WO2022138361A1 - 光学センサおよび物理量測定装置 - Google Patents

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WO2022138361A1
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head
optical sensor
sensor head
optical
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PCT/JP2021/046194
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歩 坂本
圭一 藤田
勉 山手
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長野計器株式会社
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    • G—PHYSICS
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/45—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length using interferometric methods; using Schlieren methods
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
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    • G—PHYSICS
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    • G01L11/00—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00
    • G01L11/02—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by optical means
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    • G01L19/0092—Pressure sensor associated with other sensors, e.g. for measuring acceleration or temperature
    • G—PHYSICS
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    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0076—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means
    • G01L9/0077—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means for measuring reflected light
    • G01L9/0079—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using photoelectric means for measuring reflected light with Fabry-Perot arrangements

Definitions

  • the present invention relates to an optical sensor and a physical quantity measuring device.
  • Patent Document 1 an optical sensor in which a sensor head and a base supporting the sensor head are formed of sapphire having high physical and chemical strength is known (for example, Patent Document 1 and the like).
  • Patent Document 1 by forming the sensor head and the base from sapphire, it is possible to measure a high temperature and high pressure fluid to be measured.
  • Patent Document 1 describes that the wall portion of the sensor head is joined to the base portion, but does not describe the specific joining structure thereof. Therefore, there has been a demand for a structure capable of firmly joining the sensor head and the base.
  • An object of the present invention is to provide an optical sensor and a physical quantity measuring device capable of firmly joining a sensor head and a base.
  • the optical sensor of the present invention has a metal base formed in a tubular shape, an optical waveguide inserted inside the base, and a single crystal alumina which is joined to the base and optically connected to the optical waveguide. It has a sensor head having a head portion formed of, the base portion has an fitted insertion portion into which the sensor head is fitted, and the sensor head and the fitted insertion portion have a joining member. It is characterized by being joined via.
  • the base has a fitted portion into which the sensor head is fitted. Then, after the sensor head is fitted into the fitted insertion portion of the base portion, the fitted insertion portion and the sensor head are joined via a joining member. As a result, the sensor head and the base can be firmly joined. Further, the sensor head is formed of single crystal alumina such as sapphire having high physical and chemical strength. This makes it possible to prevent the sensor head from being damaged even when the fluid to be measured is at high temperature and high pressure. Further, since the base is formed of metal, it can be easily processed and the manufacturing cost can be suppressed as compared with the case where the base is formed of sapphire or the like. Therefore, the physical and chemical strength of the optical sensor can be increased, and the processing can be easily performed.
  • the head portion is provided with a first reflecting surface that reflects a part of the light introduced from the optical waveguide and facing the first reflecting surface, and is introduced from the optical waveguide.
  • the optical waveguide has a second reflecting surface that reflects a part of the light, and interferes with the light reflected by the first reflecting surface and the light reflected by the second reflecting surface in the optical waveguide.
  • a cavity for output is provided.
  • the head portion of the sensor head that comes into contact with the fluid to be measured is provided with a cavity that outputs the interference light between the light reflected on the first reflecting surface and the light reflected on the second reflecting surface to the optical waveguide. .. Therefore, by analyzing the interference light, for example, physical quantities such as pressure and temperature of the fluid to be measured can be detected.
  • the distance between the first reflecting surface and the second reflecting surface depends on the pressure of the fluid to be measured.
  • the interference light output from the cavity mainly depends on the pressure of the fluid to be measured. Therefore, the pressure of the fluid to be measured can be detected by analyzing the interference light.
  • the sensor head has a columnar portion, and the peripheral surface of the columnar portion and the fitted insertion portion are joined via the joining member.
  • a columnar portion different from the head portion is inserted into the fitted insertion portion and joined via the joining member.
  • the base portion has a support portion that supports the sensor head.
  • the support portion for supporting the sensor head is provided at the base portion, even if a high stress acts on the sensor head, the stress can be supported by the support portion. Therefore, the connection between the sensor head and the base can be further strengthened.
  • the support portion and the sensor head are joined via a welded member.
  • the sensor head can be reliably fixed by the base portion.
  • the base portion is provided with a base main body portion into which the optical waveguide is inserted, and the fitted insertion portion extending from the base main body portion and formed in a cylindrical shape on the tip side.
  • a space defined by the base body portion, the connection portion, the fitting insertion portion, and the sensor head is formed, and the connection portion is larger than the fitting insertion portion.
  • the wall is thick and the inner peripheral surface exposed to the space side is curved.
  • the inner peripheral surface of the connecting portion provided between the base main body portion and the fitted insertion portion is curved, so that, for example, a corner portion is formed between the base main body portion and the fitted insertion portion. It is possible to suppress the concentration of stress as compared with the case where it is provided. Therefore, it is possible to prevent the base end side of the fitted portion from being damaged due to the concentration of stress.
  • the physical quantity measuring device of the present invention has a light source, a metal base formed in a tubular shape, an optical waveguide optically connected to the light source and inserted inside the base, and an end portion of the base.
  • Optical detection that detects an interference signal from an optical sensor that is joined and optically connected to the optical waveguide and has a sensor head having a head portion formed of single crystal alumina and interference light output from the optical sensor.
  • a unit and a calculation unit for calculating the physical amount of the fluid to be measured from the interference signal detected by the optical detection unit are provided, and the base unit has an inlaid insertion unit into which the sensor head is inserted.
  • the sensor head and the fitted insertion portion are characterized in that they are joined via a joining member. In the present invention, the same effect as the above-mentioned effect can be obtained.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of the physical quantity measuring device 100 of the first embodiment.
  • the physical quantity measuring device 100 includes an optical sensor 1, a wideband light source 2, an optical cable 3, a light receiver 4, and a circulator 7.
  • the optical sensor 1 is a sensor configured to be able to detect the pressure of the fluid to be measured. The details of the optical sensor 1 will be described later.
  • the broadband light source 2 emits light having a wavelength of a wide band.
  • the wideband light source 2 is an example of the light source of the present invention.
  • the broadband light source 2 is, for example, an SC (Super Continuum) light source, and is configured to be capable of emitting light in a wavelength region of about 1200 nm to 1600 nm.
  • the broadband light source 2 is not limited to the above configuration, and may be a combination of an ASE (Amplified Spontaneous Emission) light source, an SLD (Super luminescent diode) light source, an LED (Light Emitting Diode) light source, or the like.
  • the broadband light source 2 may be configured to be capable of emitting light in a wavelength region wider than the exemplified wavelength region, or may be configured to be capable of emitting light in a wavelength region narrower than the exemplified wavelength region. May be good.
  • the optical cable 3 is configured to include a so-called multimode optical fiber, a protective member, and the like, and the light emitted from the broadband light source 2 is incident on the optical cable 3. Then, the optical cable 3 transmits the light emitted from the broadband light source 2 to the optical sensor 1. Further, the optical cable 3 transmits the first interference light and the second interference light emitted from the optical sensor 1 to the receiver 4.
  • the optical cable 3 is not limited to the one provided with the multimode optical fiber, and may be configured with the single mode optical fiber, for example.
  • the circulator 7 incidents the light emitted from the broadband light source 2 and sends it to the optical sensor 1. Further, the circulator 7 incidents the interference light emitted from the optical sensor 1 and sends it to the receiver 4.
  • the circulator 7 is not limited to the above configuration, and may be configured from, for example, a beam splitter.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing an outline of the optical sensor 1
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing an outline of a main part of the optical sensor 1.
  • the optical sensor 1 includes a base 10, an optical fiber member 20, a sensor head 30, a ferrule 40, a bonding member 50, and a dielectric film 60.
  • the base portion 10 is made of metal and includes a base portion main body portion 11 and a fitting insertion portion 12.
  • the base 10 is formed of, for example, stainless steel. Therefore, since the shape of the base 10 can be formed by machining such as cutting, the machining of the base 10 can be facilitated.
  • the base 10 is not limited to the above configuration, and may be formed of, for example, a metal such as titanium or a nickel alloy.
  • the base main body portion 11 is formed in a cylindrical shape, and a through hole 111 is formed therein. Further, the base main body portion 11 includes a first cylinder portion 112, a second cylinder portion 113, and a third cylinder portion 114.
  • the base main body 11 is not limited to being formed in a cylindrical shape, and may be formed in a polygonal cylinder shape, for example.
  • the first cylinder portion 112 is provided on the tip end side of the base main body portion 11, and has the largest diameter in the base main body portion 11.
  • the first cylinder portion 112 is provided with a fitting insertion portion 12 at one end thereof and a second cylinder portion 113 at the other end portion. Further, the first cylinder portion 112 is provided with a tapered portion on the tip end side.
  • the second cylinder portion 113 is provided between the first cylinder portion 112 and the third cylinder portion 114 in the base main body portion 11.
