JPS6022613A

JPS6022613A - ダイヤフラムの撓み検出装置

Info

Publication number: JPS6022613A
Application number: JP59098437A
Authority: JP
Inventors: ビンセント・ジエ−・テキツペ
Original assignee: Gould Inc
Current assignee: Gould Inc
Priority date: 1983-05-16
Filing date: 1984-05-16
Publication date: 1985-02-05
Also published as: DE3418247A1; DE3418247C2; JPH0311644B2; US4799751A

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】（産業上の利用分野）本発明は、ダイヤフラムの撓みを監視する装置、より詳
しく云うと光ファイバ装置を使用したダイヤフラムの撓
み検出装置に関する。

（従来技術）光ファイバ・センサは従来のセンサに比べて優れている
ことから、光ファイバを利用した遠隔操作による感知方
法の開発に向けて多くの関心が集められている。このセ
ンサは、小形化を図り、電磁妨害を排除しかつ電気的絶
縁を完全に行うことができれば、危険なあるいは爆発が
起るような環境、高温又は高電磁揚の環境及び生体内医
学の分野において有用なセンサとして使用することがで
きるようになる。これらの用途については、ハイ・テク
ノロジィ（Ｈｉｇｈ　Ｔｅｃｈ）第２巻，第４号，第４
９頁に掲載のジェー・ヘクト（Ｊ．Ｈｅｃｈｔ）著の論
文「ファイバ・オプチックス・ターンズ・トゥー・セン
ジング」（“Ｆｉｂｅｒ　Ｏｐｔｉｃｓ　Ｔｕｒｎｓ　
ｔｏ　Ｓｅｎｓｉｎｇ”）及びアイ・イー・イー・ジャ
ーナル・オブ・クオンタム・エロクトロニクス（ＩＥＥ
Ｅ　Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．）第１８
巻，第６２６頁に掲載のティー・ジー・ジャイアロレン
ジ（Ｔ．Ｇ．Ｇｉａｌ−ｌｏｒｃｎｚｉ）等著の論文「
オプチカル・ファイバ・センッサ・テクノロジィ」（“
Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｂｅｒ　Ｓｅｎ−ｓｏｒ　Ｔｅｃ
ｈｎｏｌｏｇｙ”）に記載されている。

ダイヤフラムは、圧力を測定するのに最も一般的に使用
されている素子である。ダイヤフラムの撓みを測定する
のにこれまでに開発された光学的な方法は、ダイヤフラ
ムの変位による光の強度の変化を利用するものであった
。特に、これまでに聞発された光ファイバ・センサは、
ダイヤフラムの中心から反射される光の変動、ダイヤフ
ラムに取付けられたベーン（ｖａｎｅ）又はシャッタの
動き、及びダイヤフラムにより圧縮される光ファイバの
トランスミッションの変化を利用するものである。

かかる光ファイバ・センサは、例えば、アプライド・オ
プチックス（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｏｐｔ．）第１８巻、第
３２３０頁（１９７９年）に掲載のアール・オー・クッ
ク（Ｒ．Ｏ．Ｃｏｏｋ）等著の論文［ファイバー・オプ
チック・レバー・ディスプレイスメント・トランスデュ
ーサ」（“Ｆｉｂｅｒ　Ｏｐｔｉｃ　Ｄｉｓｐｌａｃｅ
ｍｅｎｔ　Ｔｒａｎｓ−ｄｕｃｅ６ｒ”）；ナサ・テク
ニカル・メモランダム（ＮＡＳＡ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ
　Ｍｅｍｏｒａｎｄｕｍ）Ｘ−３５７１頁に掲載の「オ
プチカル・ゼロ・ディファレンシャル・プレッシャー・
スイっチ・アンド・イッツ・エバリュエイション・イン
・ア・マルチプル・プレッシャー・メジャリング・シス
テム」（“Ｏｐｔｉｃａｌ　ｚｅｒｏ−Ｄｉｆｆｅｒｅ
ｎｔｉａｌ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｓｗｉｔｃｈ　ａｎｄ
　ｉｔｓ　Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｉｎ　ａ　Ｍｕｌｔ
ｉｐｌｅ−Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　Ｓ
ｙｓｔｅｍ”）；アメリカ合衆国，イリノイ州，シカゴ
において１９８２年６月８日から１０日にかけて開かれ
たゼネラル・センサ・テクノロジィ／フォース・アンド
・プレッシャー・センサーズ（Ｇｅｎｅ−ｒａｌ　Ｓｅ
ｎｓｏｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ／Ｆｏｒｃｅ　ａｎｄ
　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒｓ）に関する会議の
会報の第７９頁に掲載のティー・エー・スコット（Ｔ．
Ａ．Ｓｃｏｔｔ）著の「ノン・コンタクティング・オプ
チカル・センサ」（“Ｎｏｎ−Ｃｏｎｔａｃｔｉｎｇ　
Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｓｅｎｓｏｒ”）；アプライド・フィ
ジカル・レターズ（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．）
第３７巻，第１４５頁（１９８０年）に掲載のダブリュ
・ビー・スピルマン・ジュニア（Ｗ．Ｂ．Ｓｐｉｌｌ−
ｍａｎ．Ｊｒ．）等著の「シュリーレン・マルチモード
・ファイバ・オプチック・ハイドロフォン」（“Ｓｃｈ
ｌｉｅｒｅｎ　Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ　Ｆｉｂｅｒ　Ｏｐ
ｔｉｃ　Ｈｙｄｒｏ−ｐｈｏｎｅ”）；ジャーナル・オ
ブ・ジ・アコースチック・ソサイェティ・オブ・アメリ
カ（Ｊ．Ａｃｏｕｓｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．）第６７巻，第
８１６頁（１９８０年）に掲載のジェー・エヌ・フィー
ルズ（Ｊ．Ｎ．Ｆｉｅｌｄｓ）等著の「ファイバ・オプ
チック・プレッシャー・センサ」（“Ｆｉｂｅｒ−Ｏｐ
ｔｉｃ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｓｅｎｓｏｒ”）；及びア
プライド・オプチックス（Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．）第１９
巻，第３２６５頁（１９８０年）に掲載のジェー・エヌ
・フィールズ（Ｊ．Ｎ．Ｆｉｅｌｄｓ）等著の「“ファ
イバ・マイクロベンド・アコースチック・センサ」（“
Ｆｉｂｅｒ　Ｍｉｃｒｏｂｅｎｄ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　
Ｓｅｎｓｏｒ”）に記載されている、。

