JPS6285818A - デイジタル出力光フアイバセンサ - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、圧力、温度等の物理量を光学的に。

またさらに、ディジタル的に検出するディジタル出力光
ファイバセンサに関する。

〔発明の背景〕

電気的手段による圧力あるいは温度測定装置は、その測
定信号を電気的な信号に変換して遠隔地へ伝送すること
が一般的である。そ分ため、この測定信号を伝送する途
中において、電気的な誘導雑音を受ける可能性が高い。

この点、光学的手段を用いた圧力あるいは温度測定装置
は、伝送路に光ファイバを用いることで遠隔８１１１定
が可能となり、耐雑音性のある信号伝送が実現できる。

光学的手段として利用する光の性質には、光の強度２位
相１周波数および偏光がある。特に、光の強度変化を測
定する装置は、取り扱いが比較的簡単であり、また信号
処理が容易である点から、種々多数の測定方法および測
定装置に利用されている。しかしながら、一般に、光の
強度変化を利用する測定装置においては、圧力あるいは
温度の検出部以外での光量変化、例えば光ファイバを光
の伝送路とした場合の伝送損失変化による光量変化が測
定誤差の要因となる。この伝送損失変化が発生する原因
として、光ファイバの曲がりによって臨界角より大なる
反射角を持つ伝送光の発生、あるいは光フアイバ全体の
振動によるマイクロベンドの発生等があり、これらは光
ファイバの伝送損失を変化させる。

このよう・なことから、光ファイバを利用して光の強度
変化により圧力あるいは温度を測定する装置では、測定
精度を高めるために、伝送損失変化を小さくするか、伝
送損失変化を補償するか、もしくは伝送損失変化の影響
を受けにくいディジタル出力とするかのいずれかが必要
となる。このディジタル出力の光ファイバセンサについ
ては、特開昭５７−１３１０３２号「光パルス出力圧力
センサ」がある。前記の文献において述べられている光
パルス出力センサの構成を第１５図に示す。

第１５図において、圧力検出部は、送光用バンドルファ
イバ２５ｎと受光用バンドファイバ２６と、これらのバ
ンドルファイバ２５ｎ、２６の端面と対向して配置され
た圧力の印加によって変位する反射板６１と、これらの
位置関係を固定する圧力室１１とから構成される。駆動
回路を含む光源２４からの光は、送光用バンドルファイ
バ２５ｎを構成しているｎ本あるそれぞれの光ファイバ
２５１，２５２．、・・・２５ｎに対し順次入射される
。入射された光は、送光用バンドファイバ２５ｎを通っ
て、反射板６１に投射される。投射された光は反射板６
１にて反射され、その一部が受光用バンドルファイバ２
６にて受光され、受光ダイオード２７に照射される。こ
の照射された光は、光−電気変換回路２８にて電気信号
に変換されるとともに、しきい値回路２９にてその受光
量の絶対値に応じて“Ｌ”　　＃　Ｈ３１の２値しベル
信号に変換され、パルス計数回路３０にて“ＨＮレベル
の信号数が計数され、その計数値から圧力値が変換され
る。

すなわち、圧力の測定笥囲を送光用バンドルファイバ２
５ｎを構成している光ファイバの本数ｎに対応させ、そ
のｎ本の光ファイバに順次光を送った時、受光用バンド
ルファイバ２６にて“Ｈ”レベルとみなせる受光量が何
回あったかによって。

圧力値を算出するものである。

従って、第１５図の様な構成とすることにより。

受光用光ファイバ２６による受光量が、しきい値回路２
９にて２値しベル信号にディジタル化できる。ニーのた
め、光ファイバの伝送損失変動あるいは光源の光量変動
等の影響は、ディジタル化されたことによって低減され
、また圧力は、しきい値回路２９からのパルスを計数す
ることで測定できる。

しかしながらこの例では、圧力センサの測定分解能は、
明らかに送光用バンドルファイバ２５ｎの光フアイバ本
数ｎに依存し、分解能を高めようとすると光ファイバの
本数の増大をきたす。また、それに伴い、送光用バンド
ルファイバ２５ｎと光源２４との光の結合が困難となる
。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、光ファイバを利用してディジタル的に
圧力や温度等の物理量を測定する場合において、使用す
る光ファイバの本数を削減できるディジタル出力光ファ
イバセンサを提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、送光用光ファイバおよび受光用光ファイバと
、圧力あるいは温度等の物理量変化によって変位する反
射板とを対向させた構成において、送光用光ファイバか
らの投射光が反射板にあたる部分に特定の規則によって
コード化された反射鏡を配置し、この反射鏡からのコー
ド化された反射光を受光用光ファイバにて検出するもの
であり、反射光をコード化することにより、ディジタル
出力光ファイバセンサに使用する光ファイバの本数を削
減したことを特徴とする特 〔発明の実施例〕 本発明の実施例を図面に基づいて以下に詳細に説明する
。