  • the diameter of the second cylinder portion 113 is smaller than that of the first cylinder portion 112, and the diameter of the second cylinder portion 113 is larger than that of the third cylinder portion 114.
  • the third cylinder portion 114 is provided on the base end side of the base main body portion 11, and has the smallest diameter in the base main body portion 11.
  • the inner peripheral surface of the pipe (not shown) is joined to the outer peripheral surface of the third tubular portion 114, and then the outer peripheral surface of the second tubular portion 113 is joined.
  • a nut member (not shown) can be arranged on the surface side.
  • the base main body 11 is not limited to the above configuration, and may be formed so that the diameter does not change from one end to the other end, for example.
  • the fitted insertion portion 12 is formed in a cylindrical shape, and is provided at the end portion on the tip end side of the first tubular portion 112 as described above.
  • the fitted insertion portion 12 is integrally formed with the base main body portion 11.
  • a sensor head 30 is inserted and joined to the inner peripheral side of the fitted insertion portion 12. The details of the joining method of the sensor head 30 will be described later.
  • the optical fiber member 20 is arranged in the through hole 111 of the base main body 11.
  • the optical fiber member 20 is composed of a so-called multimode optical fiber, and is continuously provided with the optical fiber constituting the optical cable 3.
  • the optical fiber member 20 is optically connected to the broadband light source 2.
  • the optical fiber member 20 is not limited to being continuously provided with the optical fiber constituting the optical cable 3, and may be connected to the optical fiber constituting the optical cable 3 by, for example, a connector or the like.
  • the optical fiber member 20 transmits the light incident from the optical cable 3 to the sensor head 30. Further, the optical fiber member 20 transmits the interference light emitted from the sensor head 30 to the optical cable 3.
  • the optical fiber member 20 is an example of the optical waveguide of the present invention. Further, the optical fiber member 20 is not limited to that composed of a multimode optical fiber, and may be composed of, for example, a single mode optical fiber.
  • the sensor head 30 is formed in a columnar shape, and is inserted into and joined to the fitted insertion portion 12 of the base portion 10 as described above.
  • the sensor head 30 includes a head portion 31 and a columnar portion 32.
  • the head portion 31 is formed in a columnar shape from sapphire, which is a single crystal alumina, and is provided on the tip end side of the sensor head 30.
  • the head portion 31 has a contact surface 311, a cavity 312, and a joint surface 313.
  • the contact surface 311 is the tip surface of the head portion 31 and is a surface that comes into contact with the fluid to be measured.
  • the cavity 312 is formed by, for example, forming a head portion 31 by joining one columnar member having a recess formed by MEMS (Micro Electro Mechanical System) or machining to the other columnar member. It is formed. In this embodiment, the inside of the cavity 312 is in a vacuum state.
  • the cavity 312 has a first reflecting surface 3121 and a second reflecting surface 3122.
  • the first reflecting surface 3121 reflects a part of the light emitted from the optical fiber member 20.
  • the second reflecting surface 3122 is provided so as to face the first reflecting surface 3121 and reflects a part of the light emitted from the optical fiber member 20.
  • the first interference light is an example of the interference light of the present invention.
  • the cavity 312 may be configured such that light is multiple-reflected by the first reflecting surface 3121 and the second reflecting surface 3122, and the multiple-reflected light interferes with each other.
  • the inside of the cavity 312 is not limited to the vacuum state, and for example, air or the like may be present.
  • the joint surface 313 is arranged on the base end side of the head portion 31 and is joined to the tip surface 321 of the columnar portion 32 described later.
  • the columnar portion 32 is provided on the base end side of the sensor head 30, and is formed in a columnar shape.
  • the columnar portion 32 is formed in a columnar shape from sapphire, which is a single crystal alumina.
  • the columnar portion 32 has a tip surface 321, an insertion hole 322, and a base end surface 323.
  • the tip surface 321 is a surface on the tip side of the columnar portion 32, and is a surface facing the joint surface 313 of the head portion 31.
  • the tip surface 321 is bonded to the bonding surface 313 of the head portion 31 by fusion bonding.
  • the joining surface 313 and the tip surface 321 are not limited to being joined by fusion bonding, and may be joined by, for example, ADB or SAB.
  • the insertion hole 322 is formed so as to penetrate the central portion of the columnar portion 32.
  • the optical fiber member 20 and the ferrule 40 are inserted inside the insertion hole 322.
  • the base end surface 323 is a surface on the base end side of the columnar portion 32, and is a surface facing the first cylinder portion 112 of the base portion main body portion 11.
  • the joining member 50 is arranged on the outer peripheral surface of the columnar portion 32. Then, the columnar portion 32 is inserted into the fitted insertion portion 12 of the base portion 10, and then the outer peripheral surface is joined to the fitted insertion portion 12 via the joining member 50. As a result, the sensor head 30 and the base 10 are firmly joined. Further, in the present embodiment, the base end surface 323 of the columnar portion 32 and the base main body portion 11 are not in contact with each other. That is, there is a space between the columnar portion 32 and the base main body portion 11. The details of the joining member 50 inserted between the columnar portion 32 and the fitted insertion portion 12 will be described later.
  • the ferrule 40 is a member that supports the optical fiber member 20.
  • the ferrule 40 is formed with a hole (not shown) penetrating the ferrule 40 from one end to the other.
  • the optical fiber member 20 is inserted into the hole of the ferrule 40.
  • the ferrule 40 supports the optical fiber member 20.
  • the ferrule 40 is arranged in the insertion hole 322 whose tip end side is provided in the columnar portion 32.
  • a dielectric film 60 is provided at the tip of the ferrule 40. That is, the ferrule 40 is provided with a dielectric film 60 at the tip inside the insertion hole 322.
  • the ferrule 40 supports the dielectric film 60 so that the dielectric film 60 and the joint surface 313 of the head portion 31 do not come into contact with each other. Specifically, the ferrule 40 supports the dielectric film 60 so that the joint surface 313 of the head portion 31 and the dielectric film 60 are arranged at a distance of about 100 ⁇ m. The details of the dielectric film 60 will be described later.
  • the joining member 50 is a member that is inserted between the columnar portion 32 and the fitted insertion portion 12 to join the columnar portion 32 and the fitted insertion portion 12.
  • the joining member 50 is made of a brazing material.
  • the joining member 50 is made of a brazing material formed of Au—Cu or a brazing material formed of Ag—Cu.
  • Mo—Mn plating is provided on the surface of the columnar portion 32 facing the joining member 50, and Ni plating is further provided on the surface of the columnar portion 32. That is, the surface of the columnar portion 32 facing the joining member 50 is metallized by a so-called metallizing method.
  • the columnar portion 32 formed of sapphire and the joining member 50 can be firmly joined. Therefore, the inlaid portion 12 of the base portion 10 made of a metal such as stainless steel and the columnar portion 32 can be firmly joined via the joining member 50.
  • the joining member 50 is not limited to the above structure, and may be made of, for example, glass or ceramic, and is made of a member capable of firmly joining the fitted insertion portion 12 and the columnar portion 32. Just do it.
  • the dielectric film 60 is configured as a single-layer film of a dielectric. Further, in the present embodiment, the dielectric film 60 has a third reflecting surface 61 and a fourth reflecting surface 62.
  • the third reflecting surface 61 reflects a part of the light incident from the optical fiber member 20.
  • the fourth reflecting surface 62 reflects a part of the light incident from the optical fiber member 20. Then, the light reflected by the third reflecting surface 61 and the fourth reflecting surface 62 interfere with each other, so that the second interference light is output from the dielectric film 60.
  • the dielectric film 60 may be configured such that light is multiple-reflected by the third reflecting surface 61 and the fourth reflecting surface 62, and the multiple-reflected light interferes with each other. Further, the dielectric film 60 is not limited to the above configuration, and may be configured as a multilayer film in which a plurality of dielectric layers are laminated, for example.
  • the dielectric film 60 outputs the second interference light according to the temperature of the fluid to be measured.
  • the distance between the first reflecting surface 3121 and the second reflecting surface 3122 depends on the pressure and temperature of the fluid to be measured. That is, the cavity 312 outputs the first interference light according to the pressure and temperature of the fluid to be measured.
  • the light receiver 4 incidents the first interference light and the second interference light emitted from the optical sensor 1 and calculates the physical quantity corresponding to the first interference light and the second interference light.
  • the photodetector 4 has a photodetector 5 and an MPU 6.
  • the photodetection unit 5 includes a photodetection element (not shown), a photoelectric converter, an amplifier, an AD converter, and the like, and detects the incident first interference light and second interference light to detect a first interference signal. And the second interference signal is output.
  • the first interference signal and the second interference signal are examples of the interference signals of the present invention.