しかしながら、かかるタイプの光学圧力センサは、周囲
の環境条件の影響を受けるという特有の欠点を有してい
る。これらの装置は、絶対的な強度を測定するものであ
るから、出力信号は、光源強度の変動とファイバのマイ
クロベンドの損失とを原因とする強度の損失の影響を受
けることになる。さらまた、ベーン・センサ（Ｖａｎｅ
　Ｓｅｎｓｏｒ）や従来の反射センサのようなす、ダイ
ヤフラムまでの距離を測定する圧力感知機構は、振動や
熱膨脹のような環境を原因として生ずるダイヤフラムま
での距離の変化により強い影響を受けてしまう。

ダイヤフラムは、圧力を測定するのに使用できるほか、
温度の測定にも使用することができる。

ダイヤフラムを温度の測定に使用する場合には、ダイヤ
フラムは温度に応答して撓むことにより応答を行うよう
に適合された材料から形成される。

例えば、ダイヤフラムにバイメタル材料を使用すること
ができる。

（発明の目的）本発明の目的は、±約７．０３ｋｇ／ｃｍ２（１００ｐ
ｓｉ）のダイナミック範囲を有するダイヤフラムの撓み
検出装置を提供することにある。

本発明の別の目的は、監視しようとする領域全体に亘っ
て０．２５％以下の誤差で線形応答を行う撓み検出装置
を提供することにある。

本発明の別の目的は、検出可能な最小圧力が約７．０３
×１０−５ｋｇ／ｃｍ２（１×１０−３ｐｓｉ）以下の
高感度な撓み検出装置を提供することにある。

本発明の別の目的は、過圧保護が約２１ｋｇ／ｃｍ２（
３００ｐｓｉ）に達する撓み検出装置を提供することに
ある。

本発明の更に別の目的は、ダイヤフラムの半径と肉厚と
の比が適当に定められた撓み検出装置を提供することに
ある。

本発明の別の目的は、比較的簡単なエレクトロニクス技
術を利用した撓み検出装置を提供することにある。

本発明の別の目的は、圧力変化に比例した出力電圧を有
する撓み検出装置を提供することにある。

本発明の別の目的は、生体内医学に使用することができ
る比較的小形の撓み検出装置を提供することにある。

本発明の更に別の目的は、可動部品を殆んど備えていな
い比較的丈夫な撓み検出装置を提供することにある。

本発明の更に別の目的は、同心的に配列された三つの別
々の部品からなる単一のファイバの束を有する製造が容
易な撓み検出装置を提供することにある。

本発明の更に別の目的は、電子回路において容易に調整
自在の零設定と補正操作を行うことができる撓み検出装
置を提供することにある。

本発明の別の目的は、光電源の強電の変動及び入力ファ
イバでの損失による影響を受けない撓み検出装置を提供
することにある。

本発明の別の目的は、比較的安価な撓み検出装置を提供
することにある。

本発明の更に別の目的は、振動と温度変化の影響を受け
ない撓み検出装置を提供することにある。

（発明の構成）本発明者は、上記した環境条件に関する問題を極力抑え
るようにするため、ダイヤフラムの変位ではなくダイヤ
フラムの曲率の変化を利用した圧力変換器を完成した。

