(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から発せられた光を伝送する第１光ファイバと、第１光ファイバの端面に対する相対位置が物理量に応じて変位し、第１光ファイバの上記端面から出射された光を反射する反射体と、上記反射体が反射した光が入射される端面を有し、入射した光をそれぞれ光検出器に伝送する第２光ファイバおよび第３光ファイバとを備える、上記物理量を測定する光学式センサ用のセンサヘッドであって、
上記センサヘッド内の環境状態の変化に応じて、第１光ファイバの伝送損失を変化させる光強度変化部を備えることを特徴とするセンサヘッド。
【請求項２】
上記光強度変化部は、上記センサヘッド内の環境状態の変化に応じて、第１光ファイバの曲率を変化させる、第１光ファイバに加わる側圧を変化させる、または、第１光ファイバに加わる張力を変化させることにより、第１光ファイバの伝送損失を変化させることを特徴とする請求項１に記載のセンサヘッド。
【請求項３】
第１光ファイバは、上記光強度変化部において分離されており、
第１光ファイバの分離された端面同士は、間隔を空けて対向するよう配置されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサヘッド。
【請求項４】
上記光強度変化部は、第１光ファイバの上記分離された端面の間に配置される透過体を備え、
上記透過体は、上記センサヘッド内の環境状態の変化に応じて、特定波長の光に対する透過率が変化することを特徴とする請求項３に記載のセンサヘッド。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載のセンサヘッドを備える光学式センサであって、
光源と、
上記センサヘッドから第２光ファイバが伝送する光を受光して、受光した光の強度を示す電気信号を生成する第１光検出器と、
上記センサヘッドから第３光ファイバが伝送する光を受光して、受光した光の強度を示す電気信号を生成する第２光検出器と、
第１光検出器が生成した電気信号が示す光の強度と第２光検出器が生成した電気信号が示す光の強度との比を用いて上記物理量を求め、第１光検出器が生成した電気信号が示す光の強度と第２光検出器が生成した電気信号が示す光の強度との和、または重みづけの和を用いて、あるいは、第１光検出器が生成した電気信号が示す光の強度または第２光検出器が生成した電気信号が示す光の強度を用いて、上記センサヘッド内の環境状態の変化を検知する処理部とを備えることを特徴とする光学式センサ。
【請求項６】
請求項１から４のいずれか一項に記載のセンサヘッドを備える光学式センサであって、
第１の波長の光、および、第２の波長の光を出射する光源を備え、
上記光強度変化部は、上記センサヘッド内の環境状態の変化に応じて、一方の波長の光に対する第１光ファイバの伝送損失を変化させることを特徴とする光学式センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学式センサ、および光学式センサに用いるセンサヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、被測定物の変位、温度、または圧力等の物理量を測定するセンサとして電気式センサが一般に良く知られている。電気式センサは、測定部（センサヘッド）で各物理量に応じて生成される電気信号を処理部に伝送して、処理部が電気信号を各物理量に換算する。そのため、測定部と処理部との距離が離れている場合、電気信号が電磁ノイズの影響を受けやすく、測定精度が低下するという問題を有している。また、電気式センサは、遠く離れた測定部に電力を供給する必要があるため、例えば、ダムの水位（水圧）、地下の排水管の水位（水圧）、または、可燃物である液化天然ガスの水位（圧力）等の測定には不向きであった。
【０００３】
これに対して、光ファイバを用いる光学式センサでは、光ファイバを通して測定部に光を供給し、電気信号の代わりに物理量に応じた光信号を光ファイバによって測定部から処理部まで伝送する。そのため、光学式センサは、電磁ノイズの影響を受けることなく測定部からの信号を伝送することが可能であり、高精度の測定を行うことができる（例えば、特許文献１〜１０参照）。