  • the MPU 6 is a so-called Micro Processing Unit, which inputs a plurality of interference signals output from the light detection unit 5 and calculates a physical quantity corresponding to each interference signal.
  • the MPU 6 measures a physical quantity from the first interference signal and the second interference signal by a known calculation method. That is, the MPU 6 obtains interference fringes from each of the first interference signal and the second interference signal. Then, the MPU 6 calculates the phase change from the periodic intensity change of the interference fringes.
  • the MPU 6 calculates the physical quantity according to the phase change by obtaining the correlation between the phase change and the physical quantity in advance.
  • the MPU 6 is an example of the arithmetic unit of the present invention.
  • the first interference light is affected by the pressure and temperature of the fluid to be measured. Therefore, the first interference signal depends mainly on the pressure of the fluid to be measured, but also on the temperature.
  • the second interference light is affected by the temperature of the fluid to be measured, but is not easily affected by the pressure. Therefore, the second interference signal mainly depends on the temperature of the fluid to be measured.
  • the MPU 6 can obtain the pressure of the fluid to be measured by subtracting the calculation result of the physical quantity based on the second interference signal from the calculation result of the physical quantity based on the first interference signal. That is, since the pressure obtained from the first interference light of the cavity 312 can be temperature-compensated, the measurement accuracy of the pressure of the fluid to be measured can be improved.
  • the base portion 10 has an fitted insertion portion 12 into which the sensor head 30 is fitted. Then, after the sensor head 30 is fitted into the fitted insertion portion 12 of the base portion 10, the fitted insertion portion 12 and the sensor head 30 are joined via the joining member 50. As a result, the sensor head 30 and the base 10 can be firmly joined. Further, the sensor head 30 is formed of sapphire having high physical and chemical strength. This makes it possible to prevent the sensor head 30 from being damaged even when the fluid to be measured is at high temperature and high pressure.
  • the base 10 is formed of a metal such as stainless steel, it can be easily processed and the manufacturing cost can be suppressed as compared with the case where the base 10 is formed of sapphire or the like. Therefore, the physical and chemical strength of the optical sensor 1 can be increased, and the processing can be easily performed.
  • the head portion 31 of the sensor head 30 in contact with the fluid to be measured has the first interference light of the light reflected by the first reflecting surface 3121 and the light reflected by the second reflecting surface 3122.
  • a cavity 312 is provided to output the light to the optical fiber member 20. The distance between the first reflecting surface 3121 and the second reflecting surface 3122 depends on the pressure of the fluid to be measured. Therefore, the pressure of the fluid to be measured can be detected by analyzing the first interference light.
  • the columnar portion 32 joined to the head portion 31 is inserted into the fitted insertion portion 12 and joined via the joining member 50.
  • the head portion 31 is inserted into the fitting insertion portion 12 and is joined to the fitting insertion portion 12 via the joining member 50, stress acts on the head portion 31 and the cavity 312 is deformed. There is a risk of doing so. Then, there is a possibility that an error may occur in the detection of the pressure of the fluid to be measured according to the deformation of the cavity 312.
  • the head portion 31 since the head portion 31 is not joined to the fitted insertion portion 12, it is possible to suppress the occurrence of an error due to the head portion 31 being joined to the fitted insertion portion 12.
  • the optical sensor 1 has the light reflected by the third reflecting surface 61 and the fourth reflecting surface 62 of the dielectric film 60 in addition to the first interference light output from the cavity 312. Outputs the second interference light that interferes with. Therefore, the pressure obtained from the first interference light can be temperature-compensated by the second interference light, and the pressure measurement accuracy can be improved.
  • the second embodiment is different from the first embodiment in that the support portion 13A is provided on the distal end side of the base portion 10A.
  • the same or similar configurations as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing an outline of the optical sensor 1A of the present embodiment
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing an outline of a main part of the optical sensor 1A.
  • the optical sensor 1A includes a base 10A, an optical fiber member 20, a sensor head 30, a ferrule 40, and a joining member 50.
  • the base 10A is made of a metal such as stainless steel, as in the first embodiment described above.
  • the base portion 10A includes a base main body portion 11A, a fitting insertion portion 12A, and a support portion 13A.
  • the base main body 11A is formed in a cylindrical shape as in the first embodiment described above, and a through hole 111A is formed inside.
  • the base main body portion 11A includes a first cylinder portion 112A, a second cylinder portion 113A, and a third cylinder portion 114A.
  • a support portion 13A protruding toward the sensor head 30 is provided on the tip end side of the first cylinder portion 112A.
  • the support portion 13A is provided so as to project from the tip end side of the first cylinder portion 112A toward the sensor head 30.
  • the support portion 13A has a cylindrical shape along the opening of the through hole 111A, and is integrally formed with the base main body portion 11A.
  • the surface of the support portion 13A on the distal end side is in contact with the base end surface 323 of the columnar portion 32 of the sensor head 30.
  • the support portion 13A supports the sensor head 30.
  • the support portion 13A supports the sensor head 30.
  • the support portion 13A can be supported by the support portion 13A. Therefore, since the stress acting on the joint portion between the columnar portion 32 and the fitted insertion portion 12A can be dispersed, the joint between the sensor head 30 and the base portion 10A can be further strengthened.
  • the base portion 10A is provided with the support portion 13A for supporting the sensor head 30, even if a high stress acts on the sensor head 30, the stress is supported by the support portion 13A. be able to. Therefore, the connection between the sensor head 30 and the base portion 10A can be further strengthened.
  • the third embodiment is different from the first and second embodiments in that the support portion 13B of the base portion 10B and the sensor head 30 are joined via a welded member.
  • the same or similar configurations as those in the first and second embodiments are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view showing an outline of a main part of the optical sensor 1B of the present embodiment.
  • the optical sensor 1B includes a base portion 10B, an optical fiber member 20, a sensor head 30, a ferrule 40, a joining member 50, and a welding member 70.
  • the support portion 13B is provided so as to project from the tip end side of the base main body portion 11B toward the sensor head 30 in a cylindrical shape, similarly to the support portion 13A of the second embodiment described above.
  • the tip surface of the support portion 13B and the base end surface 323 of the columnar portion 32 of the sensor head 30 are joined by a welding member 70.
  • the welding member 70 may be made of a brazing material or a solder material, and may be configured so that the sensor head 30 and the support portion 13B can be joined to each other.
  • the tip surface of the support portion 13B and the columnar portion 32 of the sensor head 30 are joined by a welding member 70. Therefore, even if a high stress acts on the sensor head 30, the sensor head 30 can be reliably fixed.
  • the connecting portion 14C is provided between the base main body portion 11C and the fitted insertion portion 12C, and the inner peripheral surface of the connecting portion 14C is curved in that the first to third embodiments are formed. Different from.
  • the same or similar configurations as those in the first to third embodiments are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view showing an outline of a main part of the optical sensor 1C of the present embodiment.
  • the optical sensor 1C includes a base portion 10C, an optical fiber member 20, a sensor head 30, a ferrule 40, and a joining member 50.
  • the base portion 10C is made of a metal such as stainless steel, as in the first to third embodiments described above.
  • the base portion 10C includes a base portion main body portion 11C, a fitted insertion portion 12C, and a connecting portion 14C.
  • the base main body 11C is formed in a cylindrical shape as in the first to third embodiments described above.
  • a connecting portion 14C is provided between the base main body portion 11C and the fitted insertion portion 12C.
  • connection portion 14C extends from the base main body portion 11C in a substantially cylindrical shape along the outer periphery of the base main body portion 11C. Then, on the tip end side of the connecting portion 14C, a fitting insertion portion 12C is provided continuously with the connecting portion 14C. As a result, a space S defined by the base main body 11C, the connecting portion 14C, the fitting insertion portion 12C, and the sensor head 30 is formed between the sensor head 30 and the base main body 11C.
  • the connecting portion 14C is thicker than the fitted insertion portion 12C. Specifically, the connecting portion 14C is provided so as to increase in thickness from the fitted insertion portion 12C side toward the base main body portion 11C side. The inner peripheral surface of the connecting portion 14C exposed to the space S side is curved. As a result, even if a high stress acts on the sensor head 30, it is possible to suppress the concentration of stress between the base main body portion 11C and the fitted insertion portion 12C. That is, in the present embodiment, it is possible to suppress the concentration of stress as compared with the case where the corner portion is provided between the base main body portion 11C and the fitted insertion portion 12C.
  • the base end side of the fitted insertion portion 12C from being damaged due to the concentration of stress. Further, in the present embodiment, since the space S defined by the base main body portion 11C, the connection portion 14C, the fitting insertion portion 12C, and the sensor head 30 is formed, the corner portion of the sensor head 30 is fitted and inserted. It is possible to prevent the fitted insertion portion 12C from being damaged by contacting the portion 12C.
