KR101575869B1 - 평판 광도파로형 물리량 센서 장치 - Google Patents

평판 광도파로형 물리량 센서 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 평판 광도파로형 물리량 센서 장치에 관한 것으로서, 광원에서 전송된 광을 입력단을 통해 입력받아 센싱단을 통해 출력하고, 센싱단을 통해 역으로 입력되는 광을 출력단을 통해 출력하는 광서큘레이터와, 하부 클래드층과 하부 클래드층 위에 적층된 코어층과 코어층 위에 적층된 상부 클래드층을 갖는 평판형으로 형성되며 센싱단을 통해 접속되며 센싱단으로부터 코어층을 통해 전송된 광에 대한 간섭광을 생성할 수 있게 형성된 간섭계부분을 갖는 평판광도파로형 센싱유니트와, 평판 광도파로형 센싱유니트의 간섭계부분에서 역으로 진행하여 출력단을 통해 출력되는 광을 검출하는 광검출기와, 광검출기에서 출력되는 신호로부터 간섭계부분을 통해 측정할 물리량 정보를 산출하는 산출부를 구비한다. 이러한 평판 광도파로형 물리량 센서 장치에 의하면, 간섭계부분을 갖는 평판광도파로형 센싱유니트를 임프린트 공정에 의해 물리량을 측정할 수 있도록 제작할 수 있어 충격에 의해 깨질염려가 없고 대량 복제가 가능한 장점을 제공한다.

Description

평판 광도파로형 물리량 센서 장치{PLC type physical quanty sensing apparatus}
본 발명은 평판 광도파로형 물리량 센서 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 평판광도파로 구조에 의해 광간섭계를 형성하여 물리량을 측정할 수 있도록 된 평판 광도파로형 물리량 센서 장치에 관한 것이다.
광섬유를 이용하여 온도 또는 스트레인을 측정하는 장치가 다양하게 개발되어 있다.
국내 공개특허 제1998-082465호에는 광섬유 격자를 이용하여 온도와 스트레인을 측정하는 광섬유 격자센서가 개시되어 있다.
이러한 광섬유 격자 센서는 광신호를 이용하기 때문에 장거리에서도 측정이 가능하며, 석영으로된 광섬유의 재질에 의해 부식염려가 없어 장기적으로 활용할 수 있으며, 전자기적 간섭을 받지 않고, 크기가 작고 가벼운 장점을 갖고 있다.
그런데, 이러한 광섬유 격자 센서는 광섬유의 소재가 충격에 의해 쉽게 깨어질 수 있어 관리 및 취급이 어렵다. 또한, 광섬유를 가공 과정을 거쳐 제작되기 때문에 공정 재현성이 떨어질 수 있으며 생산성이 떨어지는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 평판광도파로 구조에 의해 물리량을 측정할 수 있는 평판 광도파로형 물리량 센서 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 평판 광도파로형 물리량 센서 장치는 광원과; 상기 광원에서 전송된 광을 입력단을 통해 입력받아 센싱단을 통해 출력하고, 상기 센싱단을 통해 역으로 입력되는 광을 출력단을 통해 출력하는 광서큘레이터와; 하부 클래드층과 상기 하부 클래드층 위에 적층된 코어층과 상기 코어층 위에 적층된 상부 클래드층을 갖는 평판형으로 형성되며 상기 센싱단을 통해 접속되며 상기 센싱단으로부터 상기 코어층을 통해 전송된 광에 대한 간섭광을 생성할 수 있게 형성된 간섭계부분을 갖는 평판광도파로형 센싱유니트와; 상기 평판 광도파로형 센싱유니트의 상기 간섭계부분에서 역으로 진행하여 상기 출력단을 통해 출력되는 광을 검출하는 광검출기와; 상기 광검출기에서 출력되는 신호로부터 상기 간섭계부분을 통해 측정할 물리량 정보를 산출하는 산출부;를 구비한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 평판 광도파로형 센싱 유니트는 상기 상부 클래드층으로부터 수직상으로 상기 코어층을 거쳐 상기 하부 클래드층 상면까기 인입되게 형성되어 외부로 노출된 제1인입홈이 상기 코어층의 종단으로부터 이격되는 위치에 마련되어 상기 간섭계부분을 형성한다.