【０００４】
図１０は、例えば特許文献１０等に記載された、従来の光学式圧力センサの構成を示す概略図である。光学式圧力センサ１０１は、センサヘッド１０２と、光学装置部１０３と、演算処理部１０４とを備える。光学装置部１０３は、光源１０５と、第１光検出器１０６と、第２光検出器１０７と、第１増幅器１０８と、第２増幅器１０９とを備える。
【０００５】
センサヘッド１０２は、光源１０５から発せられた光をセンサヘッド１０２に伝送する出射用光ファイバ１１０と、センサヘッド１０２から光学装置部１０３へ光を伝送する第１受光用光ファイバ１１１および第２受光用光ファイバ１１２とを備える。出射用光ファイバ１１０、第１受光用光ファイバ１１１、および第２受光用光ファイバ１１２は、センサヘッド１０２の中の光ファイバ固定部１１３で固定されている。センサヘッド１０２は、出射用光ファイバ１１０の端面に相対する位置に、薄い金属板からなるダイアフラム１１４を備える。ダイアフラム１１４は、出射用光ファイバ１１０の端面に対向する面に反射板１１５を備える。ダイアフラム１１４は、その外側に加わる圧力によって変形し、それに伴い、反射板１１５の位置も変位する。
【０００６】
図１０に示す例では、センサヘッド１０２は水中に配置され、光学式圧力センサ１０１がダイアフラム１１４に加わる圧力（水圧）を計測することにより、水位の情報を得ることができる。光源１０５から出射された光は、出射用光ファイバ１１０によってセンサヘッド１０２まで伝送され、出射用光ファイバ１１０の端面から出射され、反射板１１５の反射面で反射され、第１受光用光ファイバ１１１および第２受光用光ファイバ１１２の端面に入射する。第１受光用光ファイバ１１１および第２受光用光ファイバ１１２の端面に入射した光は、第１受光用光ファイバ１１１および第２受光用光ファイバ１１２によってそれぞれ第１光検出器１０６および第２光検出器１０７まで伝送される。
【０００７】
図１１は、センサヘッドの要部を拡大して示す断面図である。図１１では、ダイアフラムは省略している。第１受光用光ファイバ１１１および第２受光用光ファイバ１１２は、平行に並べて配置されており、出射用光ファイバ１１０と、第１受光用光ファイバ１１１および第２受光用光ファイバ１１２とは、反射板１１５の反射面の法線に対して対称になるよう（具体的には、反射面の法線に対する角度θが５°になるよう）、傾けて配置されている。出射用光ファイバ１１０、第１受光用光ファイバ１１１、および第２受光用光ファイバ１１２の端面は、反射板１１５の反射面に対向するよう配置されている。
【０００８】
出射用光ファイバ１１０の端面から出射された光は、光軸を中心とした広がりを持って進み、反射板１１５の反射面で反射され、第１受光用光ファイバ１１１および第２受光用光ファイバ１１２にそれぞれの端面から入射する。このとき、反射板１１５の位置によって、反射された光の光軸の位置が変化する。そのため、第１受光用光ファイバ１１１に入射する光の強度および第２受光用光ファイバ１１２に入射する光の強度は、反射板１１５の位置によって変化する。
【０００９】
第１光検出器１０６（図１０参照）および第２光検出器１０７は、伝送された光を受光し、それぞれ受光した光の強度に対応する電気信号を生成する。第１光検出器１０６および第２光検出器１０７が生成した電気信号は、それぞれ第１増幅器１０８および第２増幅器１０９に出力される。
【００１０】
第１増幅器１０８および第２増幅器１０９は、それぞれ入力された電気信号を増幅し、演算処理部１０４に出力する。
【００１１】
ここで、第１光検出器１０６が受光した光の強度（すなわち、第１増幅器１０８が出力する電気信号が示す光の強度）をＰ１、第２光検出器１０７が受光した光の強度（すなわち、第２増幅器１０９が出力する電気信号が示す光の強度）をＰ２とする。Ｐ１およびＰ２を用いて、演算処理部１０４が求める光強度比をＦ値とする。Ｆ値はＦ（Ｐ１，Ｐ２）＝（Ｐ１−Ｐ２）／（Ｐ１＋Ｐ２）として算出する。このＦ値を、あらかじめ校正されたテーブル等と比較することで、ダイアフラム１１４の位置での圧力および水深を測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特公平０６−００８７２４号公報（１９９４年２月２日公告）