第１図は、本発明のディジタル出力光ファイバセンサの
検出部の一実施例を示したものである。

第１図において、送光用光ファイバ１の先端には、一方
向屈折率分布型スラブレンズ２が装着されている。この
スラブレンズ２の作用により、送光用光ファイバ１から
の出射光は、線状となり反射板６に投射される。反射板
６は、圧力あるいは温度変化にともないＺａ、Ｚｂ力方
向変位する。また、反射板６には、スラブレンズ２から
の投射光があたる部分に特定の規則によってコード化さ
れた反射ｊＪ１５ｎが配置されている。ここで反射鏡５
ｎ以外では光は反射しない。従って、このコート化され
た反射＠　５　ｎからの反射光についても同様にコード
化されることになり、ｎ個の一方向屈折率分布型スラブ
レンズ３ｎにコード化された光は入射する。入射した光
は、スラブレンズ３ｎによって収光され、各スラブレン
ズ３１，３２゜３３、・・・３ｎにそれぞれ接続されて
いる受光用光ファイバ４１，４２，４３．・・・、４ｎ
によって受光される。

反射ｆｉ５ｎによる反射光と反射板６との関係について
、第２図により述べる。第２図は、コード化された反射
鏡５ｎが配置された反射板６の一部分を示している。第
１図における反射板６のＺａ。

Ｚｂ力方向の変位により、反射板６とスラブレンズ２と
の相対距離が変化するため、スラブレンズ２からの反射
板６上への投射光７は、Ｙａ、Ｙｂ方向に移動する。従
って１反射＃！５ｎは１反射板６上に均一に配置されて
おらず、ある特定の規則によってコード化された配置と
なっていることから、投射光７の反射ｊｌ’ｉ５ｎによ
る反射光は、投射光７のＹａ、Ｙｂ方向への移動によっ
て変化する。第２図では、ある特定の規則によるコード
化された反射鏡５ｎの配置として、バイナリコードに基
づいて配置した例について示している。すなわち１反射
鏡５ｎの最下列は反射鏡５ｎのＸ方向距離に対し、２０
ビツト、次の列は２１ビツト、その次の列は２２ビツト
・・・どなる、またこの時９反射鏡５ｎのＹ方向に対し
、０，１．．２，３．−、ｎを示す。

従って、反射鏡５ｎのＹ方向において、投射光７の位置
はｎであるが、このｎの値に対応したバイナリコード化
した反射鏡５ｎがＸ方向に配置しである。

コ・−ド化した反射［５ｎからの反射光は、投射光７の
反射板上での位置により異なる。このため、第２図の例
では、各ビットに対応した反射光を受光するため、第１
図に示すように複数のスラブレンズ３ｎを反射ｆｉ５ｎ
のＸ方向に対し配置する。

すなわち、スラブレンズ３１は２０ビツトに対応する反
射鏡５ｎからの反射光、スラブレンズ３２は２１ビツト
に対応する反射鏡５ｎからの反射光。

・・・をそれぞれ受光し、各スラブレンズ３ｎにそれぞ
れ接続されている受光用光ファイバ４ｎに光を伝える。

従って、受光用光ファイバ４ｎへの光の有無から、反射
板６の変位を検出することができる。

第３図は、第１図および第２図にて示した反射鏡５ｎを
有したディジタル出力光ファイバセンサを圧力センサに
適用した場合の構成図を示す。

第３図において、駆動回路８により駆動された発光ダイ
オード９の光は、送光用光ファイバ１に入射する。送光
用光ファイバ１に入射した光は、一方向屈折率分布型ス
ラブレンズ２から出射し、コード化された反射鏡を有す
る反射板６゛に投射される０反射鏡からの反射光は、再
び複数の一方向屈折率分布型スラブレンズ３ｎにて受光
され、それぞれのスラブレンズ３ｎに接続された受光用
光ファイバ４ｎによって伝送される。また、反射板６は
、圧力変化によって変形するベローズ１０に取り付けら
れており、スラブレンズ２および３ｎと反射板６の位置
関係を設定するため、ハウジング１１でこれらは固定さ
れている。受光用ファイバ４ｎにて伝送された光は、各
受光用光ファイバ４１．４２．・・・、４ｎに対応して
反射板６の変位をバイナリコード表現したビット信号と
なるが、これらの光信号は、各ビットに対応した光とし
てフォトダイオードアレイ１２に照射される。フォトダ
イオード１２からの各ビットに対応した光信号は、増幅
回路１３に入力された後波形整形されデコーダの１４の
入力信号となる。デコーダ１４は、入力されたバイナリ
コードの信号を例えば１０進数に変換する。演算および
圧力表示回路１５では、変換された信号を実際の圧力値
と対応させるための演算を行い、その結果を圧力値とし
て表示する。