  • the inner peripheral surface of the connecting portion 14C provided between the base main body portion 11C and the fitted insertion portion 12C is curved, so that, for example, the base main body portion 11C and the fitted insertion portion are fitted and inserted. It is possible to suppress the concentration of stress as compared with the case where the corner portion is provided between the portion 12C. Therefore, it is possible to prevent the base end side of the fitted insertion portion 12C from being damaged due to the concentration of stress.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and modifications, improvements, and the like to the extent that the object of the present invention can be achieved are included in the present invention.
  • a hole is formed in the ferrule 40, and the optical fiber member 20 is inserted into the hole, but the present invention is not limited to this.
  • the optical fiber member may be connected to the end of the light-transmitting ferrule, and the light output from the optical fiber member may be configured to be incident on the sensor head via the ferrule.
  • the columnar portion 32 of the sensor head 30 is formed of sapphire, which is a single crystal alumina, but the present invention is not limited to this.
  • the columnar portion of the sensor head may be formed of a metal such as stainless steel, ceramic, or the like.
  • the sensor head may be configured by joining a head portion made of single crystal alumina such as sapphire and a columnar portion made of metal, ceramic, or the like.
  • the head portion 31 of the sensor head 30 is provided with one cavity 312, but the present invention is not limited to this.
  • a plurality of cavities may be provided in the head portion of the sensor head. In this case, it may be configured to be able to detect a plurality of physical quantities by analyzing the interference light output from each cavity, or it may be configured to be able to compensate for the temperature.
  • the sensor head 30 is formed in a columnar shape, but the present invention is not limited to this.
  • the sensor head may be formed in a prism such as a prism or a hexagonal prism.
  • the fitted insertion portion provided on the base portion is formed in the shape of a square cylinder or a hexagonal cylinder.
  • the temperature is measured based on the second interference light, and the pressure obtained from the first interference light is temperature-compensated, but the present invention is not limited to this.
  • a thermocouple for measuring the temperature of the fluid to be measured a resistance temperature detector, or the like may be provided so that the temperature can be compensated by this output value. That is, it may be configured so that the temperature can be measured optically or electrically.
  • the pressure obtained from the first interference light is temperature-compensated based on the second interference light output from the dielectric film 60, but the present invention is not limited to this.
  • the pressure obtained from the first interference light may be temperature-compensated based on the interference light in which the light reflected by the second reflection surface 3122 and the joint surface 313 interferes with each other. Further, the case where the pressure obtained from the first interference light is not temperature-compensated is also included in the present invention.
  • the optical waveguide is composed of the optical fiber member 20, but the optical wave guide is not limited to this.
  • the optical waveguide may be composed of a light-transmitting member formed of a crystalline material or the like.
  • a part of the tip end side of the first cylinder portion of the base main body portion is cut in an annular shape along the outer periphery, and the annular ring body corresponding to the cut portion is the first cylinder portion. It may be arranged along the periphery. Then, the ring body is joined to an uncut portion (step portion) on the base end side of the first cylinder portion, and the outer peripheral surface of the first cylinder portion of the cut portion and the inner peripheral surface of the ring body. It may be configured so that a space is formed between the two.
  • a support portion for supporting the sensor head may be provided at the base portion. Further, as in the third embodiment, the support portion and the sensor head may be joined by a welded member.
  • the optical sensors 1, 1A, 1B, and 1C are configured to be able to detect the pressure of the fluid to be measured, but the present invention is not limited to this.