【特許文献２】特開平０２−０５７９０９号公報（１９９０年２月２７日公開）
【特許文献３】特開平０３−２４３８２２号公報（１９９１年１０月３０日公開）
【特許文献４】特開平０２−０４９１１５号公報（１９９０年２月１９日公開）
【特許文献５】特開昭６３−１６９５２１号公報（１９８８年７月１３日公開）
【特許文献６】特開平１１−３５２１５８号公報（１９９９年１２月２４日公開）
【特許文献７】特開２００４−３０１７６９号公報（２００４年１０月２８日公開）
【特許文献８】特開平０６−３０７８５８号公報（１９９４年１１月４日公開）
【特許文献９】特開２００８−２９８５８１号公報（２００８年１２月１１日公開）
【特許文献１０】特開２００７−０２４８２６号公報（２００７年２月１日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、光学式圧力センサ１０１を水位センサとして使用する場合、センサヘッド１０２の中に徐々に水分（湿気）が浸入し、浸入した水分が最終的に光学式圧力センサ１０１を故障に至らしめることがある。例えば、センサヘッド１０２内に浸入した水分が、センサヘッド１０２の内部の部材の固定に影響を与え、内部の部材の位置、または光ファイバの位置が変化してしまうことにより、光学式圧力センサ１０１の測定精度を悪化させることがある。センサヘッド１０２から各光ファイバ１１０・１１１・１１２（またはそれらをまとめた光ファイバケーブル）が出ている部分は、シールが弱くなりやすく、水分の浸入を完全に防止することは難しい（図１０参照）。
【００１４】
そこで、センサヘッド内に水分の浸入等の異常があった場合に備えて、湿度を検知する湿度センサをセンサヘッドに内蔵させることが考えられる。しかしながら、湿度センサをセンサヘッドに内蔵した場合、使用する部品が増加し、光学式圧力センサが高価なものになってしまう。また、湿度センサのためにセンサヘッドに電気配線する必要がある場合、センサヘッドに給電する必要がない光学式圧力センサの長所を犠牲にしてしまう。また、安価な湿度センサは、測定した湿度を確認するために、センサヘッドを水中から引き上げてセンサヘッドから湿度センサを取り出して確認しなければならず、測定した湿度を確認するための作業時間および作業費用が必要になる。
【００１５】
近年、突発的な雷雨（ゲリラ豪雨）による水害等が多発しており、安定して水位等を測定できるセンサが求められている。センサヘッドに起こった異常（水分の浸入、湿度の上昇、温度の変動、ガスの浸入、またはオイルの浸入等）を早期に検知することができれば、センサが故障する前にセンサを修理または交換することができ、安定して測定を行うことができる。
【００１６】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、センサヘッドに起こった環境状態の異常を検知することができる光学式センサを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係るセンサヘッドは、光源から発せられた光を伝送する第１光ファイバと、第１光ファイバの端面に対する相対位置が物理量に応じて変位し、第１光ファイバの上記端面から出射された光を反射する反射体と、上記反射体が反射した光が入射される端面を有し、入射した光をそれぞれ光検出器に伝送する第２光ファイバおよび第３光ファイバとを備える、上記物理量を測定する光学式センサ用のセンサヘッドであって、上記の課題を解決するために、上記センサヘッド内の環境状態の変化に応じて、第１光ファイバの伝送損失を変化させる光強度変化部を備えることを特徴としている。
【００１８】
上記の構成によれば、センサヘッド内の環境状態の変化に応じて第１光ファイバの伝送損失が変化し、第２光ファイバおよび第３光ファイバに入射する光の強度が、同じ程度で変化する。よって、上記センサヘッドを利用した光学式センサは、第２光ファイバおよび第３光ファイバが伝送する光の強度の比から物理量を測定することができ、かつ、第２光ファイバおよび第３光ファイバが伝送する光の強度からセンサヘッド内の環境状態の変化を検知することができる。それゆえ、利用者は、センサヘッドが故障して物理量の測定が行えなくなる前に、センサヘッド内の環境状態の異常を知ることができ、センサヘッドのメンテナンスを行うことができる。よって、突然センサヘッドが故障して物理量の測定が行えなくなる事態の発生を防ぐことができる。