또 다르게는 상기 평판 광도파로형 센싱 유니트는 상기 상부 클래드층으로부터 수직상으로 상기 코어층의 일부까지 인입되게 외부로 노출된 제2인입홈이 상기 코어층의 종단으로부터 이격되는 위치에 마련되어 상기 간섭계부분을 형성한다.
또한, 상기 평판 광도파로형 센싱 유니트는 상기 센싱단으로부터 멀어지는 방향에 있는 상기 코어층의 종단에서 상기 상부 클래드층으로부터 수직상으로 상기 코어층의 종단 일부까지 인입되게 외부로 노출된 제3인입홈이 형성되어 상기 간섭계부분을 형성할 수도 있다.
본 발명에 따른 평판 광도파로형 물리량 센서 장치에 의하면, 간섭계부분을 갖는 평판광도파로형 센싱유니트를 임프린트 공정에 의해 물리량을 측정할 수 있도록 제작할 수 있어 충격에 의해 깨질염려가 없고 대량 복제가 가능한 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 평판 광도파로형 물리량 센서 장치를 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 평판광도파로형 센싱유니트의 개략적인 사시도이고,
도 3은 도 1의 제1인입홈 내에 용액이 충진된 상태를 나타내 보인 평판광도파로형 센싱유니트의 단면도이고,
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 평판광도파로형 센싱유니트의 단면도이고,
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 평판광도파로형 센싱유니트의 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 평판 광도파로형 물리량 센서 장치를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 평판 광도파로형 물리량 센서 장치를 나타내 보인 도면이고, 도 2는 도 1의 평판광도파로형 센싱유니트의 개략적인 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 평판 광도파로형 물리량 센서 장치(100)는 광원(110), 광서큘레이터(120), 평판광도파로형 센싱유니트(140), 광검출기(160) 및 산출부(170)를 구비한다.
광원(110)은 산출부(170)에 제어되어 광을 전송광섬유(112)를 통해 출사한다.
광서큘레이터(120)는 광원(110)에서 전송 광섬유(112)를 통해 전송된 광을 입력단(121)을 통해 입력받아 센싱단(122)을 통해 출력하고, 센싱단(12)을 통해 역으로 입력되는 광을 출력단(123)을 통해 출력한다.
광서큘레이터(120) 대신 광커플러가 적용될 수 있음은 물론이다.
평판광도파로형 센싱유니트(140)는 센싱단(122)과 접속된 중계광섬유(125)와 커넥터(127)를 통해 접속되어 중계 광섬유(125)를 통해 전송된 광을 코어층(142)을 통해 입력받을 수 있도록 되어 있다.
평판광도파로형 센싱유니트(140)는 하부 클래드층(141)과 하부 클래드층(141) 위에 적층된 코어층(142)과 코어층(142) 위에 적층된 상부 클래드층(143)을 갖는 평판형으로 형성되어 있고, 중계광섬유(125) 및 커넥터(127)를 통해 센싱단(122)과 접속되어 있다.
평판광도파로형 센싱유니트(140)는 센싱단(122)으로부터 코어층(142)을 통해 전송된 광에 대한 간섭광을 생성할 수 있게 형성된 간섭계부분을 갖는 구조로 되어 있다.
평판 광도파로형 센싱유니트(140)의 간섭계부분은 센싱단(122)으로부터 멀어지는 방향에 있는 코어층(142)의 종단(142a)에서 커넥터(127)를 향하는 방향을 따라 이격된 위치에서 상부 클래드층(143)으로부터 수직상으로 코어층(142)을 거쳐 하부 클래드층(141) 상면까기 인입되게 형성되어 상부가 외부로 노출된 제1인입홈(151)이 마련되어 간섭계부분을 형성한다.
여기서 제1인입홈(151)은 코어층(142)의 길이방향을 따라 종단으로부터 이격된 위치에서 코어층(142)이 수직상으로 모두 제거되게 형성되어 있고, 이러한 제1인입홈(151)은 커넥터(127)와 가까운 위치에 있는 제1내벽(151a)에서 반사되는 광과, 제1내벽(151a)과 대향되는 제2내벽(151b)에서 반사되는 광이 간섭광을 형성하며, 외부의 온도 또는 스트레인에 따라 후술되는 광검출기(160)를 통해 입사되는 광의 간섭광의 파장 또는 피크가 변하게 된다.
이러한 제1인입홈(151)은 페브리-페롯 간섭계(Fabry-Perot interferometer)를 형성한다.
