦
   流量針。 （７）、前記光変調空間の一端に反射鏡を挿着し九こと
   を更に特徴とする特許請求の範囲１１（１）項鵞えはＩ
   Ｉ　（ａ）項記載のカルマン渦流量針。 （Ｓ）、―記ＩＩＩの光ファイバの端面に７アイパ軸に
   対して傾斜を持九せ九ことｔｌｌに特徴とする特許請求
   の範１８第（１）項またはＩＩ（２））項記載のカルマ
   ン渦流量針。 （９）、前記光変調空間の内壁を黒化したことを更に特
   徴とする特許請求の範囲第（１）項〜ＩＩ（８）項記載
   のカルマン渦流量針。 輪、前記カルマン渦−生体を長く形成し、該渦電生体に
   複数−の振動尾翼を設置したことを更に！黴とする特許
   請求の範囲ＩＩ（１）項記載のカルマン渦流量針。