【００１９】
なお、測定する物理量の一例としては、物体の変位、圧力、または温度等を挙げることができる。また、環境状態の一例としては、温度、湿度、あるいはセンサヘッド内に浸入した特定の気体（天然ガス等）または液体（原油等）等を挙げることができる。
【００２０】
また、上記光強度変化部は、上記センサヘッド内の環境状態の変化に応じて、第１光ファイバの曲率を変化させる、第１光ファイバに加わる側圧を変化させる、または、第１光ファイバに加わる張力を変化させることにより、第１光ファイバの伝送損失を変化させる構成であってもよい。
【００２１】
光ファイバの伝送損失は、光ファイバの曲率、光ファイバに加わる側圧、または光ファイバに加わる張力等によって変化する。そのため、センサヘッド内の環境状態の変化に応じて第１光ファイバの曲率、第１光ファイバに加わる側圧、または第１光ファイバに加わる張力を変化させることで、第１光ファイバの伝送損失を変化させることができる。なお、当然、光強度変化部は、第１光ファイバの曲率の変化、第１光ファイバに加わる側圧の変化、および第１光ファイバに加わる張力の変化を組み合わせて、第１光ファイバの伝送損失を変化させる構成であってもよい。
【００２２】
また、第１光ファイバは、上記光強度変化部において分離されており、第１光ファイバの分離された端面同士は、間隔を空けて対向するよう配置されている構成であってもよい。
【００２３】
上記の構成によれば、第１光ファイバの分離された端面の間の空間に、センサヘッド内に侵入した異物（例えば水滴）が入ることにより、第１光ファイバの分離された端面の間で伝送される光の散乱または吸収が起こり、第１光ファイバの伝送損失が変化する。
【００２４】
また、上記光強度変化部は、第１光ファイバの上記分離された端面の間に配置される透過体を備え、上記透過体は、上記センサヘッド内の環境状態の変化に応じて、特定波長の光に対する透過率が変化する構成であってもよい。
【００２５】
上記の構成によれば、第１光ファイバの分離された端面の間に配置される透過体が、センサヘッド内の環境状態の変化に応じて、通過する光の強度を変化させるので、第１光ファイバの伝送損失を変化させることができる。
【００２６】
本発明に係る光学式センサは、上記のセンサヘッドと、光源と、上記センサヘッドから第２光ファイバが伝送する光を受光して、受光した光の強度を示す電気信号を生成する第１光検出器と、上記センサヘッドから第３光ファイバが伝送する光を受光して、受光した光の強度を示す電気信号を生成する第２光検出器と、第１光検出器が生成した電気信号が示す光の強度と第２光検出器が生成した電気信号が示す光の強度との比を用いて上記物理量を求め、第１光検出器が生成した電気信号が示す光の強度と第２光検出器が生成した電気信号が示す光の強度との和、または重みづけの和を用いて、あるいは、第１光検出器が生成した電気信号が示す光の強度または第２光検出器が生成した電気信号が示す光の強度を用いて、上記センサヘッド内の環境状態の変化を検知する処理部とを備えることを特徴としている。
【００２７】
上記の構成によれば、第１光検出器が生成した電気信号が示す光の強度と第２光検出器が生成した電気信号が示す光の強度との比を用いることによって、光源の出力の変化および第１光ファイバの伝送損失に影響を受けることなく、物理量を測定することができ、かつ、第１光検出器が生成した電気信号が示す光の強度と第２光検出器が生成した電気信号が示す光の強度との和（または重みづけの和、または、第１光検出器が生成した電気信号が示す光の強度および第２光検出器が生成した電気信号が示す光の強度のいずれか）を用いることによって、第１光ファイバの伝送損失の変化を検知することができる。そのため、物理量の測定を継続しつつ、環境状態の変化を検知することができる。
【００２８】