또한, 제1인입홈(151) 내에는 도 3에 도시된 바와 같이 측정 대상 물리량의 감도를 높이기 위해 온도에 따른 굴절율 변화가 큰 용액(155)가 충진될 수 있다.
또 다르게는 측정대상 용액의 굴절율을 측정하고자 하는 경우 제1인입홈(151)에 측정대상 용액을 충진시켜 광검출기(160)로부터 수신된 신호에 따라 굴절율을 측정하도록 구축될 수 있음은 물론이다.
이와는 다르게 평판 광도파로형 센싱유니트(140)의 간섭계부분 도 4에 도시되 바와 같이 센싱단(122)으로부터 멀어지는 방향에 있는 코어층(142a)의 종단(142a)에서 종단(142a)로부터 이격된 위치에 상부 클래드층(143)으로부터 수직상으로 코어층(142)의 일부까지 인입되게 상부가 외부로 노출된 제2인입홈(251)이 마련되어 간섭계부분을 형성할 수 있다.
여기서 제2인입홈(251)의 코어층(142) 진입 깊이는 수직방향에서의 코어층(142) 두께의 1/2 정도로 적용하는 것이 바람직하다.
이러한 제2인입홈(251)은 커넥터(127)로부터 입사되는 광 중 제2인입홈(251)을 관통하여 진행된 후 역으로 진행되는 광과, 제2인입홈(251)을 경유하지 않고 종단(142a)까지 진행한 후 반사되는 광이 간섭광을 형성하며, 외부의 온도 또는 스트레인에 따라 후술되는 광검출기(160)를 통해 입사되는 광의 간섭광의 파장 또는 피크가 변하게 된다.
이러한 제2인입홈(251)은 마흐젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer)를 형성한다.
또 다르게는 평판 광도파로형 센싱유니트(140)의 간섭계부분은 도 5에 도시되 바와 같이 센싱단(122)으로부터 멀어지는 방향에 있는 종단(142a)에서 종단(142a)의 일부가 제거되어 상부 및 측면이 모두 외부로 노출된 제3인입홈(351)을 갖는 구조로 형성될 수 있다.
여기서 제3인입홈(151)은 코어층(142)의 종단(142a)에서 코어층(142)의 종단(142a) 일부가 제거되게 형성되어 있다.
이러한 제3인입홈(351)은 커넥터(127)로부터 입사되는 광 중 제3인입홈(351)의 형성에 의해 코어층(142a)의 종단(142a)으로부터 커넥터(127) 방향을 따라 인입된 인입 내측면(351a)에서 반사되어 역으로 진행되는 광과, 제3인입홈(351)을 경유하지 않고 종단(142a)까지 진행한 후 반사되는 광이 간섭광을 형성하며, 외부의 온도 또는 스트레인에 따라 후술되는 광검출기(160)를 통해 입사되는 광의 간섭광의 파장 또는 피크가 변하게 된다.
이러한 제3인입홈(351)은 마이켈슨 간섭계(Michelson interferometer)를 형성한다.
한편, 평판 광도파로형 센싱유니트(140)는 앞서 도 3 내지 도 5의 코어층(142) 구조에 대응되는 마스터를 제작하여 임프린트 방식으로 제조하면 되기 때문에 공정 재현성이 뛰어나고, 코어층(142)은 자외선에 의해 경화되거나 열에 의해 경화되는 광경화 고분자 소재 또는 열경과 고분자소재를 적용하여 형성하면 되기 때문에 충격에 의한 파손이 발생할 염려가 없다.
하부 클래드층(141) 및 상부 클래드층(143)도 코어층(142)과 굴절율이 다르며 광 또는 열에 의해 경화되는 고분자 소재로 형성된 것이 바람직하다.
광검출기(160)는 평판 광도파로형 센싱유니트(140)의 간섭계부분에서 역으로 진행하여 광써쿨레이터(120)의 출력단(123)을 통해 출력되는 광을 검출하고, 검출된 광에 대응되는 전기적 신호를 산출부(170)에 출력한다.
입력부(172)는 산출부(170)의 지원하에 측정 주기 또는 그 밖의 지원되는 기능을 설정할 수 있도록 되어 있다.
산출부(170)는 광원(110)의 구동을 제어하며, 광검출기(160)에서 출력되는 신호로부터 간섭계부분을 통해 측정할 물리량 정보를 산출하고, 산출된 물리량 정보를 표시부(174)를 통해 표시한다.