  • the optical sensor may be configured to be able to detect a physical quantity such as distortion.
  • Optical sensor 2 ... Wideband light source, 3 ... Optical cable, 4 ... Receiver, 5 ... Optical detector, 6 ... MPU (calculation unit), 7 ... Circulator, 10,10A, 10B, 10C ... base, 11, 11A, 11B, 11C ... base main body, 12, 12A, 12B, 12C ... fitting insertion part, 13A, 13B ... support, 14C ... connection, 20 ... optical fiber member (optical waveguide), 30 ... sensor head, 31 ... head part, 32 ... columnar part, 40 ... ferrule, 50 ... joining member, 60 ... dielectric film, 61 ... third reflective surface, 62 ... fourth reflective surface, 100 ...

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Abstract

光学センサ（１）は、筒状に形成される金属製の基部（１０）と、基部（１０）の内部に挿入される光ファイバ部材（２０）と、基部（１０）に接合されて光ファイバ部材（２０）と光学的に接続され、単結晶アルミナから形成されるヘッド部（３１）を有するセンサヘッド（３０）と、を有し、基部（１０）は、センサヘッド（３０）が嵌挿される被嵌挿部（１２）を有し、センサヘッド（３０）と被嵌挿部（１２）とは、接合部材（５０）を介して接合されることを特徴とする。

Description

光学センサおよび物理量測定装置
　本発明は、光学センサおよび物理量測定装置に関する。
　従来、センサヘッドおよび当該センサヘッドを支持する基部を、物理的・化学的強度の高いサファイアから形成した光学センサが知られている（例えば、特許文献１等）。
　特許文献１では、センサヘッドおよび基部をサファイアから形成することにより、高温・高圧の被測定流体を測定可能としている。
米国特許出願公開第２００９／０１５１４２３号明細書
　ところで、センサヘッドと基部とが強固に接合されていないと、高温・高圧の被測定流体を測定する場合に、センサヘッドと基部との接合部分が損傷してしまうおそれがある。
　この点について、特許文献１には、センサヘッドの壁部を基部に接合させることが記載されているものの、その具体的な接合構造については記載されていない。
　そのため、センサヘッドと基部とを強固に接合可能な構造が求められていた。
　本発明の目的は、センサヘッドと基部とを強固に接合できる光学センサおよび物理量測定装置を提供することにある。
　本発明の光学センサは、筒状に形成される金属製の基部と、前記基部の内部に挿入される光導波路と、前記基部に接合されて前記光導波路と光学的に接続され、単結晶アルミナから形成されるヘッド部を有するセンサヘッドと、を有し、前記基部は、前記センサヘッドが嵌挿される被嵌挿部を有し、前記センサヘッドと前記被嵌挿部とは、接合部材を介して接合されることを特徴とする。
　本発明では、基部は、センサヘッドが嵌挿される被嵌挿部を有する。そして、基部の被嵌挿部にセンサヘッドが嵌挿された上で、当該被嵌挿部とセンサヘッドとが接合部材を介して接合されている。これにより、センサヘッドと基部とを強固に接合させることができる。
　また、センサヘッドが、物理的・化学的強度の高いサファイア等の単結晶アルミナから形成される。これにより、被測定流体が高温・高圧であっても、センサヘッドが損傷してしまうことを防ぐことができる。さらに、基部が金属から形成されるので、基部をサファイア等から形成する場合に比べて、加工をしやすくでき、かつ、製造コストを抑えることができる。したがって、光学センサの物理的・化学的強度を高くでき、かつ、加工しやすくできる。
　本発明の光学センサにおいて、前記ヘッド部には、前記光導波路から導入される光の一部を反射する第１反射面と、前記第１反射面と対向して設けられ前記光導波路から導入される光の一部を反射する第２反射面とを有し、前記第１反射面に反射された光と前記第２反射面に反射された光とを干渉させた干渉光を前記光導波路に出力するキャビティが設けられることが好ましい。
　この構成では、被測定流体に接触するセンサヘッドのヘッド部に、第１反射面に反射された光と第２反射面に反射された光との干渉光を光導波路に出力するキャビティが設けられる。そのため、当該干渉光を解析することにより、例えば、被測定流体の圧力や温度等の物理量を検出することができる。
　本発明の光学センサにおいて、前記第１反射面と前記第２反射面との間の距離は、被測定流体の圧力に依存することが好ましい。
　この構成では、キャビティから出力される干渉光は、主に被測定流体の圧力に依存するので、当該干渉光を解析することにより、被測定流体の圧力を検出することができる。
　本発明の光学センサにおいて、前記センサヘッドは、柱状とされた柱状部を有し、前記柱状部の周面と前記被嵌挿部とが、前記接合部材を介して接合されることが好ましい。
　この構成では、センサヘッドにおいて、ヘッド部とは異なる柱状部が、被嵌挿部に挿入されて、接合部材を介して接合される。これにより、ヘッド部は被嵌挿部に接合されることはないので、ヘッド部が被嵌挿部に接合されることによる物理量の検出への影響を抑制することができる。
　本発明の光学センサにおいて、前記基部は、前記センサヘッドを支持する支持部を有することが好ましい。
　この構成では、基部には、センサヘッドを支持する支持部が設けられるので、仮に、センサヘッドに高い応力が作用したとしても、当該応力を支持部により支持することができる。そのため、センサヘッドと基部との接合をより強固にすることができる。
　本発明の光学センサにおいて、前記支持部と前記センサヘッドとは、溶接部材を介して接合されることが好ましい。
　この構成では、支持部とセンサヘッドとが溶接部材を介して接合されるので、センサヘッドを基部によって確実に固定することができる。
　本発明の光学センサにおいて、前記基部は、内部に前記光導波路が挿入される基部本体部と、前記基部本体部から延設され、先端側に筒状に形成される前記被嵌挿部が設けられる接続部と、を有し、前記基部本体部、前記接続部、前記被嵌挿部、および、前記センサヘッドにより規定される空間が形成され、前記接続部は、前記被嵌挿部よりも厚肉とされ、前記空間側に露出する内周面が曲面状とされていることが好ましい。
　この構成では、基部本体部と被嵌挿部との間に設けられる接続部の内周面が曲面状とされているので、例えば、基部本体部と被嵌挿部との間に角部が設けられる場合に比べて、応力が集中することを抑制することができる。そのため、応力の集中によって被嵌挿部の基端側が損傷してしまうことを抑制できる。
　本発明の物理量測定装置は、光源と、筒状に形成される金属製の基部と、前記光源と光学的に接続され、前記基部の内部に挿入される光導波路と、前記基部の端部に接合されて前記光導波路と光学的に接続され、単結晶アルミナから形成されるヘッド部を有するセンサヘッドとを有する光学センサと、前記光学センサから出力される干渉光から干渉信号を検出する光検出部と、前記光検出部で検出された前記干渉信号から、被測定流体の物理量を算出する演算部とを備え、前記基部は、前記センサヘッドが嵌挿される被嵌挿部を有し、前記センサヘッドと前記被嵌挿部とは、接合部材を介して接合されることを特徴とする。
　本発明では、上記した効果と同様の効果を得ることができる。
本発明の第１実施形態に係る物理量測定装置の概略構成を示す図。 第１実施形態の光学センサの概略を示す断面図。 第１実施形態の光学センサの要部の概略を示す拡大断面図。 第２実施形態の光学センサの概略を示す断面図。 第２実施形態の光学センサの要部の概略を示す拡大断面図。 第３実施形態の光学センサの要部の概略を示す拡大断面図。 第４実施形態の光学センサの要部の概略を示す拡大断面図。
　［第１実施形態］
　本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
　図１は、第１実施形態の物理量測定装置１００の概略構成を示す図である。
　図１に示すように、物理量測定装置１００は、光学センサ１と、広帯域光源２と、光ケーブル３と、受光器４と、サーキュレータ７とを備える。
　光学センサ１は、被測定流体の圧力を検出可能に構成されたセンサである。光学センサ１の詳細については後述する。
　［広帯域光源２］
　広帯域光源２は、広帯域な波長の光を放出する。なお、広帯域光源２は、本発明の光源の一例である。
　本実施形態では、広帯域光源２は、例えば、ＳＣ（Super Continuum）光源であり、１２００ｎｍ～１６００ｎｍ程度の波長領域の光を放出可能に構成されている。なお、広帯域光源２は、上記構成に限られるものではなく、ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光源やＳＬＤ（Super luminescent diode）光源やＬＥＤ（Light Emitting Diode）光源等を組み合わせたものであってもよく、また、チューナブルレーザーのように広帯域を掃引する狭帯域光源であってもよい。さらに、広帯域光源２は、例示した波長領域よりも広い波長領域の光を放出可能に構成されていてもよく、あるいは、例示した波長領域よりも狭い波長領域の光を放出可能に構成されていてもよい。
　［光ケーブル３］
　光ケーブル３は、所謂マルチモード光ファイバや保護部材等を備えて構成され、広帯域光源２から放出される光が入射される。そして、光ケーブル３は、広帯域光源２から放出された光を光学センサ１に伝送する。また、光ケーブル３は、光学センサ１から出射された第１干渉光および第２干渉光を受光器４に伝送する。なお、光ケーブル３は、マルチモード光ファイバを備えて構成されるものに限られるものではなく、例えば、シングルモード光ファイバを備えて構成されていてもよい。