第４図に、デコーダ１４に対する増幅回路１３からの入
力信号例を示す。バイナリコード化された反射鏡からの
反射光は、反射板６の変位により変化するため、デコー
ダ１４への入力信号は圧力変化により変化する。また、
この圧力センサの圧力測定分解能は、バイナリコードの
ビット数で定まる０例えば、圧力測定範囲に対してその
分解能を１／６４とする場合には、６ビツト必要である
。

このため反射板６のバイナリコード化された反射鏡、一
方向屈折率分布型スラブレンズ３ｎ、受光用光ファイバ
４ｎ、およびフォトダイオードアレイ１２のフォトダイ
オードは、このビット数に対応した数だけあればよい。

第５図は、本発明のディジタル出力光ファイバセンサの
検出部のその他の実施例を示したものである。

第５図と第１図との異なっている点は、送先用光ファイ
バ１ａおよび一方向屈折率分布型スラブレンズ２ａが第
１図に付加されていることである。

第５図において、反射板６のＺａ、Ｚｂ力方向の変位に
より、スラブレンズ２，２ａからの反射板６のコード化
された反射鏡５ｎへの線状の投射光は、Ｙａ、Ｙｂ方向
へと移動する。ここで、反射板６ｆｆｉＺｂ方向に変位
した場合について述べる。この時、送光用光ファイバ１
のみ送光状態にあり、破線で示した光は、一方向屈折率
分布型スラブレンズ３ｎにて受光されているものとする
。反射板６のＺｂ力方向の変位により、反射ｊｊｌＳｎ
上の線状の投射光は、Ｙｂ方向へ移動し、ある変位以上
となるとスラブレンズ３ｎにてコード化された反射光が
受光されなくなる。このため１反射光が受光されなくな
る前に送光用光ファイ１ａに対して送先を開始する。ス
ラブレンズ２ａからの反射鏡５ｎへの投射光は、実線に
て示した光となり、スラブレンズ３ｎにて再び受光され
るようになる。

この様な構成とすることにより、第１図と同一測定範囲
に対し、第５図の場合２回同一反射鏡５ｎのコードを利
用することから１反射鏡５ｎ、スラブレンズ３ｎ、受光
用光ファイバ４ｎの数を減らすことが可能となる。

第６図は、第５図にて示したディジタル出力光ファイバ
センサを圧力センサに適用した場合の構成図を示す。

第６図において、発光ダイオード９，９ａは、駆動回路
８にて駆動され、また駆動回路８はセンサ制御回路１６
にて制御される。受光用光ファイバ４ｎからの光は、フ
ォトダイオードアレイ１２１にて光−電気変換される。

このフォトダイオードアレイ１２１は、センサ制御回路
１６の走査信号（クロック信号）φにて順次走査され、
その出力を増幅回路１８へ送信する。計数回路１７は、
フォトダイオードアレイ１２１の走査のりセット信号を
発生する。増幅回路１８からの出力は、信号変換回路１
９にて実際の圧力値と対応した信号に変換され、圧力表
示回路２０にて表示される。

また、信号変換回路１９からの出力は、センサ制御回路
１６に送信される。この信号を基に、センサ制御回路１
６は、発光ダイオード９，９ａのいずれを駆動するかを
決定する。さらに、°送先用光ファイバ１，１ａのいず
れに送光しているかによって、信号変換回路１９による
圧力値への変換の方法は異なる。すなわち１例えば送先
用光ファイバ１ａに送先している時得られる信号変換回
路１９からの出力は１発光ダイオード９の駆動を発光ダ
イオード９ａに切換えて駆動している場合に得られるが
、送光用光ファイバ１に送光している時得られる信号変
換回路１９からの出力に対し、ある一定値だけバイアス
された値となり、そのバイアスが加えられた結果が圧力
表示回路２０にて表示される。

