JPS58182511A - 光フアイバを用いたルミネツセンスによる測定装置 - 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】 本発明は、力、圧力、レベル、位置、流量、加速度、ひ
ずみ、磁界や電界の強さ、温度等の物理量を測定するた
めの、光ファイバを用いたルミネッセンスによる測定装
置に関連し、少くとも１個の光ファイバによって相互接
続された１個の送受信装置と１個のセ／す装置とを有す
る。

光ファイバを用いたルミネッセンスによる測定装置は測
定点と計測装置（ａｐｐａｒａｔｕｓ　ｕｎｉｔ　）間
の簡単な光フアイバ上での二方向通信へのユニークな可
能性を与える。周知の測定装置は信号情報に対しての波
長分割を利用するが、該波長分割は光ファイバまたは特
注の（ｔａｉｌｏｒｅｄ　）光学構成装置（ｏｐｔｏ−
ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　）を用いて送信機側（発光ダイ
オードまたはレーデダ９オード）もしくは受信機側（ホ
トダイオード）において実行される。

このために、システムの価格および性能は、上記の構成
装置の精度および品質に依存する。

上述したルミネッセンスによる測定装置は、信号情報の
波長分割を利用することが好まれているが、これによっ
て送受信装置の機械的、光学的構成が複雑となり、また
は、光学的構成装置を異った応用に対して特注する必要
が生じたりする。信号情報の時分割または周波数分割は
、精度に対する要求が光学的構成装置から電子的構成装
置へ移されるということを意味している。

本発ｆＪＪ８Ｊ＃ｉ時分割および周波数分割された信号
情報を使用しているが、これにより精度に対する要求が
既に低価格で大量生産されている標準的電子構成装置に
移される。

この配置（ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ　）は、多くの再現
性および安定性を有するルミネッセンス材料が存在する
ことから可能である。

本発明は、センサ装置が少くとも２個の別々の光学時定
数を有するルミネッセンスを発するように配置され少く
とも１個の時定数でのルミネッセンスに対応する、放出
された定常ルミネセンスの強度が被測定量の度合（ｍｅ
ａｓｕｒｅ　）であることを特徴とする。使用される性
質は、センサ物質のいわゆる光時定数である。この物質
が光パルスによって励起されると、その励起後にルミネ
ッセンスの光強度変化が、時間の関数として以下の式に
従って得られる。

■（ｔ）＝工。ρ−〒　　　　　　　　　（１）こ＼で
、τは、物質の光学的時定数、■。は励起のための光が
切られた直後のルミネッセンス強度である。完全な指数
的進行が得られないことはよくあるが、物質は数個の時
定数τ、を用いて、以上記の性質を有する物質の組合せ
の例は、希土類イオンがあり、例えばネオジミウム（Ｎ
ａ）が例えば異った組成のがラスやイツトリウム・アル
ミラム−が−ネット　（ｙｔｔｒｉｕｍ”ａｌｕｍｉｎ
ｉｕｍ−ｇａｒｎｅｔ（ＹＡ（）））のような結晶状物
質のような結合物質中に固溶体として含まれている場合
である。

時定数の値は、金属イオンおよびキャリア物質の選択に
よって変えることができる。Ｔｈｏｒｎｔｏｎ等（Ａｐ
ｐｉ、　Ｏｐｔ、旦（１９６９）１０８７−１１０２）
は複数の物質組み合せに対しての測定値を発表している
。Ｎｄ：ＹＡＣ）では、τ＝２４０μｓであるが種々の
ガラス品質中でのＮｄは時定数として５０μｓから７０
０μｓの値を示、すようである。これらの値は温度に関
して極めて安定していて、温度係数は、温度範囲０℃か
ら２００℃において、約２００〜５００　ｐｐｍ　／’
Ｏである。

時定数の強さのオーダは信号検出の観点から適当なもの
である。これは、１μＢないし数μｓの減衰時間を有す
るファイバ内での移動時間の効果を考慮に入れる必要が
ないからである。

ルミネセンスの効率１ｄ　Ｔｈｏｒｎｔｏｎ等によれば
、温度範囲０６Ｃ〜２００℃で温度依存度５００ｐｐｍ
／℃未満で、約７５０　ｎｍの励起波長においてガラス
およびＹＡＣ内のＮｄイオンに対して６０％〜９０％で
ある。