また、本発明に係る光学式センサは、上記のセンサヘッドと、第１の波長の光、および、第２の波長の光を出射する光源を備え、上記光強度変化部は、上記センサヘッド内の環境状態の変化に応じて、一方の波長の光に対する第１光ファイバの伝送損失を変化させる構成であってもよい。
【００２９】
上記の構成によれば、環境状態の変化に応じて変化する一方の波長の光の強度を用いて、環境状態の変化を検知することができる。また、例えば、一方の波長の光に対する第１光ファイバの伝送損失が大きくなり過ぎて一方の波長の光が検出不可能になった場合でも、他方の波長の光の強度を用いて物理量の測定を行うことができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明に係るセンサヘッドおよび光学式センサによれば、第２光ファイバおよび第３光ファイバが伝送する光の強度の比から物理量を測定することができ、かつ、第２光ファイバおよび第３光ファイバが伝送する光の強度からセンサヘッド内の環境状態の変化を検知することができる。それゆえ、利用者は、センサヘッドが故障して物理量の測定が行えなくなる前に、センサヘッド内の環境状態の異常を知ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態１に係る光学式圧力センサの構成を示す概略図である。
【図２】図１に示すセンサヘッドの要部を拡大して示す断面図である。
【図３】図１に示す損失変化部の構成例を示す断面図である。
【図４】反射板の位置と、光強度Ｐ１、Ｐ２、およびＦ値との関係の一例を示すグラフである。
【図５】図１に示す損失変化部の他の構成例を示す断面図である。
【図６】図１に示す損失変化部のさらに他の構成例を示す断面図である。
【図７】図１に示す損失変化部のさらに他の構成例を示す平面図である。
【図８】図１に示す損失変化部のさらに他の構成例を示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態２に係る光学式圧力センサの構成を示す概略図である。
【図１０】従来の光学式圧力センサの構成を示す概略図である。
【図１１】図１０に示すセンサヘッドの要部を拡大して示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。以下では光学式センサの一例として、圧力を測定する光学式圧力センサについて説明する。
【００３３】
［実施の形態１］
（光学式圧力センサの構造）
図１は、本実施の形態の光学式圧力センサの構成を示す概略図である。光学式圧力センサ（光学式センサ）１は、センサヘッド２と、光学装置部３と、演算処理部（処理部）４と、アラーム発生部１７とを備える。光学装置部３は、光源５と、第１光検出器６と、第２光検出器７と、第１増幅器８と、第２増幅器９とを備える。
【００３４】
センサヘッド２は、内部に空間を有する容器からなり、光源５から発せられた光をセンサヘッド２に伝送する出射用光ファイバ１０と、センサヘッド２から光学装置部３へ光を伝送する第１受光用光ファイバ１１および第２受光用光ファイバ１２とを備える。出射用光ファイバ１０、第１受光用光ファイバ１１、および第２受光用光ファイバ１２は、センサヘッド２の中の光ファイバ固定部１３で固定されている。センサヘッド２は、センサヘッド２の内部にある出射用光ファイバ１０の端面に相対する位置に、薄い金属板からなるダイアフラム１４を備える。ダイアフラム１４は、出射用光ファイバ１０の端面に対向する面に反射板（反射体）１５を備える。ダイアフラム１４は、その外側に加わる圧力によって変形し、それに伴い、出射用光ファイバ１０の端面に対する反射板１５の位置も変位する。また、センサヘッド２は、出射用光ファイバ１０の周囲に配置される損失変化部（光強度変化部）１６を備え、出射用光ファイバ１０は、損失変化部１６を通るように配置されている。
【００３５】