以上本発明の一実施例として、バイナリコード化された
反射鏡を反射板上に設けた例について示したが、例えば
、ハミング距離が常に１であるグレゴリコード等の特定
の規則のあるコードに従って反射鏡を配置しても可能で
あることは明らかである。

〔本発明のその他の実施例〕

以上述べたディジタル出力光ファイバセンサは、その複
数の受光用光ファイバによる受光量に対し重み付けがそ
れぞれされていると考えることができる。これに対し複
数受光用光ファイバによるそれぞれの受光量への重み付
けを同一とした場合について述べる。

第７図は、本発明のディジタル出力光ファイバセンサの
検出部のその他の実施例を示したものである。送光用光
ファイバ１および受光用光ファイバ４ｎのそれぞれの端
面と、圧力あるいは温度等の最理量変化で変位する反射
板６１とが対向した構造であり、これらの位置関係をハ
ウジング１１にて固定しである。この時、送光用光ファ
イバ１と受光用光ファイバ４１，４２，４３．・・・。

４ｎとの距離はそれぞれ異なる様に配置されている。

第７図において、送光用光ファイバ１から出射した光は
、反射板６１−にて反射され受光用光ファイバ４ｎにて
受光されろ。この反射板６１と光ファイバとの距離変化
に対するそれぞれの受光用光ファイバ４１，４２，４３
．−．４ｎの受光量Ｓｌ。

Ｓｌ　＋　Ｓ　ｓ・・・、Ｓｎの関係を第８図に示す６
すなわち、光ファイバ１．４ｎと反射板６１との距離が
ＺＩＴ　Ｚｚｔ　Ｚａ・・・となるに従い、送光用光フ
ァイバ】にて送られた光は受光用光ファイバ４１．４２
，４３．−・・にて受光量Ｓ　１　？　Ｓ　ｚ＊　Ｓ　
ａｔ・・・として順次受光される。従って、しきい値受
光量８　ｔ　ｈ以上に受光している受光用光ファイバ４
ｎを求めることで、反射板６１の変位量を求めることが
できる。

第９図は、第７図で示したディジタル出力光ファイバセ
ンサの検出部２１からの信号を処理するための構成を示
す。

第９図において・、発光ダイオード９は駆動回路８にて
駆動され、また駆動回路８はセンサ制御回路１６にて制
御される。受光用光ファイバ４ｎからの光はフォトダイ
オードアレイ１２１にて光−電気変換される。このフォ
トダイオードアレイ１２１は、センサ制御回路１６のク
ロック信号φにて順次走査され、その出力を増幅回路１
８へ送信する。増幅回路１８の出力とクロック信号φと
はＡＮＤゲート２３を通り、信号変換回路２２へ送られ
、信号変換回路２２への入力パルス数に対応した圧力あ
るいは温度等の測定物理量の値に変換される。この変換
された値を基に表示回路２０にて表示する。また、計数
回路１７は、クロック信号φを計数し、フォトダイオー
ドアレイ１２１７、信号変換回路２２のリセット信号Ｒ
を発生する。

第１０図は、信号変換回路２２への入力信号例を示した
ものであり、フォトダイオードアレイ１２１の走査信号
（クロック信号）φに対応して。

信号変換回路２２への入力が検出部２１の反射板の変位
に応じて得られろ。すなわち、ディジタル出力光ファイ
バセンサの測定範囲を受光用光ファイバ４ｎによりｎ分
割した時、フォトダイオードアレイ１２１を１回走査し
た場合に得られるパルス数によって圧力、温度等による
反射板の変位量を求めることができる。

第１１図は、受光用光ファイバ４ｎを削減するための方
法について示したものである。第１１図において、送光
用光ファイバ１ａと受光用光ファイバ４ｎ、送光用光フ
ァイバ１ａと受光°月光ファイバ４ｎとのそれぞれの距
離は異なる様に配置されろにの様な構成とすることによ
り、第１２図に示す様に、第８図にて示された特性に加
えて。

新たに送光用光ファイバ１ａを付加したことによりＳ　
１　ａ　ＨＳ　ｘ　ａ　＋・・・が得られる。従って、
同一の反射板６１の変位に対して、その変位の分解能が
向上するため、第７図と同程度のセンサ分解能とした場
合、受光用ファイバ４ｎの本数の削減が可能となる。