かかる構成の装置においては、光がダイヤフラムの中心
から半径方向へＸの距離のダイヤフラムの部分に射突す
るように、光は、環状に配列されたファイバによってダ
イヤフラムの表面に伝送される。ダイヤフラムによって
反射された光は、イルミネーション・ファイバと同心を
なしかつイルミネーション・ファイバの内側及び外側の
双方に配列されたコレクション・ファイバに分配される
。内側のファイバ群は第１の複数の光ファイバを構成し
、イルミネーション・ファイバは第２の複数の光ファイ
バを構成し、イルミネーション・ファイバの外側にある
コレクション・ファイバは第３の複数の光ファイバを構
成する。ダイヤフラムの撓みは、外側のコレクション・
ファイバが受ける光と内側のコレクション・ファイバが
受ける光との比率に従って生ずる。

本発明に係る、半径ｒのダイヤフラムの撓みを監視する
のに適したダイヤフラムの撓み検出装置は、前記ダイヤ
フラムの中心を中心として端部どうしが全体で環状に配
列されかつ前記半径ｒよりも小さい半径ｒ１を有する円
を形成するように配設された第１の複数の光ファイバと
、前記ダイヤフラムの中心を中心として端部どうしが全
体で環状に配列されかつ前記半径ｒ及びｒ１に対しｒ＞
ｒ２＞ｒ１なる関係を有する半径ｒ２の円を形成するよ
うに配設された第２の複数故の光ファイバと、前記ダイ
ヤフラムの中心を中心として端部どうしが全体で環状に
配列されかつ前記半径ｒ及びｒ２に対しｒ＞ｒ３＞ｒ２
なる関係にある半径ｒ３の円を形成するように配設され
た第３の複数の光ファイバとを備えてなり、前記第１と
第３の複数の光ファイバの端部は光捕捉特性を有しかつ
前記第２の複数の光ファイバの端部は光放出特性を結う
しくおり、前記第２の複数の光ファイバから出る光は所
定の比率に従う前記ダイヤフラムの撓みの量に比例して
前記ダイヤフラムにより反射されて前記第１及び第３の
複数の光ファイバに導入される構成に係るものである。

本発明に係るダイヤフラムの撓み検出装置はまた、環境
条件の変化に応答して撓むダイヤフラムと、一端が前記
ダイヤフラムの可撓面に対し略直角に配置された入力フ
ァイバと、前記入力ファイバの第１の側部に近接して配
置されかつ一端が前記入力ファイバの前記一端部に近接
し前記ダイヤフラムの前記可撓面に対し略直角に配置さ
れた第１のコレクション・ファイバと、前記入力ファイ
バ第２の側部に近接して配置されかつ一端が前記入力フ
ァイバの前記一端部に近接し前記ダイヤフラムの前記可
撓面に対し略直角に配置された第２のコレクション・フ
ァイバと、前記入力ファイバを介して前記ダイヤフラム
の前記可撓面に光を伝える手段と、前記第１及び第２の
コレクション・ファイバによって捕えられる光を監視し
かつ出力信号を発生する手段とを備えてなり、前記入力
ファイバから伝えられる前記光は前記ダイヤフラムの前
記可撓面から反射され、しかも前記ダイヤフラムが撓ん
だときに前記入力ファイバから伝えられた光は予め定め
られた比率に従う前記ダイヤフラムの撓みの大きさに比
例して前記ダイヤフラムから反射されて前記第１及び第
２のコレクション・ファイバによって捕えられるもので
あり、しかも前記出力信号は前記第１及び第２のコレク
ション・ファイバに捕えられた光の割合に応じて前記予
め定められた比率に基づいて計算される構成に係るもの
である。

（実施例）第２，３及び４図は、動作状態にある本発明の検出装置
の側面図である。ダイヤフラムにかかる差圧が零のとき
（第３図）には、ダイヤフラムは平坦であり、等量の光
が内側のコレクション・ファイバ（ｃｏｌｌｅｃｔｉｏ
ｎ　Ｆｉｂｅｒ）１８と外側のコレクション・ファイバ
に向けて反射される。正の圧力が加わる（第２図）と、
ダイヤフラムは、第２図に示すように、ファイバに対し
凸状に撓み、外側のコレクション・ファイバ２４に向け
て反射する光２２の量の方が多くなる。逆に、負の圧力
が加わると、ダイヤフラムは、第４図に示すように、凹
状に撓み、内側のコレクション・ファイバ２８に向けて
反射する光の量が多くなる。従って、本発明の検出装置
は、圧力の大きさと向き（正又は負）の双方を明確に感
知することができる。