図１に示す例では、センサヘッド２は水中に配置され、光学式圧力センサ１がダイアフラム１４に加わる圧力を計測することにより、水深または水位の情報を得ることができる。光源５から発せられた光は、出射用光ファイバ１０によってセンサヘッド２まで伝送され、損失変化部１６を通過する。損失変化部１６は、湿度または温度等の環境状態に応じて出射用光ファイバ１０の伝送損失を変化させる機能を有す。損失変化部１６の詳しい構成は後述する。損失変化部１６を通過した出射用光ファイバ１０中の光は、反射板１５に対向する出射用光ファイバ１０の端面から出射され、反射板１５の反射面で反射され、第１受光用光ファイバ１１および第２受光用光ファイバ１２にそれぞれの端面から入射する。第１受光用光ファイバ１１および第２受光用光ファイバ１２の端面から入射した光は、第１受光用光ファイバ１１および第２受光用光ファイバ１２によってそれぞれ第１光検出器６および第２光検出器７まで伝送される。
【００３６】
図２は、図１に示すセンサヘッドの要部を拡大して示す断面図である。図２では、ダイアフラムは省略している。第１受光用光ファイバ１１および第２受光用光ファイバ１２は、平行に並べて配置されており、出射用光ファイバ１０と、第１受光用光ファイバ１１および第２受光用光ファイバ１２とは、反射板１５の反射面の法線に対して対称に、より具体的には、それぞれ反射面の法線に対して、ある角度θになるよう、傾けて配置されている。ここでは、角度θ＝５°とした。出射用光ファイバ１０、第１受光用光ファイバ１１、および第２受光用光ファイバ１２の端面は、反射板１５の反射面に対向するよう配置されている。
【００３７】
出射用光ファイバ１０の端面から出射された光は、光軸を中心とした広がりを持って進み、反射板１５の反射面で反射され、第１受光用光ファイバ１１および第２受光用光ファイバ１２の端面から各受光用光ファイバ１１・１２に入射する。このとき、反射板１５の位置によって、反射された光の光軸の位置と、出射用光ファイバ１０の端面から第１受光用光ファイバ１１および第２受光用光ファイバ１２の端面までの光路長とが変化する。そのため、第１受光用光ファイバ１１に入射する光の強度および第２受光用光ファイバ１２に入射する光の強度は、反射板１５の位置によって変化する。具体的には、出射用光ファイバ１０の端面と反射板１５との距離が近い場合（すなわちダイアフラムの外側の圧力が高い場合）は、第１受光用光ファイバ１１に入射する光の強度が大きくなり、出射用光ファイバ１０の端面と反射板１５との距離が遠い場合（すなわちダイアフラムの外側の圧力が低い場合）は、第２受光用光ファイバ１２に入射する光の強度が大きくなる。
【００３８】
第１光検出器６（図１参照）および第２光検出器７は、第１受光用光ファイバ１１および第２受光用光ファイバ１２によって伝送された光を受光し、それぞれ受光した光の強度に対応する電気信号を生成する（受光した光を電気信号に変換する）。第１光検出器６および第２光検出器７が生成した電気信号は、それぞれ第１増幅器８および第２増幅器９に出力される。
【００３９】
第１増幅器８および第２増幅器９は、それぞれ入力された電気信号を増幅し、演算処理部４に出力する。演算処理部４は、各電気信号から圧力等の物理量を求める。演算処理部４は、データの記憶手段を備え、この電気信号と物理量との対応関係のテーブル、および後述する閾値データをあらかじめ記憶している。
【００４０】
（損失変化部の構成）
図３は、図１に示す損失変化部１６の構成例を示す断面図である。損失変化部１６は、直方体の容器２０と、容器２０の中に詰められた球状の吸水性樹脂２１とを備える。出射用光ファイバ１０は、容器２０の一端から他端へ、吸水性樹脂２１の隙間を通り、損失変化部１６の中を通過する。また、容器２０は水分（湿度）を通過させる。
【００４１】
センサヘッド２（図１参照）内に水分が浸入した場合、吸水性樹脂２１は、センサヘッド２内の水分を吸湿し、吸水性樹脂２１が膨張する。出射用光ファイバ１０は、吸水性樹脂２１が膨張したときに出射用光ファイバ１０が押されて曲がるようなテンションに設定する。膨張した吸水性樹脂２１は、損失変化部１６の中を通る出射用光ファイバ１０を圧迫し、出射用光ファイバ１０を屈曲させてその部分的な曲率を変化させる、または出射用光ファイバ１０に部分的に側圧を加える。光ファイバは、曲率の増大（曲率半径の減少）、側圧の印加、または張力の印加等により、その伝送損失が大きくなる。そのため、センサヘッド２内に水分が浸入した場合、その水分の量に応じて、吸水性樹脂２１が膨張し、出射用光ファイバ１０の伝送損失が大きくなる。それゆえ、出射用光ファイバ１０から出射される光の強度は、センサヘッド２内に浸入した水分の量によって変化し、センサヘッド２内の湿度が上昇した場合は、出射用光ファイバ１０から出射される光の強度は小さくなる。なお、吸水性樹脂２１としては、例えば、周知の吸水性の高分子ポリマー等を用いることができる。