　［サーキュレータ７］
　サーキュレータ７は、広帯域光源２から放出された光を入射して、光学センサ１に送る。また、サーキュレータ７は、光学センサ１から出射された干渉光を入射して、受光器４に送る。
　なお、サーキュレータ７は、上記構成に限られず、例えば、ビームスプリッタから構成されていてもよい。
　［光学センサ１］
　図２は、光学センサ１の概略を示す断面図であり、図３は、光学センサ１の要部の概略を示す断面図である。
　図２、図３に示すように、光学センサ１は、基部１０と、光ファイバ部材２０と、センサヘッド３０と、フェルール４０と、接合部材５０と、誘電体膜６０とを備える。
　［基部１０］
　基部１０は、金属製であり、基部本体部１１と、被嵌挿部１２とを備える。
　ここで、本実施形態では、基部１０は、例えば、ステンレス鋼等により形成される。そのため、切削加工等の機械加工により基部１０の形状を形成することができるので、基部１０の加工を容易にすることができる。なお、基部１０は、上記構成に限られるものではなく、例えば、チタンやニッケル合金等の金属から形成されていてもよい。
　基部本体部１１は、円筒状に形成され、内部に貫通孔１１１が形成される。また、基部本体部１１は、第１筒部１１２と、第２筒部１１３と、第３筒部１１４とを備える。なお、基部本体部１１は、円筒状に形成されることに限らず、例えば、多角筒状に形成されていてもよい。
　第１筒部１１２は、基部本体部１１の先端側に設けられており、基部本体部１１の中で最も大径とされている。そして、第１筒部１１２は、一方の端部に被嵌挿部１２が設けられ、他方の端部に第２筒部１１３が設けられている。さらに、第１筒部１１２には、先端側にテーパー部が設けられている。
　第２筒部１１３は、基部本体部１１において、第１筒部１１２と第３筒部１１４との間に設けられている。そして、第２筒部１１３は、第１筒部１１２よりも小径とされ、第３筒部１１４よりも大径とされている。
　第３筒部１１４は、基部本体部１１の基端側に設けられており、基部本体部１１の中で最も小径とされている。本実施形態では、基部本体部１１を上記のように構成することで、第３筒部１１４の外周面に配管（図示略）の内周面を接合した上で、第２筒部１１３の外周面側にナット部材（図示略）を配置することができる。
　なお、基部本体部１１は、上記構成に限定されるものではなく、例えば、一方の端部から他方の端部に亘って径が変化しないように形成されていてもよい。
　被嵌挿部１２は、円筒状に形成されており、前述したように第１筒部１１２の先端側の端部に設けられている。本実施形態では、被嵌挿部１２は、基部本体部１１と一体に形成されている。そして、被嵌挿部１２の内周側には、センサヘッド３０が挿入されて接合されている。なお、センサヘッド３０の接合方法の詳細については、後述する。
　［光ファイバ部材２０］
　光ファイバ部材２０は、基部本体部１１の貫通孔１１１に配置される。本実施形態では、光ファイバ部材２０は、所謂マルチモード光ファイバから構成され、光ケーブル３を構成する光ファイバと連続的に設けられている。これにより、光ファイバ部材２０は、広帯域光源２と光学的に接続されている。なお、光ファイバ部材２０は、光ケーブル３を構成する光ファイバと連続的に設けられることに限られるものではなく、例えば、コネクタ等によって光ケーブル３を構成する光ファイバと接続されていてもよい。
　そして、光ファイバ部材２０は、光ケーブル３から入射した光をセンサヘッド３０に伝送する。また、光ファイバ部材２０は、センサヘッド３０から出射された干渉光を光ケーブル３に伝送する。なお、光ファイバ部材２０は、本発明の光導波路の一例である。
　また、光ファイバ部材２０は、マルチモード光ファイバから構成されるものに限られるものではなく、例えば、シングルモード光ファイバから構成されていてもよい。
　［センサヘッド３０］
　センサヘッド３０は、円柱状に形成されており、前述したように基部１０の被嵌挿部１２に挿入されて接合されている。本実施形態では、センサヘッド３０は、ヘッド部３１と、柱状部３２とを備えて構成されている。
　［ヘッド部３１］
　ヘッド部３１は、単結晶アルミナであるサファイアから円柱状に形成されており、センサヘッド３０の先端側に設けられている。本実施形態では、ヘッド部３１は、接触面３１１と、キャビティ３１２と、接合面３１３とを有する。
　接触面３１１は、ヘッド部３１の先端面であり、被測定流体と接触する面である。
　キャビティ３１２は、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）や機械加工により凹部が形成された一方の円柱状の部材と、他方の円柱状の部材とが接合されてヘッド部３１が構成されることにより形成される。本実施形態では、キャビティ３１２の内側は真空状態とされている。
　そして、キャビティ３１２は、第１反射面３１２１と、第２反射面３１２２とを有する。第１反射面３１２１は、光ファイバ部材２０から出射された光の一部を反射する。また、第２反射面３１２２は、第１反射面３１２１に対向して設けられ、光ファイバ部材２０から出射された光の一部を反射する。そして、第１反射面３１２１に反射された光と、第２反射面３１２２とにより反射された光とが干渉することにより、キャビティ３１２から第１干渉光が出力される。なお、第１干渉光は、本発明の干渉光の一例である。
　また、キャビティ３１２は、第１反射面３１２１と第２反射面３１２２とにより光が多重反射され、多重反射された光同士が干渉するように構成されていてもよい。なお、キャビティ３１２の内部は真空状態であることに限られるものではなく、例えば、空気等が存在していてもよい。
　接合面３１３は、ヘッド部３１の基端側に配置され、後述する柱状部３２の先端面３２１と接合されている。
　［柱状部３２］
　柱状部３２は、センサヘッド３０の基端側に設けられており、円柱状に形成されている。本実施形態では、柱状部３２は、単結晶アルミナであるサファイアから円柱状に形成されている。そして、柱状部３２は、先端面３２１と、挿通孔３２２と、基端面３２３とを有する。
　先端面３２１は、柱状部３２の先端側の面であり、ヘッド部３１の接合面３１３と対向する面である。本実施形態では、先端面３２１は、ヘッド部３１の接合面３１３とフュージョンボンディングにより接合されている。これにより、ヘッド部３１と柱状部３２とは、接合されている。
　なお、接合面３１３と先端面３２１とは、フュージョンボンディングにより接合されることに限られるものではなく、例えば、ＡＤＢやＳＡＢにより接合されていてもよい。
　挿通孔３２２は、柱状部３２の中心部を貫通するように形成されている。本実施形態では、挿通孔３２２の内部には、光ファイバ部材２０およびフェルール４０が挿通されている。
　基端面３２３は、柱状部３２の基端側の面であり、基部本体部１１の第１筒部１１２と対向する面である。
　ここで、本実施形態では、柱状部３２の外周面には接合部材５０が配置されている。そして、柱状部３２は、基部１０の被嵌挿部１２に挿入された上で、接合部材５０を介して被嵌挿部１２に外周面が接合されている。これにより、センサヘッド３０と基部１０とは強固に接合される。
　また、本実施形態では、柱状部３２の基端面３２３と基部本体部１１とは当接していない。すなわち、柱状部３２と基部本体部１１との間にスペースが存在する。
　なお、柱状部３２と被嵌挿部１２との間に介挿される接合部材５０の詳細については、後述する。
　［フェルール４０］
　フェルール４０は、光ファイバ部材２０を支持する部材である。
　本実施形態では、フェルール４０には、一方の端部から他方の端部に亘ってフェルール４０を貫通する孔部（図示略）が形成される。そして、フェルール４０の孔部には、光ファイバ部材２０が挿入されている。これにより、フェルール４０は、光ファイバ部材２０を支持している。
　また、本実施形態では、フェルール４０は、先端側が柱状部３２に設けられた挿通孔３２２に配置されている。そして、フェルール４０の先端部には誘電体膜６０が設けられている。すなわち、フェルール４０は、挿通孔３２２の内部において、先端部に誘電体膜６０が設けられている。この際、本実施形態では、フェルール４０は、誘電体膜６０とヘッド部３１の接合面３１３とが当接しないように、誘電体膜６０を支持している。具体的には、フェルール４０は、ヘッド部３１の接合面３１３と誘電体膜６０とが１００μｍ程度離れて配置されるように、誘電体膜６０を支持している。
　なお、誘電体膜６０の詳細については、後述する。
　［接合部材５０］
　接合部材５０は、前述したように、柱状部３２と被嵌挿部１２との間に介挿されて、柱状部３２と被嵌挿部１２とを接合させる部材である。本実施形態では、接合部材５０は、ろう材により構成されている。具体的には、接合部材５０は、Ａｕ－Ｃｕで形成されるろう材や、Ａｇ－Ｃｕで形成されるろう材にて構成されている。
　ここで、本実施形態では、柱状部３２における接合部材５０と対向する面には、Ｍｏ－Ｍｎメッキが設けられ、さらにその上にＮｉメッキが設けられている。すなわち、柱状部３２における接合部材５０と対向する面は、所謂メタライズ法によりメタライズされている。これにより、サファイアから形成された柱状部３２と接合部材５０とを強固に接合させることができる。そのため、ステンレス鋼等の金属にて形成される基部１０の被嵌挿部１２と、柱状部３２とを接合部材５０を介して強固に接合させることができる。
　なお、接合部材５０は、上記構成に限られるものではなく、例えば、ガラスやセラミック等により構成されていてもよく、被嵌挿部１２と柱状部３２とを強固に接合できる部材で構成されていればよい。
　［誘電体膜６０］
　誘電体膜６０は、誘電体の単層膜として構成されている。そして、本実施形態では、誘電体膜６０は、第３反射面６１と、第４反射面６２とを有する。
　第３反射面６１は、光ファイバ部材２０から入射された光の一部を反射する。また、第４反射面６２は、光ファイバ部材２０から入射された光の一部を反射する。そして、第３反射面６１と第４反射面６２とにより反射された光同士が干渉することにより、誘電体膜６０から第２干渉光が出力される。なお、誘電体膜６０は、第３反射面６１と第４反射面６２とにより光が多重反射され、多重反射された光同士が干渉するように構成されていてもよい。