本発明の検出装置の説明を明確にするために、１本のイ
ルミネーション・ファイバ（ｉｌｌｕｍｉｎａ−ｔｉｏ
ｎ　ｆｉｂｅｒ）と２本のコレクション・ファイバとか
らなる光ファイバを例にとって考えることにする。この
光ファイバは円筒状に配置され、対称であるため、３本
のファイバがらなる光ファイバは、実際のセンサにおい
て、これら３本のファイバの作用を合わせた作用を行う
。第５図は、湾曲したダイヤフラムの下方に端部が配置
された３本のファイバを示す。説明を簡潔にするため、
入力ファイバ２９又はクラッドによって捕えられる光を
無視し、ダイヤフラムの撓み角θは照射領域全体に亘っ
て一定であると仮定する。外側の光線ＯＡ及びＯＢ（第
５図）は、コアの屈折率（ｃｏｒｅ　ｉｎｄｅｘ）がｎ
，でクラッドの屈折率（ｃｌａｄｄｉｎｇ　ｉｎｄｅｘ
）がｎ２の入力ファイバの内側で、臨界角〔θｃ＝ｓｉ
ｎ−１（ｎ２／ｎ１））で反射する光であるから、これ
らの光線は入力ファイバのエミッタンス・アパチャ（ｅ
ｍｉｔｔａｎｃｅ　ａｐｅｒｔｕｒｅ）を画定する。光
線ＯＣは、ダイヤフラムに直角に衝突し、もとの道を戻
る光である。従って、ＯＡとＯＣ間でファイバから出る
光線は外側に反射し、一方、ＯＣとＯＢ間の光は内側へ
反射していく。図面上の平面に限定して考えると、外側
への反射光の量（Ｉｏｕｔ）は角度α、従って、寸法ａ
に比例し、内側への反射光の量（Ｉｉｎ）は角度β即ち
寸法βに例する。

従って、次式（１）Ｉｏｕｔ／Ｉｉｎ＝（ａＲＩ０）／（ｂＲＩ０）＝（ｒ
０＋ｚ）／（ｒ０−ｚ）　（１）が成立する。ここでＩ０＝イルミネーション・ファイバを出るときの強さＲ＝ダイヤフラムの反射率Ｚ＝ファイバの中心から光線ＯＣがファイバを出る点ま
での距離ｒ０＝ファイバの半径ダイヤフラムの勾配ｄｙ／ｄｘが小さい場合には、スネ
ルの法則（ｓｎｅｌｌ’ｓ　ｌａｗ）を利用して次式（
２）Ｉｏｕｔ／Ｉｉｎ＝〔１＋（ｄｙ／ｄｘ）ｔａｎθｃ／
ｎ１〕／〔１−（ｄｙ／ｄｘ）ｔａｎθｃ／ｎ１〕　（
２）が得られる。

θｃ＝ｓｉｎ−１（ｎ２／ｎ１）であるから、信号の強
度比Ｉｏｕｔ／Ｉｉｎはイルミネーション・ファイバの
コアとクラッドの屈折率及びダイヤフラムの勾配のみに
よって定まることが式（２）からわかる。

Ｉｏｕｔ／Ｉｉｎはファイバの半径、ダイヤフラムまで
の距離、ダイヤフラムの反射率、及び光がイルミネーシ
ョン・ファイバを出るときの光の強さとは無関係である
から、周囲の影響を全く受けない。

荷重が均一で、縁部が固定された円形のダイヤフラムの
場合には、ダイヤフラムの撓みｙの圧力依存性は、〔ア
メリカ合衆国，ニューヨーク州に所在するマグロー・ヒ
ル（ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ）社、１９７５年発行〕ア
ール・ジェー・ロアーク（Ｒ．Ｊ．Ｒｏａｒｋ）等著の
「フォーミュラズ・フォー・ストレス・アンド・ストレ
イン」（Ｆｏｒｍｕｌａｓ　ｆｏｒ　Ｓｔｒｅｓｓ　ａ
ｎｄ　Ｓｔｒａｉｎ）第５版によれば、次式（３）ｙ（
ｘ）＝−３（ｒ２−ｘ２）２（１−μ２）ｐ／（１６ｙ
ｔ３）（３）により表すことができる。式（３）において、ｘ＝ダイ
ヤフラムの中心からの半径方向の距離ｒ＝ダイヤフラム
の半径ｔ＝ダイヤフラムの肉厚ｙ＝ダイヤフラムのヤング率 μ＝ダイヤフラムのポアソン比式（３）をｘに関して微分してｄｙ／ｄｘを得ると、式
（２）はＩｏｕｔ／Ｉｉｎ＝（１＋ＡＰ）／（１−ＡＰ）　（４
）になる。ここでＡは、Ａ＝〔３ｘ（ｒ２−ｘ２）（１−μ２）／４ｎ■ｙｔ３
〕・ｔａｎ　ｃ（５）なる式に従って、ダイヤフラムと入力ファイバの性質に
よって定められる定数である。