【００４２】
（圧力の測定と異常の検知）
ここで、第１光検出器６が受光した光の強度（すなわち、第１増幅器８が出力する電気信号が示す光の強度）をＰ１、第２光検出器７が受光した光の強度（すなわち、第２増幅器９が出力する電気信号が示す光の強度）をＰ２とする。Ｐ１およびＰ２を用いて、演算処理部４が求める光強度比をＦ値とする。Ｆ値はＦ（Ｐ１，Ｐ２）＝（Ｐ１−Ｐ２）／（Ｐ１＋Ｐ２）として算出する。このＦ値を、あらかじめ校正されたテーブル等と比較することで、ダイアフラム１４の位置での圧力および水深を特定することができる。
【００４３】
図４は、反射板の位置と、光強度Ｐ１、Ｐ２、およびＦ値との関係の一例を示すグラフである。横軸は、出射用光ファイバ１０（図１参照）の端面と反射板１５の反射面との距離Ｄを表す。縦軸は、光強度Ｐ１、Ｐ２、およびＦ値を表す。出射用光ファイバ１０の端面と反射板１５の反射面との距離Ｄが小さいところにＰ１のピークがあり、そこから距離Ｄが大きくなるにつれてＰ１は減少し、代わりにＰ２が増大する。さらに距離Ｄが大きくなるとＰ２も減少していく。通常、圧力（つまり反射板の変位）の測定は、Ｐ１が減少し、Ｐ２が増大する領域、特にＦ値が略線形に変化する領域を用いて行う。
【００４４】
なお、光源５の出力は常に一定とは限らず、外乱等に応じてある程度揺らぎ、また、経時劣化によって出力は徐々に低下する。そのため、光強度Ｐ１、Ｐ２は、光源５の出力に応じて変化してしまう。ここで、Ｆ値は、Ｆ（Ｐ１，Ｐ２）＝（（Ｐ１／Ｐ２）−１）／（（Ｐ１／Ｐ２）＋１）、と書き換えることができる。すなわち、Ｆ値は、Ｐ１とＰ２との比から求められる量である。また、出射用光ファイバ１０から出射される光の強度をＰ０とすると、Ｐ１＝ａ×Ｐ０，Ｐ２＝ｂ×Ｐ０、とおける（ａ、ｂは０または正の実数）。Ｐ１／Ｐ２＝ａ／ｂ、であるので、Ｆ値は出射用光ファイバ１０から出射される光の強度Ｐ０には依存しない。そのため、光源５の出力が変化しても、また、損失変化部１６により出射用光ファイバ１０の伝送損失が変化した場合でも、Ｆ値は影響を受けず、光学式圧力センサ１は、圧力を正確に測定することができる。このように、上記Ｆ値以外にも、Ｐ１とＰ２との比から計算できる量を用いることで、出射用光ファイバ１０から出射される光の強度Ｐ０の変化に影響を受けずに圧力を正確に測定することができる。
【００４５】
ここで、センサヘッド２内に水分が浸入した場合、損失変化部１６により、出射用光ファイバ１０から出射される光の強度Ｐ０が小さくなり、各光検出器が受光する光の強度Ｐ１およびＰ２もそれぞれ小さくなる。よって、（Ｐ１＋Ｐ２）の値が所定の範囲外になった場合、センサヘッド２の環境状態に異常が発生している（センサヘッド２に許容値以上の水分が浸入している）と判断できる。
【００４６】
そこで、演算処理部４は、第１光検出器６が受光した光の強度Ｐ１と第２光検出器７が受光した光の強度Ｐ２との和を強度参照値とし、強度参照値（Ｐ１＋Ｐ２）が所定の閾値未満になった場合、異常を検知したことを示す信号をアラーム発生部１７に出力する。アラーム発生部１７は、異常を検知したことを示す信号が入力されると、音、光、または表示等の報知手段により、異常を検知したことを報知する。
【００４７】
なお、Ｐ１およびＰ２は、距離Ｄの変化によって比較的大きく変化するが、距離Ｄの変化に対する（Ｐ１＋Ｐ２）の変化は、通常の測定に使われる領域（通常の測定における反射板１５の変位の範囲）においては、緩やかでフラットに近い。そのため、この閾値は、光学式圧力センサ１の使用が想定される圧力範囲における（Ｐ１＋Ｐ２）の値の下限から所定のマージンを取った値にあらかじめ定められる。この閾値の設定のマージンは、光源５の経時劣化および外乱による出力の変化を考慮して定めることが好ましい。
【００４８】