　また、誘電体膜６０は、上記構成に限られるものではなく、例えば、複数の誘電体層を重ねた多層膜として構成されていてもよい。
　ここで、前述したように、誘電体膜６０とセンサヘッド３０のヘッド部３１との間には隙間が設けられているため、誘電体膜６０に対して被測定流体の圧力が伝播することはない。そのため、第３反射面６１と第４反射面６２との間の距離は、被測定流体の圧力による影響を受けにくい。一方、誘電体膜６０の層厚は、被測定流体の温度の影響を受ける。すなわち、第３反射面６１と第４反射面６２との間の距離は、被測定流体の温度に依存する。そのため、誘電体膜６０は、被測定流体の温度に応じて第２干渉光を出力する。
　一方、ヘッド部３１のキャビティ３１２において、第１反射面３１２１と第２反射面３１２２との間の距離は、被測定流体の圧力および温度に依存する。すなわち、キャビティ３１２は、被測定流体の圧力および温度に応じて、第１干渉光を出力する。
　図１に戻って、受光器４は、光学センサ１から出射された第１干渉光および第２干渉光を入射して、当該第１干渉光および第２干渉光に応じた物理量を演算する。受光器４は、光検出部５と、ＭＰＵ６とを有する。
　光検出部５は、図示略の光検出素子、光電変換機、増幅器、ＡＤ変換器などを備えて構成され、入射された第１干渉光および第２干渉光を検出して、第１干渉信号および第２干渉信号を出力する。なお、第１干渉信号および第２干渉信号は、本発明の干渉信号の一例である。
　ＭＰＵ６は、所謂Micro Processing Unitであり、光検出部５から出力される複数の干渉信号を入力して、それぞれの干渉信号に応じた物理量を演算する。本実施形態では、ＭＰＵ６は、公知の演算方法により、第１干渉信号および第２干渉信号から物理量を測定する。すなわち、ＭＰＵ６は、第１干渉信号および第２干渉信号のそれぞれから干渉縞を求める。そして、ＭＰＵ６は、干渉縞の周期的な強度変化から、位相変化を算出する。ＭＰＵ６は、この位相変化と物理量との相関関係を予め求めておくことで、位相変化に応じた物理量を算出する。なお、ＭＰＵ６は、本発明の演算部の一例である。
　ここで、本実施形態では、前述したように、第１干渉光は被測定流体の圧力および温度の影響を受ける。そのため、第１干渉信号は、主に被測定流体の圧力に依存するが、温度にも依存する。
　一方、第２干渉光は、被測定流体の温度の影響は受けるが、圧力の影響を受けにくい。そのため、第２干渉信号は、主に被測定流体の温度に依存する。
　これにより、ＭＰＵ６は、第１干渉信号に基づく物理量の算出結果から、第２干渉信号に基づく物理量の算出結果を差し引くことにより、被測定流体の圧力を求めることができる。すなわち、キャビティ３１２の第１干渉光から得られる圧力を温度補償することができるので、被測定流体の圧力の測定精度を向上できる。
　以上のような第１実施形態では、次の効果を奏することができる。
（１）本実施形態では、基部１０は、センサヘッド３０が嵌挿される被嵌挿部１２を有する。そして、基部１０の被嵌挿部１２にセンサヘッド３０が嵌挿された上で、当該被嵌挿部１２とセンサヘッド３０とが接合部材５０を介して接合されている。これにより、センサヘッド３０と基部１０とを強固に接合させることができる。
　また、センサヘッド３０が、物理的・化学的強度の高いサファイアから形成される。これにより、被測定流体が高温・高圧であっても、センサヘッド３０が損傷してしまうことを防ぐことができる。さらに、基部１０がステンレス鋼等の金属から形成されるので、基部１０をサファイア等から形成する場合に比べて、加工をしやすくでき、かつ、製造コストを抑えることができる。したがって、光学センサ１の物理的・化学的強度を高くでき、かつ、加工しやすくできる。
（２）本実施形態では、被測定流体に接触するセンサヘッド３０のヘッド部３１に、第１反射面３１２１に反射された光と第２反射面３１２２に反射された光との第１干渉光を光ファイバ部材２０に出力するキャビティ３１２が設けられる。そして、第１反射面３１２１と第２反射面３１２２との間の距離は、被測定流体の圧力に依存する。そのため、当該第１干渉光を解析することにより、被測定流体の圧力を検出することができる。
（３）本実施形態では、センサヘッド３０において、ヘッド部３１に接合される柱状部３２が、被嵌挿部１２に挿入されて、接合部材５０を介して接合される。
　ここで、仮に、ヘッド部３１が被嵌挿部１２に挿入されて、接合部材５０を介して被嵌挿部１２に接合されると、ヘッド部３１に応力が作用して、キャビティ３１２が変形してしまうおそれがある。そうすると、キャビティ３１２の変形に応じて、被測定流体の圧力の検出に誤差が生じるおそれがある。
　これに対し、本実施形態では、ヘッド部３１は被嵌挿部１２に接合されることはないので、ヘッド部３１が被嵌挿部１２に接合されることによる誤差の発生を抑制できる。
（４）本実施形態では、光学センサ１は、キャビティ３１２から出力される第１干渉光に加えて、誘電体膜６０の第３反射面６１および第４反射面６２にて反射された光同士が干渉した第２干渉光を出力する。そのため、第１干渉光から得られる圧力を第２干渉光により温度補償することができ、圧力の測定精度を向上できる。
　［第２実施形態］
　次に、本発明の第２実施形態について図面に基づいて説明する。
　第２実施形態では、基部１０Ａの先端側に支持部１３Ａが設けられる点で第１実施形態と異なる。なお、第２実施形態において、第１実施形態と同一または同様の構成には同一符号を付し、説明を省略する。
　［光学センサ１Ａ］
　図４は、本実施形態の光学センサ１Ａの概略を示す断面図であり、図５は、光学センサ１Ａの要部の概略を示す断面図である。
　図４、図５に示すように、光学センサ１Ａは、基部１０Ａと、光ファイバ部材２０と、センサヘッド３０と、フェルール４０と、接合部材５０とを備える。
　［基部１０Ａ］
　基部１０Ａは、前述した第１実施形態と同様に、ステンレス鋼等の金属により形成される。本実施形態では、基部１０Ａは、基部本体部１１Ａと、被嵌挿部１２Ａと、支持部１３Ａとを備える。
　基部本体部１１Ａは、前述した第１実施形態と同様に、円筒状に形成され、内部に貫通孔１１１Ａが形成される。そして、基部本体部１１Ａは、第１筒部１１２Ａと、第２筒部１１３Ａと、第３筒部１１４Ａとを備える。本実施形態では、第１筒部１１２Ａの先端側には、センサヘッド３０に向けて突出した支持部１３Ａが設けられている。
　［支持部１３Ａ］
　支持部１３Ａは、前述したように、第１筒部１１２Ａの先端側からセンサヘッド３０に向けて突出するように設けられている。本実施形態では、支持部１３Ａは、貫通孔１１１Ａの開口部に沿った円筒状とされ、基部本体部１１Ａと一体に形成されている。そして、支持部１３Ａの先端側の面は、センサヘッド３０の柱状部３２の基端面３２３と当接している。これにより、支持部１３Ａは、センサヘッド３０を支持している。これにより、仮に、センサヘッド３０に高い応力が作用したとしても、当該応力を支持部１３Ａにより支持することができる。そのため、柱状部３２と被嵌挿部１２Ａとの接合箇所に作用する応力を分散できるので、センサヘッド３０と基部１０Ａとの接合をより強固にすることができる。
　以上のような第２実施形態では、次の効果を奏することができる。
（５）本実施形態では、基部１０Ａには、センサヘッド３０を支持する支持部１３Ａが設けられるので、仮に、センサヘッド３０に高い応力が作用したとしても、当該応力を支持部１３Ａにより支持することができる。そのため、センサヘッド３０と基部１０Ａとの接合をより強固にすることができる。
　［第３実施形態］
　次に、本発明の第３実施形態について図面に基づいて説明する。
　第３実施形態では、基部１０Ｂの支持部１３Ｂとセンサヘッド３０とが溶接部材を介して接合される点で第１、２実施形態と異なる。なお、第３実施形態において、第１、２実施形態と同一または同様の構成には同一符号を付し、説明を省略する。
　［光学センサ１Ｂ］
　図６は、本実施形態の光学センサ１Ｂの要部の概略を示す拡大断面図である。
　図６に示すように、光学センサ１Ｂは、基部１０Ｂと、光ファイバ部材２０と、センサヘッド３０と、フェルール４０と、接合部材５０と、溶接部材７０とを備える。
　［支持部１３Ｂ］
　支持部１３Ｂは、前述した第２実施形態の支持部１３Ａと同様に、基部本体部１１Ｂの先端側からセンサヘッド３０に向けて円筒状に突出して設けられている。そして、本実施形態では、支持部１３Ｂの先端面と、センサヘッド３０の柱状部３２の基端面３２３とは、溶接部材７０により接合されている。これにより、センサヘッド３０は、基部１０Ｂの支持部１３Ｂに支持された上で、溶接部材７０を介して支持部１３Ｂに固定される。そのため、仮に、センサヘッド３０に高い応力が作用したとしても、センサヘッド３０を確実に固定することができる。
　なお、溶接部材７０は、ロウ材により構成されていてもよく、あるいは、半田材により構成されていてもよく、センサヘッド３０と支持部１３Ｂとを接合可能に構成されていればよい。
　以上のような第３実施形態では、次の効果を奏することができる。
（６）本実施形態では、支持部１３Ｂの先端面と、センサヘッド３０の柱状部３２とは、溶接部材７０により接合されている。そのため、仮に、センサヘッド３０に高い応力が作用したとしても、センサヘッド３０を確実に固定することができる。
　［第４実施形態］
　次に、本発明の第４実施形態について図面に基づいて説明する。
　第４実施形態では、基部本体部１１Ｃと被嵌挿部１２Ｃとの間に接続部１４Ｃが設けられ、接続部１４Ｃの内周面は曲面状とされている点で第１～第３実施形態と異なる。なお、第４実施形態において、第１～第３実施形態と同一または同様の構成には同一符号を付し、説明を省略する。
　［光学センサ１Ｃ］
　図７は、本実施形態の光学センサ１Ｃの要部の概略を示す拡大断面図である。
　図７に示すように、光学センサ１Ｃは、基部１０Ｃと、光ファイバ部材２０と、センサヘッド３０と、フェルール４０と、接合部材５０とを備える。
　［基部１０Ｃ］
　基部１０Ｃは、前述した第１～第３実施形態と同様に、ステンレス鋼等の金属により形成される。本実施形態では、基部１０Ｃは、基部本体部１１Ｃと、被嵌挿部１２Ｃと、接続部１４Ｃとを備える。
　基部本体部１１Ｃは、前述した第１～第３実施形態と同様に、円筒状に形成される。そして、本実施形態では、基部本体部１１Ｃと被嵌挿部１２Ｃとの間には、接続部１４Ｃが設けられる。
　［接続部１４Ｃ］