第１３図は、第１１図に示したディジタル出力光ファイ
バセンサの検出部２１からの信号を処理するための構成
を示す。第９図と異なっている点は、送光用光ファイバ
１，１ａに時分割的に光を送るため発光ダイオード９，
９ａを設けた点である。この時の信号変換回路２２への
入力信号例を第１４図に示す。発光ダイオード９．９ａ
を時分割駆動しているため、フォトダイオード−アレイ
１２１の走査は、反射板の圧力あるいは温度等の物理量
変化による変位測定１回に対しＴｌおよびＴ２の２回必
要である。すなわち、フォトダイオードアレイ１２１の
２回の走査によって得られたパルス数から、圧力あるい
は温度等の測定物理量の値を求めることができる。

なお、検出部の反射板上にコード化された反射鏡を配置
した実施例について述べたが、反射鏡に対し波長選択性
を持たせ、これを多層構造とすることにより、光ファイ
バの本数をさらに削減したディジタル出力光ファイバセ
ンサが実現できる。

すなわち、発光波長が異なる２つの発光ダイオードの光
を時分割駆動し、送光ファイバにより反射板へ投射する
。反射板上には、それぞれ異なるようにコード化された
反射鏡が２層構成に配置されており、各層の反射鏡は投
射光の各波長に対し選択的に反射する波長選択性を持た
せる。この時、受光用光ファイバは、それぞれの反射鏡
からの反射光を時分割的に受光し、この受光信号から反
射板の変位を求めることができることから１反射鏡を２
Ｍ４構造としない場合と比較して光ファイバの本数を約
１／２に削減することができる。また、受光側にて受光
信号の波長分離機能を加えることにより発光ダイオード
は同時駆動することができる。

〔発明の効果〕 本発明によれば、光ファイバを利用した圧力。

温度等の物理量を光学的に、またさらに、ディジタル的
に検出するディジタル出力光ファイバセンサにおいて、
検出部の反射板上に、特定の規則によりコード化された
反射鏡を配置し、この反射鏡からのコード化された反射
光を受光する構成とすることにより、受光用光ファイバ
の数の大幅な削減が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す構成図、第２図は
本発明に用いる反射板上の反射鏡のコード化の例を示し
た図、第３図は本発明を圧力センサに適用した構成図、
第４図は第３図のデコーダ入力信号例を示した図、第５
図は本発明の第２の実施例を示す構成図、第６図は第５
図の実施例を圧力センサに適用した構成図、第７図は本
発明の第３の実施例を示す図、第８図は第７図の実施例
における受光特性を示す図、第９図は第７図の実施例を
適用した光ファイバセンサの構成図、第１０図は第９図
の計数回路入力信号例を示した図、第１１図は第４の実
施例を示す図、第１２図は第１１図の実施例における受
光特性を示す図、第１３図は第１１図の実施例を適用し
た光ファイバセンサの構成図、第１４図は第１３図の計
数回路入力信号例を示した図、第１５図は従来のディジ
タル出力光ファイバセンサの構成図である。 １．１ａ・・・送先用光ファイバ、２，２ａ、３ｎ・・
・一方向屈折率分布型スラブレンズ、４ｎ・・・受光用
ファイバ、５ｎ・・・反射鏡、６，６１・・・反射板、
８・・・駆動回路、９，９ａ・・・発光ダイオード、１
２゜１２１・・・フォトダイオードアレイ、１３．１８
・・・増幅回路、１４・・・デコーダ、１５．２０・・
・表示回路、１６・・・センサ制御回路、１７・・・計
数回路１９゜２２・・・信号変換回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、圧力、温度変化により変位する反射板と、前記反射
   板と対向して配置された送光用光ファイバおよび受光用
   光ファイバとを設けた光ファイバセンサにおいて、前記
   反射板上に特定の規則により数値表現したコードに対応
   して反射鏡を設置し、前記送光用光ファイバからの前記
   反射鏡への投射光に基づく数値表現したコードに対応し
   た前記反射板からの反射光を受光する手段を前記受光用
   光ファイバに有し、前記受光用光ファイバにより受光し
   た光信号に基づいて前記反射板の変位量を算出する回路
   から構成されることを特徴とするディジタル出力光ファ
   イバセンサ。 ２、特許請求の範囲第１項記載のディジタル出力光ファ
   イバセンサにおいて、前記送光用光ファイバの前記反射
   板側の端面に一方向屈折率分布型スラブレンズを設ける
   とともに、数値表現したコードに対応した前記反射鏡か
   らの反射光を受光する手段として、一方向屈折率分布型
   スラブレンズを前記受光用光ファイバの前記反射板側の
   端面に設けた複数組の受光用光ファイバを備えたことを
   特徴とするディジタル出力光ファイバセンサ。