式（４）は、両辺の対数となり、この対数を（ＡＰ）の
べき（ｐｏｗｅｒ）で展開すると、簡単に反転（ｉｎｖ
ｅｒｔ）することができる。先づ（ＡＰ）で整理すると
、Ｐ＝ｌｎ（Ｉｏｕｔ／Ｉｉｎ）／２Ａ　（６）となり、
百分率誤差（ｐｅｒｃｅｎｔ　ｅｒｒｏｒ）は３３．３
（ＡＰ）２となる。従って、（ＡＰ）２≪１であるよう
なダイヤフラムを選べば、圧力はＩｏｕｔとＩｉｎとの
比の対数に対し直線関係となり、信号の解析を極めて簡
単に行うことができる。

最近、生体内医学向けの丈夫な、小型の圧力変換器の開
発に対する関心が高まっている。概略を上記した圧力感
知即ち撓み検出装置の試験を行うため、小型のプロトタ
イプ反射センサをつくった。

ダイヤフラムは、０乃至約０．３５ｋｇ／ｃｍ２（０乃
至５ｐｓｉ）の印加可能な医学的圧力（ｍｅｄｉｃａｌ
　ｐｒｅ−ｓｓｕｒｃ）の範囲内で最適なセンサの性能
が得られるように構成した。５００本のファイバからな
る半径が０．８ｍｍの標準的なファイバの束即ちハンド
ル３４を、第１図に示りように、イルミネーション・ス
トリップ４０により外側のコレクション領域３６と内側
のコレクション領域３８とに分けた。それぞれの多モー
ド・ファイバのコアは、直径が７０ミクロンで屈折率ｎ
１が１．６２であり、これを肉厚が３．５ミクロンで屈
折率ｎ２が１　５２のクラッドで包囲した。イルミネー
ション・リングの半径Ｘは４０２ミクロンであった。フ
ァイバの束を、エポキシ樹脂４１を用いて肉厚が２５０
ミクロンの金属スリーブに装填し、外径がわずか２．２
ｍｍの小型センサをつくった。半径が１．１ｍｍのダイ
ヤフラムを１２７ミクロンの肉厚のポリカーボネートか
らつくり、これをエポキシ樹脂で処理し、縁部を、可変
圧力源に接続された変換器のハウジングの端部に固定し
た。次に、ファイバの束の軸線がダイヤフラムと直交し
かつこれと共線（ｃｏｌｉｎｅａｒ）をなすようにファ
イバの束を変換器のハウジングに挿入した。更に、イル
ミネーション・ファイバに白色光を照射し、強度Ｉｏｕ
ｔ及びＩｉｎを、式（６）のアルゴリズム（ａｌｇｏｒ
ｉｔｈｍ）を満たすように構成されている電子装置に接
続された光検出器で測定した。

平均化（ａｖｅｒａｇｉｎｇ）するためには、研磨した
ファイバの束をダイヤフラムから可能な最大距離ｄのと
ころに配置し、ｄが光を受光ファイバ即ちレセプション
・ファイバの周辺から外側へ反射させるような大きな寸
法とならないように制限するのが遊離である。最大距離
ｄは０．２５ｍｍであることがわかった。次に、出力信
号ｌｎ（Ｉｏｕｔ／Ｉｉｎ）を、印加可能な医学的圧力
の範囲においてゲージ圧Ｐの関数として記録した。結果
は第６図に示す通りであった。

