(57)【要約】【課題】光ファイバ圧力センサにおいて、圧力の測定精度を向上させる。【解決手段】光ファイバ圧力センサ５０は、光ファイバ５２と、光ファイバ５２の先端部と対向する部位に、光ファイバ５２の先端部から入射した光を反射するためのミラー５６ｍを有するダイヤフラム５６と、光ファイバ５２の先端部とダイヤフラム５６との間に配置され、光ファイバ５２の先端部とダイヤフラム５６との間に、ミラー５６ｍへの入射光およびミラー５６ｍからの反射光の光路となる光路空間５８ｓを、被測定空間と隔離して形成するスペーサ５８と、を備える。光ファイバ５２の内部には、光路空間５８ｓ内から、被測定空間とは異なる光ファイバ５２の外部空間に連通する連通孔５２ｃが形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定空間の圧力を測定するための光ファイバ圧力センサであって、
光ファイバと、
前記光ファイバの先端部と対向する部位に、前記光ファイバの先端部から入射した光を反射するためのミラーを有するダイヤフラムと、
前記光ファイバの先端部と前記ダイヤフラムとの間に配置され、前記光ファイバの先端部と前記ダイヤフラムとの間に、前記ミラーへの入射光および前記ミラーからの反射光の光路となる光路空間を、前記被測定空間と隔離して形成するスペーサと、を備え、
前記光ファイバの内部には、前記光路空間内から、前記被測定空間とは異なる前記光ファイバの外部空間に連通する連通孔が形成されている、
光ファイバ圧力センサ。
【請求項２】
請求項１記載の光ファイバ圧力センサであって、
前記連通孔は、前記光ファイバのクラッドに形成されている、
光ファイバ圧力センサ。
【請求項３】
請求項１または２記載の光ファイバ圧力センサであって、
前記光ファイバの先端部には、ハーフミラーが配置されている、
光ファイバ圧力センサ。
【請求項４】
圧力測定装置であって、
請求項１ないし３のいずれかに記載の光ファイバ圧力センサと、
前記連通孔を介して、前記光路空間内の圧力を調整する圧力調整部を備える、
圧力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ圧力センサ、および、この光ファイバ圧力センサを用いた圧力測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、微小な被測定空間の圧力を測定するための極細のセンサヘッドを有する光ファイバ圧力センサが提案されている（例えば、下記特許文献１〜４参照）。この光ファイバ圧力センサでは、光ファイバの先端部と対向する部位に、光ファイバの先端部から入射した光を反射するためのミラーを有するダイヤフラムが設けられる。また、光ファイバの先端部とダイヤフラムとの間には、例えば、これらの間にスペーサを介装することによって、光ファイバの先端部からミラーへの入射光、および、ミラーからの光ファイバの先端部への反射光の光路となる光路空間が、被測定空間と隔離して形成される。このような光ファイバ圧力センサでは、被測定空間と上記光路空間との圧力差に応じた上記ダイヤフラムの変形による光の干渉状況やミラーからの反射光の強度に基づいて圧力の測定が行われるので、上記光路空間の気密性が確保されることが求められる。
【０００３】
【特許文献１】特許第３３９３３７０号明細書
【特許文献２】特表２００７−５３２８７１号公報
【特許文献３】特開平８−２０１１９６号公報
【特許文献４】特開昭５７−２０７８３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、光ファイバの先端部は極細であるため、上記光路空間の気密性を確保しつつ、光ファイバの先端部に微小なダイヤフラムを接合することは困難である。このため、例えば、被測定空間から上記光路空間にガスがリークすると、上記光路空間の圧力が上昇して、被測定空間と上記光路空間との圧力差が小さくなり、ダイヤフラムが所望の通りに変形せず、被測定空間の圧力を正確に測定できないおそれがあった。