上記物質の応用の分野はこれまで、高出力レーデ内の光
学的な活性剤（ａ　ｃ　ｔ　１ｖｅｒ＃ｅｎ　ｔ→とし
てであった。上記物質は複数のガラス製造者から購入で
き、ガラス技術で広く使用されている方法によって製作
、加工できるものである。

別の種類の物質としては、電荷担体のバンド間再結合ま
たは例えばドーパントに起因する、不純物中心を介して
の生成と再結合過程によって放出されるルミネッセンス
を有する半導体がある。このような物質の一例はドーパ
ントとしてＧ８を用い九〇ａＡ、であり、ドーパント濃
度が１０１６〜１０１８原子／−の場合イは、ルミネッ
センスの時定数を１μｓから１０μｓに変化を起させ得
る。間接遷移型禁止帯を有する半導体において全てのル
ミネッセンスを不純物中心から放出させることによって
より長い時定数を実現できる。

もちろん、上記の二種類から成る物質を複数の方法で組
合せることも可能である。

本発明を添付の図を参照してより詳細に例示すると、第
１図は本発明によるルミネッセンスを用いた測定装置・
０−実施例を示し、第２ａ図〜第２ｂ図は本装置に使用
される一時的（ｔｅｍｐｏｒａｌ　）条件を示し、第３
図はセンサ材料を、位置変化が記録できるように１置し
た一実施例を示し、第４図は磁界測定用の一実施例を示
し、第５図は位置変換器の一実施例を更に示している。

本測定装置の動作モードは第１図、第２ａ図。

第２ｂ図に最も良く示しである。発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）１は分岐３を経てファイバ２へ光を送出する。この
光はクロック発生器４およびパルス整形器５によってパ
ルス形状を与えられている０フアイバ２の終端には、少
くとも２個の時定数τ１とτ２を有する発光物質から成
るセンサ装置６がある。示した実施例では、各々の時定
数を有する物質は物理的に離れている。

時定数τ２を有する物質部分８は該ファイバ端に固定し
て接続されているが、時定数τ１を鳴する物質部分７は
可動であり、測定されるべき可変量（ｖａｒｉａｂｌｅ
　）によって決定される位置を有する。

この可変量は他の物体の位置、力、加速度、静水圧、流
体レベルまたは流量等でよい。

物体７と８の間の位置変化によって、物体７Ｋかかる励
起が変化し、これによって更に、時定数τ１を有するル
ミネッセンスの強度に変化が生じる０ フォトダイオード９および検出器の増巾器１０内におい
て、光信号が電圧に変換される。必要である場合には、
増巾器１０は励起パルスの持続中は、パルス整形器５か
らの制御信号５によって閉塞してもよい。あるいは、検
出器９の前の光フィルタによって反射を止める。・Ｎｄ
イオンのルミネッセンス波長（１，０６μｍ）に対する
バンドパス戯の光干渉フィルタは市販のものが入手でき
る。

検出器の増巾器１０からの信号はサンプル・ホールド回
路（Ｓ／Ｈ）１１．１２．１３に時分割されるが、これ
らの回路は遅延装置１４，１５゜１６を介してクロック
パルス発生器４によって同期制御を受ける。上記の時分
割された信号は、演算装置１７に供給され、入力された
可変量を表わす信号がこ＼から取り出され、記録装置１
８に４えられる。

第２ａ図は、記録手順のタイムグラフを示している。ク
ロックパルス発生器４の出力信号２０は、時間に関する
進行を制御する。パルス整形器５の出力信号２１は固定
パルス巾Ｔ８を有しているか、最適な励起を得るために
演算装置１７によって制御される。曲線２２と２３は各
々時定数τ１とＩ２を有するルミネッセンスの減衰を示
している。パルス２４，２５．２６は、信号をＳ／Ｈ回
路１１゜１２．１３に送るための３個のタイムウィンド
（ｉｌｍｅ　ｗｉｎｄｏｗ　時間のわく）を示している
。励起パルス２１の終了後の最短遅延時間ｄよにおいて
セットされるパルス２４によって、時定数の値とは独立
して全ルミネッセンス強度が実質的に検出される。即ち
、 Ｉ１〉〉Ｉ２であれば、パルス２６によって表わされる
次の検出機会は、検出された強度が実質上τ２には依存
しないように時間ｄ２〉〉Ｉ２を選ぶことができる。こ
＼で、 ｊｌ Ｉ　（ｄ２　）　”　Ｉｌ　ｅ−ｒ。