第６図から、ｌｎ（Ｉｏｕｔ／Ｉｉｎ）は実際に圧力に
対して直線関係にあることがわかる。かかるデータに１
次最小２乗法を当てはめると、この直線の勾配は０．０
３５ｐｓｉとなり、これは、ＡがＡｅｘｐ＝０．０１７
５ｐｓｉ−１である場合の実験測定値となる。式（６）
の百分率誤差は３３．３（ＡＰ）２であると予測された
が、これは最大の非直線性がわずか０．２５％というこ
とになる。これは、第６図に示すデータが、相関係数が
０．９９９９５という優れた直線性を有することと一致
する。ダイヤフラムの関連するパラメータを式（５）に
代入すると、Ａの予測値は０．０１５７ｐｓｉ−１とな
り、これは実験による測定値に匹敵する。理論値ＡとＡ
ｅｘｐとの間のわずかな差は、イルミネーション・ファ
イバのリングの肉厚が原因で生ずる。上記した簡単な理
論的解析から、反射光は全てＩｉｎ又はＩｏｕｔに作用
し、実際に、光の大部分はイルミネーション・リングに
対し後方へ反射されることが考えられる。これにより、
装置の感度はわずかながら増加する。本発明によれば、
光ファイバの内側の束と外側の束とによって捕えられる
光の強度（Ｉ）どうしの関係には（Ｉ３−Ｉ１）／（Ｉ
３＋Ｉ１）として表すことができる。これは、ダイヤフ
ラムの撓みの変化に対し、一次関数の関係にあることが
わかった。

本発明を光ファイバの束に関して詳細に説明してきたが
、本発明は、別の実施例で具現することができる。例え
ば、本発明は、第７図に示すように、ダイヤフラムに接
近して配置された３本の光ファイバ５０，５１及び５２
だけを使用することにより著しく簡素化することができ
る。この実施例では、ファイバ５１は入力ファイバとし
て作用し、一方、ファイバ５２と５０は、ダイヤフラム
が圧力変化に応答して撓むとさに、それぞれ外側コレク
ション・ファイバ及び内側コレクション・ファイバとし
て作用する。第８図に示す本発明の別の実施例において
は、圧力を検出するのに６本の光ファイバが使用されて
いる。この実施例においては、ダイヤフラム６６に対し
、ファイバ５６は内側のコレクション・ファイバとして
作用し、ファイバ５８と６４は入力ファイバとして作用
し、ファイバ６０と６２は外側コレクション・ファイバ
として作用する。この実施例では、仮想線で示されてい
る、中央に配置されたファイバ６８を設けて、各グルー
プの感知ファイバを、ダイヤフラムの両側に離隔させて
もよい。この実施例では、中央に配置されたファイバ６
８は使用されるものではなく、また、かかるファイバは
設けなくてもよい。第８図の実施例では感知ファイバを
ダイヤフラムの両側に離隔配置しているので、第７図の
実施例に比べ、検出器の信頼性を高めることができる対
称平均化技術（ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ　ａｖｅｒａｇ
ｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）を使用することができ
るという利点がある。

第９図に示す本発明の別の実施例では、ダイヤフラム全
体を光ファイバーで監視することができるようになって
いる。この実施例では、図示のように、３組の光ファイ
バがぞれぞれ対称形に充填されている。先づ、中央に円
形に配設されたファイバ７２は内側コレクション・ファ
イバとして作用する光ファイバである。中間の円形ファ
イバ７４は入カファイバとして動作し、外側の環状ファ
イバ群７６は外側コレクション・ファイバの態様で動作
する。本発明の更に別の実施例を第１０図に示すが、こ
の実施例では、円形ではない可撓性ダイヤフラム７８を
使用することができ、第１０図では矩形のダイヤフラム
が使用されている。上記した円形のダイヤフラムと同様
に、入力ファイバ８０と８２はそれぞれ、外側コレクシ
ョン・ファイバ８４及び８１と内側コレクション・ファ
イバ８８及び９０との間の空間に配置されている。矩形
ダイヤフラム７８は可撓性があるので、光は上記した実
施例と同様の態様で内側及び外側のコレクション・ファ
イバによって捕えられる。

本発明を、圧力の変化に応答して撓むダイヤフラムに関
して説明してきたが、他の因子に応答しく撓むダイヤフ
ラムを使用することができる。例えば、本発明において
は、温度変化に応答してダイヤフラムが撓むことができ
るようにすることができる。即ち、例えば、本発明を、
ダイヤフラムがバイメタル材料から形成されている温度
感知装置として具現することができる。この場合、ダイ
ヤフラムは、例えば、バイメタル・ストリップの形態を
とることができる。

上記のように、ダイヤフラムの変位の代わりにダイヤフ
ラムの曲率を利用して圧力を感知する新規な光学的技術
が本発明者により完成された。本明細書に記載のプロト
タイプの圧力センサは、小型であり、しかも光ファイバ
感知技術の電磁干渉特性の影響を受けないようになって
いる。また、ダイヤフラムの撓み測定は圧力の変動に匹
敵する環境の影響を取除くことができないが、本発明で
は、ファイバの束のダイヤフラムに対する動きを引起す
、振動と温度を原因とする悪影響を除去することができ
る。更に、光源の強さに対する出力信号の依存性は、ダ
イヤフラムに光が反射した後はなくなるので、本発明の
装置は、光源の強度の変動，入力ファイバでの損失及び
ダイヤフラムの反射率を自動的に補償することができる
。更に、リターン・ファイバの環境が略均質である場合
には、ファイバのマイクロベンドの損失（ｍｉｃｒｏ−
ｂｅｎｄ　ｌｏｓｓ）に関連した騒音の多くを除去する
ことができる。更にまた、本発明の装置はリニア（ｌｉ
ｎｅａｒ）な態様で作動するように構成することができ
る。