　接続部１４Ｃは、基部本体部１１Ｃから、当該基部本体部１１Ｃの外周に沿って略円筒状に延設されている。そして、接続部１４Ｃの先端側には、当該接続部１４Ｃと連続して被嵌挿部１２Ｃが設けられている。これにより、センサヘッド３０と基部本体部１１Ｃとの間には、基部本体部１１Ｃ、接続部１４Ｃ、被嵌挿部１２Ｃ、および、センサヘッド３０により規定される空間Ｓが形成されている。
　また、接続部１４Ｃは、被嵌挿部１２Ｃよりも厚肉とされている。具体的には、接続部１４Ｃは、被嵌挿部１２Ｃ側から基部本体部１１Ｃ側に向けて、厚さが大きくなるように設けられている。そして、接続部１４Ｃは、空間Ｓ側に露出する内周面が曲面状とされている。
　これにより、仮に、センサヘッド３０に高い応力が作用したとしても、基部本体部１１Ｃと被嵌挿部１２Ｃとの間に応力が集中することを抑制できる。すなわち、本実施形態では、基部本体部１１Ｃと被嵌挿部１２Ｃとの間に角部が設けられる場合に比べて、応力が集中することを抑制することができる。そのため、応力の集中によって被嵌挿部１２Ｃの基端側が損傷してしまうことを抑制できる。
　さらに、本実施形態では、基部本体部１１Ｃ、接続部１４Ｃ、被嵌挿部１２Ｃ、および、センサヘッド３０により規定される空間Ｓが形成されているので、センサヘッド３０の角部が被嵌挿部１２Ｃに接触して、被嵌挿部１２Ｃが損傷してしまうことを抑制できる。
　以上のような第３実施形態では、次の効果を奏することができる。
（７）本実施形態では、基部本体部１１Ｃと被嵌挿部１２Ｃとの間に設けられる接続部１４Ｃの内周面が曲面状とされているので、例えば、基部本体部１１Ｃと被嵌挿部１２Ｃとの間に角部が設けられる場合に比べて、応力が集中することを抑制することができる。そのため、応力の集中によって被嵌挿部１２Ｃの基端側が損傷してしまうことを抑制できる。
　［変形例］
　なお、本発明は前述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
　前記各実施形態では、フェルール４０には孔部が形成され、当該孔部に光ファイバ部材２０が挿入されていたが、これに限定されない。例えば、光透過性のフェルールの端部に光ファイバ部材が接続され、光ファイバ部材から出力された光がフェルールを介してセンサヘッドに入射されるように構成されていてもよい。
　前記各実施形態では、センサヘッド３０の柱状部３２は単結晶アルミナであるサファイアから形成されていたが、これに限定されない。例えば、センサヘッドの柱状部は、ステンレス鋼等の金属やセラミック等により形成されていてもよい。この場合、センサヘッドは、サファイア等の単結晶アルミナにて形成されるヘッド部と、金属やセラミック等により形成される柱状部とが接合されて構成されていてもよい。
　前記各実施形態では、センサヘッド３０のヘッド部３１には、キャビティ３１２が１つ設けられていたが、これに限定されない。例えば、センサヘッドのヘッド部にキャビティが複数設けられていてもよい。この場合、それぞれのキャビティから出力される干渉光を解析することにより、複数の物理量を検出可能に構成されていてもよく、あるいは、温度補償をできるように構成されていてもよい。
　前記各実施形態では、センサヘッド３０は円柱状に形成されていたが、これに限定されるものではない。例えば、センサヘッドは、四角柱や六角柱等の角柱状に形成されていてもよい。この場合、基部に設けられる被嵌挿部は、四角筒状や六角筒状の角筒状に形成される。
　前記各実施形態では、第２干渉光に基づいて温度を測定して、第１干渉光から得られる圧力を温度補償していたが、これに限定されない。例えば、被測定流体の温度を測定する熱電対や測温抵抗体等を設け、この出力値により温度補償できるように構成されていてもよい。すなわち、光学的または電気的に温度を測定できるように構成されていてもよい。
　また、前記各実施形態では、誘電体膜６０から出力される第２干渉光に基づいて、第１干渉光から得られる圧力を温度補償していたが、これに限定されない。例えば、第２反射面３１２２と接合面３１３とにより反射された光同士が干渉した干渉光に基づいて、第１干渉光から得られる圧力を温度補償してもよい。
　さらに、第１干渉光から得られる圧力を温度補償しない場合も、本発明に含まれる。
　前記各実施形態では、光導波路は光ファイバ部材２０により構成されていたが、これに限定されない。例えば、光導波路は、結晶材料等から形成される光透過性を有する部材から構成されていてもよい。
　前記各実施形態において、基部本体部の第１筒部の先端側の一部が外周に沿って円環状に切削され、当該切削された箇所に対応する円環状のリング体が第１筒部の周囲に沿って配置されていてもよい。そして、当該リング体は、第１筒部の基端側の切削されていない箇所（段部）に接合され、切削された箇所の第１筒部の外周面と、リング体の内周面との間に空間が形成されるように構成されていてもよい。これにより、仮に、第１筒部の外周側に配置されたリング体に応力が作用して、リング体に歪みが生じても、当該歪みが第１筒部および被嵌挿部を介してセンサヘッドに伝達されることを抑制することができる。そのため、センサヘッドが歪むことで、物理量の検出精度が低下してしまうことを抑制できる。
　前記第４実施形態において、前記第２実施形態のように、センサヘッドを支持する支持部が基部に設けられていてもよい。さらに、前記第３実施形態のように、支持部とセンサヘッドとが溶接部材により接合されていてもよい。
　前記各実施形態では、光学センサ１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、被測定流体の圧力を検出可能に構成されていたが、これに限定されない。例えば、光学センサは、歪み等の物理量を検出可能に構成されていてもよい。
　１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…光学センサ、２…広帯域光源、３…光ケーブル、４…受光器、５…光検出部、６…ＭＰＵ（演算部）、７…サーキュレータ、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…基部、１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ…基部本体部、１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ…被嵌挿部、１３Ａ，１３Ｂ…支持部、１４Ｃ…接続部、２０…光ファイバ部材（光導波路）、３０…センサヘッド、３１…ヘッド部、３２…柱状部、４０…フェルール、５０…接合部材、６０…誘電体膜、６１…第３反射面、６２…第４反射面、１００…物理量測定装置、７０…溶接部材、１１１，１１１Ａ…貫通孔、１１２，１１２Ａ…第１筒部、１１３，１１３Ａ…第２筒部、１１４，１１４Ａ…第３筒部、３１１…接触面、３１２…キャビティ、３１３…接合面、３２１…先端面、３２２…挿通孔、３２３…基端面、３１２１…第１反射面、３１２２…第２反射面。

Claims (8)

  1. 　筒状に形成される金属製の基部と、
    　前記基部の内部に挿入される光導波路と、
    　前記基部に接合されて前記光導波路と光学的に接続され、単結晶アルミナから形成されるヘッド部を有するセンサヘッドと、を有し、
    　前記基部は、前記センサヘッドが嵌挿される被嵌挿部を有し、
    　前記センサヘッドと前記被嵌挿部とは、接合部材を介して接合される
    　ことを特徴とする光学センサ。
  2. 　請求項１に記載の光学センサにおいて、
    　前記ヘッド部には、前記光導波路から導入される光の一部を反射する第１反射面と、前記第１反射面と対向して設けられ前記光導波路から導入される光の一部を反射する第２反射面とを有し、前記第１反射面に反射された光と前記第２反射面に反射された光とを干渉させた干渉光を前記光導波路に出力するキャビティが設けられる
    　ことを特徴とする光学センサ。
  3. 　請求項２に記載の光学センサにおいて、
    　前記第１反射面と前記第２反射面との間の距離は、被測定流体の圧力に依存する
    　ことを特徴とする光学センサ。
  4. 　請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光学センサにおいて、
    　前記センサヘッドは、柱状とされた柱状部を有し、
    　前記柱状部の周面と前記被嵌挿部とが、前記接合部材を介して接合される
    　ことを特徴とする光学センサ。
  5. 　請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光学センサにおいて、
    　前記基部は、前記センサヘッドを支持する支持部を有する
    　ことを特徴とする光学センサ。
  6. 　請求項５に記載の光学センサにおいて、
    　前記支持部と前記センサヘッドとは、溶接部材を介して接合される
    　ことを特徴とする光学センサ。
  7. 　請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光学センサにおいて、
    　前記基部は、内部に前記光導波路が挿入される基部本体部と、前記基部本体部から延設され、先端側に筒状に形成される前記被嵌挿部が設けられる接続部と、を有し、
    　前記基部本体部、前記接続部、前記被嵌挿部、および、前記センサヘッドにより規定される空間が形成され、
    　前記接続部は、前記被嵌挿部よりも厚肉とされ、前記空間側に露出する内周面が曲面状とされている
    　ことを特徴とする光学センサ。
  8. 　光源と、
    　筒状に形成される金属製の基部と、前記光源と光学的に接続され、前記基部の内部に挿入される光導波路と、前記基部の端部に接合されて前記光導波路と光学的に接続され、単結晶アルミナから形成されるヘッド部を有するセンサヘッドとを有する光学センサと、
    　前記光学センサから出力される干渉光から干渉信号を検出する光検出部と、
    　前記光検出部で検出された前記干渉信号から、被測定流体の物理量を算出する演算部とを備え、
    　前記基部は、前記センサヘッドが嵌挿される被嵌挿部を有し、
    　前記センサヘッドと前記被嵌挿部とは、接合部材を介して接合される
    　ことを特徴とする物理量測定装置。
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