Ｉ１とＩ２が分っていれば、１１は計算できこれによっ
て情報搬送商（ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ−ｃａｒｒｙｉ
ｎｇｑｕｏｔｉｅｎｔ　）’　Ｉｌ　／　Ｉ２も計算さ
れる。

上記の二個の簡単で、明確に区別された時定数τ１とＩ
２を扱った場合では、このために演算装置は比較的単純
となりアナログ回路を用いて設計することさえ可能であ
る。より複雑な場合、即ち、上記の等式（２）に従う多
指数数列（ｍｕｌ　ｉ　ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌｓｅｑ
ｕｅｎｃｅ　）を考慮する必要のある場合には、タイム
チャートにより多くの測定点を付加しなければならない
（時刻ｄ１においてパルス２５）０この、より一般的な
場合には、演算装置１７は、重ね合わせられた指数数列
の数によって決定される多数の未知量の方程式系を解か
ねばならないが、この重ね合わせられた指数数列の数は
当然ながらタイムチャート上の必要な測定点の数をも決
定する。減衰過程での測定点の数が時定数の数を超える
場合は、方程式系は優決定である。これは他の情報を提
供するのに利用できる。例えば、時定数が温度に依存す
る場合には、この値の演算は同時温度測定を可能にする
ことができる。

第２ｂ図はセンサ構成のタイムチャートを示すが、こ＼
では定常ルミネッセンス強度工２２８は、τｌよりもか
なり短い時定数τ２を有する物質部分８に依存し、一方
時定数τ１を有する物質部分７からのルミネッセンスは
ずっと弱い（工１、曲線２９）。

長パルス２７による励起および検出によって、すなわち
定常相３０の間およびより長い時定数τ、のルミネッセ
ンスの選択的影会下の両方において、検出することによ
りこれらの２個の成分を別個に保持できる。

検出装置の他の実施例は周波数平面での分析を行うこと
によって得られる。例えば、米国特許出願８．Ｎ、　３
７６，１４２で開示された装置によって実行される方法
と同様な方法で得られる。

第６図は位置変換器の一実施例を示すが、こ＼では発光
物質７および８は光の進行方向（ファイバの主方向）に
そって使用されている。光学的時定数τ２を有する物質
８は、全反射の中間面４３を有する波伝導体（ｗａｖｅ
　ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　）として形づくられている。時
定数τ、を有する物質７においても励起が得られるよう
に、物質８による入射光の吸収を選択する。この場合、
物質７へのまたはそれからの励起およびルミネッセンス
の変化は可動スクリーン３６によって発生するが、この
スクリーンの動きは被測定量の度合（ｍｅａｓｕｒｅ　
）である。物質７も、好ましくは全反射の中間面３１を
有する波伝導体として形づくることができる。

スクリーン３６も選択的吸収物質の形でよい、もしくは
適切に位置づけられた鏡の形でもよい。

第４図は可動部分を全く有しない、磁界−ｊ定用のセン
サを示す。発光物質７と８に加えて、とのセンサ装置は
２個の偏光板３８．３９から成り、これらの偏光板は各
々の偏光角の成す角度が９０度になるように位置されて
いる。材料４０けこれらの間に使用され、前記物質の偏
光面回転特性（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｒｏｔａｔ
ｉｏｎ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　）　ｉｔ磁界によって
影譬を受ける。本物質は、ドメインタイプ（分域タイプ
）でよく、例えばイツトリウム・鉄・が−ネットでよい
。電界または機械的ひずみの測定には、物質４０を電気
光学的または弾性光学的に敏感な物質に置きかえてもよ
い。これらの物質の磁気光学的、電気光学的、および弾
性光学的効果は温度に依存することか多いので、変換器
の温度をも測定することが望まれることもある。

これは、温度依存の時定数を有する発光物質を選択し、
温度を測定することで簡単にできる。

第５図は位置変換器を示すが、こ＼では発光物質７と８
は、力４１をかけると、弾性曲りによってファイバの横
軸方向に可動である簡単なビーム構造として溶着されて
いる。この場合、物質部分７および８からの強度は両方
とも各々光学的時定数によって変化する。このことは第
５図の断面図Ａ−Ａに示されている。ビームが偏向する
と、物質７とファイバ端との間の共通領域が増加するが
、物質８とファイバ端との間の共通領域は減少する。