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、光ファイバ圧力センサにおいて、圧力の測定精度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］被測定空間の圧力を測定するための光ファイバ圧力センサであって、光ファイバと、前記光ファイバの先端部と対向する部位に、前記光ファイバの先端部から入射した光を反射するためのミラーを有するダイヤフラムと、前記光ファイバの先端部と前記ダイヤフラムとの間に配置され、前記光ファイバの先端部と前記ダイヤフラムとの間に、前記ミラーへの入射光および前記ミラーからの反射光の光路となる空間を、前記被測定空間と隔離して形成するスペーサと、を備え、前記光ファイバの内部には、前記光路空間内から、前記被測定空間とは異なる前記光ファイバの外部空間に連通する連通孔が形成されている、光ファイバ圧力センサ。
【０００８】
適用例１の光ファイバ圧力センサでは、光ファイバの内部に上記光路空間内から上記外部空間に連通する連通孔が形成されているので、被測定空間から上記光路空間内にガスがリークした場合であっても、このガスを、上記連通孔を通じて上記外部空間に放出し、上記光路空間内の圧力を一定に保つようにすることができる。したがって、被測定空間から上記光路空間にガスがリークした場合であっても、被測定空間の圧力に応じて上記ダイヤフラムを所望の通りに変形させ、圧力の測定精度を向上させることができる。
【０００９】
［適用例２］適用例１記載の光ファイバ圧力センサであって、前記連通孔は、前記光ファイバのクラッドに形成されている、光ファイバ圧力センサ。なお、上記連通孔は、光ファイバのコアに形成するようにしてもよい。
【００１０】
［適用例３］適用例１または２記載の光ファイバ圧力センサであって、前記光ファイバの先端部には、ハーフミラーが配置されている、光ファイバ圧力センサ。
【００１１】
適用例３の光ファイバ圧力センサでは、上記ハーフミラーとダイヤフラムに設けられたミラーとによって、ファブリ・ペロー共振器を構成することができる。そして、ハーフミラーからの反射光とダイヤフラムに設けられたミラーからの反射光との干渉状況を検出するようにすることができる。
【００１２】
［適用例４］圧力測定装置であって、適用例１ないし３のいずれかに記載の光ファイバ圧力センサと、前記連通孔を介して、前記光路空間内の圧力を調整する圧力調整部を備える、圧力測定装置。
【００１３】
適用例４の圧力測定装置では、上記圧力調整部によって、光ファイバ圧力センサにおける上記光路空間内の圧力を、ほぼ一定に保つようにすることができるので、圧力の測定精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．圧力測定装置：
図１は、本発明の一実施例としての圧力測定装置１００の概略構成を示す説明図である。図示するように、圧力測定装置１００は、光源１０と、光ファイバカプラ２０と、分光器３０と、圧力調整部４０と、光ファイバ圧力センサ５０とを備えている。本実施例の圧力測定装置１００は、後述するように、光ファイバ圧力センサ５０からの干渉光のスペクトルを、分光器３０によって測定することによって、光ファイバ圧力センサ５０が設置された被測定空間の圧力の測定を行う装置である。なお、本実施例では、光源１０として、白色光源を用いるものとした。
【００１５】
光源１０と光ファイバカプラ２０とは、光ファイバ２２によって光学的に接続されている。また、分光器３０と光ファイバカプラ２０とは、光ファイバ２４によって光学的に接続されている。また、光ファイバカプラ２０と光ファイバ圧力センサ５０とは、圧力調整部４０を介して、光ファイバ２６によって光学的に接続されている。圧力調整部４０において、光ファイバ圧力センサ５０の光ファイバ５２と光ファイバ２６とは、所定の間隔を空けて配置されている。なお、本実施例における圧力調整部４０は、後述するように、光ファイバ５２の端部を大気に開放するためのものである。
【００１６】
Ｂ．光ファイバ圧力センサ：
図２は、光ファイバ圧力センサ５０を示す説明図である。図２（ａ）に、光ファイバ圧力センサ５０の断面図を示した。また、図２（ｂ）に、光ファイバ圧力センサ５０の先端部（センサヘッド）を拡大して示した。
【００１７】