上記したプロトタイプの圧力変換器は生体内医学向けに
適するような大きさと圧力範囲を有するように構成され
ているが、本発明の感知装置はもっと広汎な用途を有し
ている。かかるタイプのセンサの感度及び最適圧力範囲
は、式（５）によって与えられる定数Ａにより定められ
るが、この定数はダイヤフラムの材質又は肉厚を変える
ことにより容易に変えることができる。例えば、０乃至
約４．２ｋｇ／ｃｍ２（０乃至６０ｐｓｉ）の範囲で動
作するように構成された遥かに大形のセンサは、直径が
１０．４ｍｍで肉厚が約０．３ｍｍ　（１２ｍｉｌ）の
シリコン製ダイヤフラムを使用して製造することができ
た。

このセンサもまたリニアな圧力応答性を有し、０乃至約
４．２ｋｇ／ｃｍ２の範囲における相関係数は０．９９
９８７であった。

本発明の圧力感知装置は、小形でかつ環境によって左右
されないかかる装置が所望される分野であれば、軍事上
及び産業上の種々の分野において広く使用することがで
きる。

（発明の効果）以上のように、本発明の装置は、ダイヤフラムの撓みが
、第３の複数の光ファイバが受ける光と第１の複数の光
ファイバとが受ける光との比率に従うものであるから、
光源の強度の変動、第２の光ファイバ内での損失及びダ
イヤフラム表面の反射率の変化を自動的に補償すること
ができる。更に、圧力は、光ファイバとダイヤフラムと
の間の距離によってではなく、ダイヤフラムの曲率によ
って測定されるので、本発明の装置は温度及び振動の影
響を受けることがない。更にまた、本発明の装置はリニ
アな態様で作動させるようにすることができるので、容
易に補正を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るダイヤフラムの撓み検出装置の横
断面図、第２図はダイヤフラムが光ファイバに対して凸
状に撓んだときに第１と第３の複数の光ファイバによっ
て捕えられた光の量を示す概略側面図、第３図はダイヤ
フラムが撓んでいないときに第１及び第３の複数の光フ
ァイバにより捕えられた光の量を示す概略側面図、第４
図はダイヤフラムが光ファイバに対し凹状に撓んだとき
に第１及び第３の複数の光ファイバによって捕えられた
光の量を示す概略側面図、第５図は湾曲するダイヤフラ
ムの下方に端部が配置された３本のファイバからなる光
ファイバの概略側面図、第６図は出力信号と圧力との関
係を示すグラフ図、第７図は本発明の実施例を示す概略
横断面図、第８図は本発明の別の実施例を示す概略平面
図、第９図は本発明の更に別の実施例を示す概略平面図
、第１０図は本発明の更に別の実施例を示す概略平面図
である。１２・・・ダイヤフラム、１４，１６・・・光、１８，
２０・・・コレクション・ファイバ、２２・・・光、２
４・・・コレクション・ファイバ、２６・・・ダイヤフ
ラム、２８，２９，３０・・・光ファイバ、３２・・・
ダイヤフラム、５０，５１，５２・・・光ファイバ、５
４・・・ダイヤフラム、５６，５８，６０，６２，６４
・・・光ファイバ、６６・・・ダイヤフラム、６８・・
・光ファイバ、７０・・・ダイヤフラム、７２，７４，
７６・・・光ファイバ、７８・・・ダイヤフラム、８０
，８２・・・入力ファイバ、８１，８４，８８，９０・
・・コレクション・ファイバ。 ’ｏｕｔ　１ｏｕｔ　１ｏｕｔｆｉｎ（１ｏｕｔ　’ｉｎ”　’ｏｕ↑　’ｉｎ　）　
１ｏｕｔ−６へ−