여기서 산출부(170)는 평판 광도파로형 센싱유니트(140)를 통해 온도를 검출하도록 구축될 수 있고, 이 경우 광검출기(160)를 통해 검출되는 파장이동 정보를 내부 룩업테이블(미도시)에 마련된 파장과 온도 상관관계 데이터로부터 온도를 산출하도록 구축될 수 있다.
또한, 산출부(170)는 평판 광도파로형 센싱유니트(140)를 통해 스트레인을 검출하도록 구축될 수 있고, 이 경우 광검출기(160)를 통해 검출되는 파장이동 정보를 내부 룩업테이블(미도시)에 마련된 파장과 스트레인의 상관관계 데이터로부터 온도를 산출하도록 구축될 수 있다.
또한, 앞서 설명된 바와 같이 산출부(170)는 제1인입홈(151)에 충진된 액체에 대한 굴절율을 측정하도록 구축될 수 있음은 물론이다.
이상에서 설명된 평판광도파로형 물리량 센서 장치(100)에 의하면, 간섭계부분을 갖는 평판광도파로형 센싱유니트(140)를 임프린트 공정에 의해 물리량을 측정할 수 있도록 제작할 수 있어 충격에 의해 깨질 염려가 없고 대량 복제가 가능한 장점을 제공한다.
110: 광원 120: 광서큘레이터
140: 평판광도파로형 센싱유니트 160: 광검출기
170: 산출부

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 광원과;
    상기 광원에서 전송된 광을 입력단을 통해 입력받아 센싱단을 통해 출력하고, 상기 센싱단을 통해 역으로 입력되는 광을 출력단을 통해 출력하는 광서큘레이터와;
    하부 클래드층과 상기 하부 클래드층 위에 적층된 코어층과 상기 코어층 위에 적층된 상부 클래드층을 갖는 평판형으로 형성되며 상기 센싱단을 통해 접속되며 상기 센싱단으로부터 상기 코어층을 통해 전송된 광에 대한 간섭광을 생성할 수 있게 형성된 간섭계부분을 갖는 평판광도파로형 센싱유니트와;
    상기 평판 광도파로형 센싱유니트의 상기 간섭계부분에서 역으로 진행하여 상기 출력단을 통해 출력되는 광을 검출하는 광검출기와;
    상기 광검출기에서 출력되는 신호로부터 상기 간섭계부분을 통해 측정할 물리량 정보를 산출하는 산출부;를 구비하고,
    상기 평판 광도파로형 센싱 유니트는
    상기 상부 클래드층으로부터 수직상으로 상기 코어층의 일부까지 인입되게 외부로 노출된 제2인입홈이 상기 코어층의 종단으로부터 이격되는 위치에 마련되어 상기 간섭계부분을 형성하는 것을 특징으로 하는 평판 광도파로형 물리량 센서 장치.
  4. 광원과;
    상기 광원에서 전송된 광을 입력단을 통해 입력받아 센싱단을 통해 출력하고, 상기 센싱단을 통해 역으로 입력되는 광을 출력단을 통해 출력하는 광서큘레이터와;
    하부 클래드층과 상기 하부 클래드층 위에 적층된 코어층과 상기 코어층 위에 적층된 상부 클래드층을 갖는 평판형으로 형성되며 상기 센싱단을 통해 접속되며 상기 센싱단으로부터 상기 코어층을 통해 전송된 광에 대한 간섭광을 생성할 수 있게 형성된 간섭계부분을 갖는 평판광도파로형 센싱유니트와;
    상기 평판 광도파로형 센싱유니트의 상기 간섭계부분에서 역으로 진행하여 상기 출력단을 통해 출력되는 광을 검출하는 광검출기와;
    상기 광검출기에서 출력되는 신호로부터 상기 간섭계부분을 통해 측정할 물리량 정보를 산출하는 산출부;를 구비하고,
    상기 평판 광도파로형 센싱 유니트는
    상기 센싱단으로부터 멀어지는 방향에 있는 상기 코어층의 종단에서 상기 상부 클래드층으로부터 수직상으로 상기 코어층의 종단 일부까지 인입되게 외부로 노출된 제3인입홈이 형성되어 상기 간섭계부분을 형성하는 것을 특징으로 하는 평판 광도파로형 물리량 센서 장치.
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KR20210106218A (ko) * 2020-02-20 2021-08-30 한국광기술원 광섬유 온도센서 및 이를 적용한 온도측정장치

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