図２（ａ）に示したように、光ファイバ圧力センサ５０は、光ファイバ５２と、ハーフミラー５４と、ダイヤフラム５６と、スペーサ５８とを備えている。光ファイバ５２は、高屈折率材料によって形成されたコア５２ａと、低屈折率材料によって形成されたクラッド５２ｂとからなる。本実施例では、光ファイバ５２の直径は、約１２５（μｍ）であり、コア５２ａの直径は、約８．８（μｍ）であるものとした。また、ダイヤフラム５６は、Ｓｉ2によって形成されており、スペーサ５８は、ポリイミドによって形成されているものとした。なお、本実施例では、ダイヤフラム５６とスペーサ５８とは、互いに異なる材料を用いて形成するものとしたが、ダイヤフラム５６、および、スペーサ５８を、同一材料を用いて一体的に形成するようにしてもよい。
【００１８】
そして、光ファイバ５２のセンサヘッド側の先端部には、ハーフミラー５４が形成されている。また、ダイヤフラム５６における光ファイバ５２の先端部と対向する部位には、光ファイバ５２の先端部からハーフミラー５４を透過して入射した光を反射するためのミラー５６ｍが設けられている。ハーフミラー５４とミラー５６ｍとは、スペーサ５８によって所定の間隔を空けて平行に配置されており、ファブリ・ペロー共振器を構成している。なお、スペーサ５８は、光ファイバ５２の先端部とダイヤフラム５６との間に、ミラー５６ｍへの入射光およびミラー５６ｍからの反射光の光路となる光路空間５８ｓを、被測定空間と隔離して形成している。
【００１９】
この光ファイバ圧力センサ５０では、図２（ｂ）に示したように、光源１０から光ファイバ５２を通じて入射された光の一部は、ハーフミラー５４によって反射される（反射光Ａ）。また、ハーフミラー５４を透過した光は、ミラー５６ｍによって反射される（反射光Ｂ）。そして、反射光Ａと反射光Ｂとの干渉状況は、ハーフミラー５４とミラー５６ｍとの距離、すなわち、ダイヤフラム５６の変形に応じて変化する。また、ダイヤフラム５６は、光路空間５８ｓの外部、すなわち、被測定空間の圧力に応じて変形する。したがって、圧力測定装置１００では、分光器３０によって反射光Ａと反射光Ｂとの干渉光のスペクトルを測定することにより、ダイヤフラム５６の変形量を求め、被測定空間の圧力を測定することができる。
【００２０】
本実施例の光ファイバ圧力センサ５０は、以下の特徴を有している。すなわち、図２（ａ）に示したように、光ファイバ５２のクラッド５２ｂの内部に、一方の端部から他方の端部に連通する連通孔５２ｃが形成されている。なお、ハーフミラー５４における連通孔５２ｃに対応する位置には、貫通孔が設けられており、光路空間５８ｓと連通孔５２ｃとは連通している。また、本実施例では、連通孔５２ｃの数は、２つであるものとしたが、連通孔５２ｃの数は、任意に設定可能である。
【００２１】
光ファイバ５２の先端部は極細であるため、光路空間５８ｓの気密性を確保しつつ、光ファイバ５２の先端部に微小なダイヤフラム５６を接合することは困難である。このため、光ファイバ５２に連通孔５２ｃが形成されていない場合には、例えば、被測定空間から光路空間５８ｓにガスがリークすると、光路空間５８ｓの内部の圧力が上昇して、被測定空間と光路空間５８ｓとの圧力差が小さくなり、ダイヤフラム５６が所望の通りに変形せず、被測定空間の圧力を正確に測定できないおそれがあった。
【００２２】
これに対して、本実施例の圧力測定装置１００では、光ファイバ５２の内部に、光路空間５８ｓ内から光ファイバ５２の他方の端部、すなわち、被測定空間とは異なる外部空間に連通する連通孔５２ｃが形成されており、光ファイバ５２の他方の端部は、大気に開放されているので、被測定空間から光路空間５８ｓ内にガスがリークした場合であっても、そのガスを連通孔５２ｃから外部空間に放出し、光路空間５８ｓ内の圧力を一定（大気圧）に保つことができる。したがって、被測定空間の圧力に応じて、ダイヤフラム５６を所望の通りに変形させ、圧力の測定精度を向上させることができる。
【００２３】
また、本実施例の光ファイバ圧力センサ５０では、光路空間５８ｓの気密性を向上させるための新材料や新工法を使用する等の高コスト化を回避することが可能であり、また、センサヘッドの大きさ（特に、外径）を変更することなく、微小空間での圧力検知の信頼性を確保することができる。
【００２４】
Ｃ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００２５】
Ｃ１．変形例１：
上記実施例では、光ファイバ５２において、連通孔５２ｃは、クラッド５２ｂに形成されているものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、連通孔をコアに形成するものとしてもよいし、また、コアを中空として、この中空のコア自体を連通孔として利用するようにしてもよい。