これによって２個のルミネッセンスの寄与の間の強度商
が変化する。

上記による装置は本発明の主旨に従って種々の方法で変
化させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるルミネッセンスを用いた測定装置
の一実施例である。第２ａ図は記録手順のタイムグラフ
を示している０第２ｂ図はセンサ構成のタイムチャート
を示している。第６図は位置変換器の一実施例である。 第４図は可動部分を全く有しない磁界測定用のセンサを
示している０第５図は位置変換器を示している０ 符号の説明 ２　光ファイバ　　６　センサ装置 ７．８　固体　　　１９　送受信装置 代理人　浅　　村　　　皓 外４名 Ｆ／６２ａ Ｆ／に　２ｂ 時間

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）少くとも１個の光ファイバによって接続された送
   受信装置とセンサ装置とを含み、前記センナ装置は少く
   とも２個の別々の時定数（τ１とτ富）を有するルミネ
   ッセンスを放出するように配置され、これらの異なる時
   定数（丁１とτ富）におけるルミネッセンスに対応する
   放出されたルミネッセンスの強度（１１とＩｓ）間の商
   が被一定量の度合であることを特徴とする；物湯量例え
   ば力、圧力、レベル、位置、流量、加速度、ひずみ、磁
   界シよび電界の強さ、温度等を測定するための光ファイ
   バを用いたルミネッセンスによる一定装置。 （２１％許請求の範囲第１項において、前記ルミネッセ
   ンスが少くども１個の固体から堆り出されるように配置
   したことを４１１とする光ファイバによる欄・定−置。 （３１％許請求の範囲第２項において、前記固体が金属
   イオンを含むことを特徴とする光ファイバによる測定装
   置。 （４）特許請求の範囲第６項において、前記金属イオン
   が非晶質または結晶の結合物質内に固溶体として含まれ
   ることを特徴とする光ファイバによる測定装置。 （５１４Ｉ許請求の範囲第６項において、前記金属イオ
   ンが希土類金属、例えばネオジミウムイオンから成るこ
   とを特徴とする光ファイバによる測定装置。 （６１４Ｉ許請求の範囲第２項において、前記固体が少
   くとも１個の発光半導体物質例えばガリウム砒素を含む
   こ°とを特徴とする光ファイバによる測定装置。 （７）特許請求の範囲第６項において、前記半導体物質
   が少くとも１個のＹ−パント例えばｒルマニウムを含む
   ことを特徴とする光ファイバによる測定装置。 （８）　　４Ｉ許請求の範囲第４項において、前記結合
   物質が実質的に光を透過させるもの例えばガラスである
   ことを４９とする光ファイバによる測定装置。 （９）特許請求の範囲第６項において、前記少くとも２
   個の時定数がルミネッセンスの為に異った金属イオンを
   選択することによって得られることを％徴とする光ファ
   イバによる測定装置。 Ｑｌ　　特許請求の範囲第６項において、前記少くとも
   ２個の時定数が結合物質の選択によって得られ・ること
   を特徴とする光フアイバ測定装置。 （１１）　　！許請求の範囲第１項において、電子駆動
   装置を有する光源が時間と共に変化する光エネルギを放
   出するように配置されていることを４１１１とする光フ
   ァイバによる測定装置。 α２、特許請求の範囲第１０項において、前記光源から
   放出される光エネルギがパルス形状にされているか、少
   くともある周波数の正弦波の形であることを特徴とする
   光ファイバによる測定装置。 ０３！許請求の範囲第１項において、少くとも１個の時
   定数を有するルミネッセンスがスクリーニング、反射、
   偏光、または干渉によって、被測定物理量で変化される
   ように、したことを特徴とする光ファイバによる測定装
   置。 α４４！許請求の範囲第１項において、発光物体が平面
   またけ円筒状の光波伝導体の形状を有することを特徴と
   する光ファイバによる測定装置。 が励起光が切られた時刻から数えて異った時刻に測定さ
   れることを特徴とする光ファイバによる測定装置。 Ｏｆ９　　特許請求の範囲第１２項において、前記ルミ
   ネッセンスが２個の異った時点で測定されこれによって
   検出器信号８ａ　（ｔｌ）および８ａ　（ｔ２　）が得
   られ、前記商がＣを定数として ことを４１１１とする光ファイバによる測定装置。 α７）４Ｉ許請求の範−８１２項において、前記変換が
   時定数の数（ｎ）よシも多い時点において測定されるこ
   とを特徴とする光ファイバによる測定装置。