Claims

【特許請求の範囲】

（１）半径ｒのダイヤフラムの撓みを監視するのに適た
ダイヤフラムの撓み検出装置において、前記ダイヤフラ
ムの中心を中心として端部どうじが全体で環状に配列さ
れかつ前記半径ｒよりも小さい半径ｒ１を有する円を形
成するように配設された第１の複数の光ファイバと、前記ダイヤフラムの中心を中心として端部どうしが全体
で環状に配列されかつ前記半径ｒ及びｒｌに対しｒ＞ｒ
２＞ｒ１なる関係を有する半径ｒ２の円を形成するよう
に配設された第２の複数の光ファイバと、前記ダイヤフラムの中心を中心として端部どうしが全体
で環状に配列されかつ前記半径ｒ及びｒ２に対しｒ＞ｒ
３＞ｒ２なる関係にある半径ｒ３の円を形成するように
配設された第３の複数の光ファイバとを備えてなり、前記第１と第３の複数の光ファイバの端部は光捕捉特性
を有しかつ前記第２の複数の光ファイバの端部は光放出
特性を有しており、前記第２の複数の光ファイバから出
る光は所定の比率に従う前記ダイヤフラムの撓みの量に
比例して前記ダイヤフラムにより反射されて前記第１及
び第３の複数の光ファイバに導入されることを特徴とす
るダイヤフラムの撓み検出装置。
（２）前記第１，第２及び第３の複数の光ファイバは多
モードの光ファイバであることを特徴とする特許請求の
範囲第１項に記載のダイヤフラムの撓み検出装置。
（３）前記第１，第２及び第３の複数の光ファイバは単
モードの光ファイバと多モードの光ファイバとの組合せ
からなることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
のダイヤフアムの撓み検出装置。
（４）前記第１，第２及び第３の複数の光ファイバはハ
ウジングによって保持されていることを特徴とする特許
請求の範囲第１項に記載のダイヤフラムの撓み検出装置
。
（５）前記のハウジングは前記第１，第２及び第３の複
数の光ファイバを前記ダイヤフラムの表面に対し直角に
保持する手段を備えることを特徴とする特許請求の範囲
第４項に記載のダイヤフラムの撓み検出装置。
（６）前記ハウジングは前記第１，第２及び第３の複数
の光ファイバを前記ダイヤフラムに対し同心をなして保
持する手段を備えることを特徴とする特許請求の範囲第
４項に記載のダイヤフラムの撓み検出装置。
（７）前記第３と第１の複数の光ファイバによって捕え
られる光の強度（Ｉ）の関係はｌｎ（Ｉ３／Ｉ１）とし
て表すことができ、しかも前記ダイヤフラムの撓みの変
化に対して一次関数の関係にあることを特徴とする特許
請求の範囲第１項に記載のダイヤフラムの撓み検出装置
。
（８）前記第１と第３の段数の光ファイバによって捕え
られる光の強度（Ｉ）の関係は（Ｉ３−Ｉ１）／（Ｉ３
＋Ｉ１）として表すことができ、しかも前記ダイヤフラ
ムの撓みの変化に対して一次関数の関係にあることを特
徴とする特許請求の範囲第１項に記載のダイヤフラムの
撓み検出装置。
（９）前記ダイヤフラムはダイヤフラムにかかる圧力の
変化に応答して撓むことを特徴とする特許請求の範囲第
１項に記載のダイヤフラムの撓み検出装置。
（１０）環境条件の変化に応答して撓むダイヤフラムと
、一端が前記ダイヤフラムの可撓面に対し略直角に配置さ
れた入力ファイバと、前記入力ファイバの第１の側部に近接して配置されかつ
一端が前記入力ファイバの前記一端部に近接し前記ダイ
ヤフラムの前記可撓面に対し略直角に配置された第１の
コレクション・ファイバと、前記入力ファイバの第２の
側部に近接して配置されかつ一端が前記入力ファイバの
前記一端部に近接し前記ダイヤフラムの前記可撓面に対
し直角に配置された第２のコレクション・ファイバと、
前記入力ファイバを介して前記ダイヤフラムの前記可撓
面に光を伝える手段と、前記第１及び第２のコレクション・ファイバによって捕
えられる光を監視しかつ出力信号を光発生する手段とを
備えてなり、前記入力ファイバから伝えられる前記光は前記ダイヤフ
ラムの前記可撓面から反射され、しかも前記ダイヤフラ
ムが撓んだときに前記入力ファイバから伝えられた光は
予め定められた比率に従う前記ダイヤフラムの撓みの大
きさに比例して前記ダイヤフラムから反射されて前記第
１及び第２のコレクション・ファイバによって捕えられ
るものであり、しかも前記出力信号は前記第１及び第２のコレクション・ファ
イバに捕えられた光の割合に応じて前記予め定められた
比率に基づいて計算陣されるものであることを特徴とす
る環境条件を監視するのに適したダイヤフラムの撓み検
出装置。
（１１）前記ダイヤフラムは温度変化に応答して撓むバ
イメタル・ストリップを備えることを特徴とする特許請
求の範囲第１０項に記載のダイヤフラムの撓み検出装置
。