【００２６】
図３は、変形例としての光ファイバ圧力センサ５０Ａの概略構成を示す説明図である。図示するように、光ファイバ圧力センサ５０Ａは、光ファイバ５２Ａと、ハーフミラー５４と、ダイヤフラム５６と、スペーサ５８，５９とを備えている。光ファイバ５２Ａは、ガラスチューブ５２Ａｂの内面に金属薄膜を形成したものであり、このガラスチューブ５２Ａｂは、クラッドとして機能する。また、ガラスチューブ５２Ａｂの内側の中空５２Ａａは、コアとして機能するとともに、先に説明した連通孔として機能する。なお、本実施例の光ファイバ５２Ａでは、光路空間５８ｓから中空のコアへのガスの流路を確保するため、ハーフミラー５４は、スペーサ５８とスペーサ５９との間に介装されている。そして、ハーフミラー５４には、貫通孔５４ｈが設けられており、光路空間５８ｓと中空のコアとは連通している。スペーサ５９を設ける代わりに、光ファイバ５２Ａの端部の形状を、光路空間５８ｓから中空のコアへのガスの流路を確保可能な形状としてもよい。
【００２７】
以上説明した変形例の光ファイバ圧力センサ５０Ａによっても、上記実施例の光ファイバ圧力センサ５０と同様に、光ファイバ５２Ａの内部に、光路空間５８ｓ内から光ファイバ５２Ａの他方の端部に連通する連通孔（中空のコア）が形成されており、光ファイバ５２Ａの他方の端部は、大気に開放されているので、被測定空間から光路空間５８ｓ内にガスがリークした場合であっても、そのガスを連通孔（中空のコア）から外部空間に放出し、光路空間５８ｓ内の圧力を一定（大気圧）に保つことができる。したがって、被測定空間の圧力に応じて、ダイヤフラム５６を所望の通りに変形させ、圧力の測定精度を向上させることができる。
【００２８】
Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、光ファイバ圧力センサ５０は、ハーフミラー５４を備えるものとしたが、ハーフミラー５４を省略するようにしてもよい。この場合、圧力測定装置１００は、分光器３０の代わりに、光パワーメータを備えるようにすればよい。ダイヤフラム５６が被測定空間の圧力に応じて変形すると、ダイヤフラム５６に設けられたミラー５６ｍから反射される反射光の強度が変化するので、この反射光の強度を検出し、これに基づいて、ダイヤフラム５６の変形量、すなわち、被測定空間の圧力を検出するようにすることができる。
【００２９】
Ｃ３．変形例３：
上記実施例では、圧力測定装置１００は、光源１０として、白色光源を用いるものとしたが、本発明は、これに限られない。発光ダイオードや、レーザダイオード等、種々の光源を適用可能である。
【００３０】
Ｃ４．変形例４：
上記実施例では、圧力調整部４０において、光ファイバ５２の一方の端部は、大気に開放されるものとしたが、本発明は、これに限られない。圧力調整部４０にポンプ等を設けるようにし、光路空間５８ｓ内の圧力が所定値に維持されるように制御するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施例としての圧力測定装置１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】光ファイバ圧力センサ５０を示す説明図である。
【図３】変形例としての光ファイバ圧力センサ５０Ａの概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３２】
１００…圧力測定装置
１０…光源
２０…光ファイバカプラ
２２，２４，２６…光ファイバ
３０…分光器
４０…圧力調整部
５０，５０Ａ…光ファイバ圧力センサ
５２，５２Ａ…光ファイバ
５２ａ…コア
５２ｂ…クラッド
５２Ａａ…中空（コア）
５２Ａｂ…ガラスチューブ（クラッド）
５２ｃ…連通孔
５４…ハーフミラー
５４ｈ…貫通孔
５６…ダイヤフラム
５６ｍ…ミラー
５８…スペーサ
５８ｓ…光路空間
５９…スペーサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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