従来の光学式圧力センサでも、センサヘッド内に水分が浸入して反射板に水滴が付着すること等により、Ｐ１およびＰ２が減少することがある。しかしながら、このような場合、Ｐ１およびＰ２が等しい比で減少するとは限らず、Ｐ１またはＰ２の減少を検知できるほどに水分が浸入した場合、Ｆ値が変化し圧力の測定にも影響を及ぼす可能性が高い。また、Ｐ１またはＰ２の減少を検知できるほどに水分が浸入する前に、光学式圧力センサ自体が故障することも考えられる。
【００４９】
本実施の形態では、損失変化部１６が、センサヘッド２内の少量の水分（環境状態の変化）に反応して出射用光ファイバ１０の伝送損失を増加（変化）させる。それゆえ、演算処理部４が、出射用光ファイバ１０から出射される光の強度Ｐ０に依存する強度参照値（Ｐ１＋Ｐ２）を参照することで、圧力の正確な測定が可能なまま、センサヘッド２内の環境状態の変化を検知できる。よって、光学式圧力センサ１は、故障して圧力の測定が不可能になる前に、環境状態の変化を検知することで異常の兆候を捉え、利用者に報知することができる。
【００５０】
なお、出射用光ファイバとしてマルチモードファイバを用いた場合、光強度変化部で加える曲げ・応力等によりモードが変化し、出射光の遠視野パターン（ＦＦＰ：Far Field Pattern）が変化してしまうと、安定した測定を行うことが難しくなる。そのため、本実施の形態の光学式圧力センサ１の出射用光ファイバ１０の少なくとも、損失変化部１６を通過する部分から光ファイバ固定部１３の出射端までは、シングルモードファイバであることが好ましい。この間の出射用光ファイバ１０がシングルモードファイバであることにより、損失変化部１６において曲げ等の応力が加わった場合でも、損失変化部１６でモードフィールド径（ＭＦＤ：Mode Field Diameter）が変化せず、光ファイバ固定部１３の出射端からの出射パターンを一定に保持することができ、精度の高い環境状態の感知をすることができる。なお、シングルモードになるか否かは使用する光の波長に依存するので、上記シングルモードファイバは、光源から出射される光を、シングルモードで伝送する光ファイバを指す。
【００５１】
なお、演算処理部４がＰ１およびＰ２のいずれか一方を強度参照値として閾値と比較することで、環境状態の異常を検知してもよい。また、Ｐ１とＰ２との重みづけの和（ｃ×Ｐ１＋ｄ×Ｐ２：ｃ，ｄは正の実数）を閾値と比較することで、環境状態の異常を検知してもよい。第１受光用光ファイバ１１より、出射用光ファイバ１０から離れて配置される第２受光用光ファイバ１２は、入射する光の強度のピークが、第１受光用光ファイバ１１の場合より小さくなる（図４のＰ１、Ｐ２参照）。そのため、Ｐ２の重みを大きくしたＰ１とＰ２との和（例えば、（Ｐ１＋２×Ｐ２））は、通常の測定に使われる領域において変化が小さくなり、定数に近くなる。光学式センサが測定する物理量の変化（反射板１５の変位）に対する強度参照値（Ｐ１およびＰ２の重みづけの和）の変化が小さくなれば、許容範囲（閾値）の設定におけるマージンを小さくし、環境状態の異常をより高感度に検知することができる。
【００５２】
また、演算処理部４は、例えば、通常状態における各Ｆ値に対応するＰ１の値をあらかじめ（光学式センサを校正した段階で）テーブルに記憶しておき、あるＦ値のときに測定されたＰ１と、あらかじめ記憶していた通常状態のＰ１とを比較することにより、環境状態の異常を検知してもよい。すなわち、Ｆ値に応じて変化する閾値を、強度参照値（Ｐ１、Ｐ２、またはその重みづけの和）との比較に用いてもよい。
【００５３】
また、特定の液体または気体に応じて性質が変化（変形）する部材を用いて損失変化部を構成することにより、当該液体または気体の変動を検知する光学式センサを構成することもできる。
【００５４】
また、反射板の変位から圧力を測定する代わりに、温度（または他の物理量）の変化によって反射板の位置が変化するセンサヘッドを構成して、反射板の変位を測定することにより温度（または他の物理量）を測定する光学式センサを構成することもできる。
【００５５】
（損失変化部のその他の構成例）
図５は、損失変化部の他の構成例を示す断面図である。損失変化部２２は、図１に示す損失変化部１６の代わりに、あるいは、図１に示す損失変化部１６と共に用いられる損失変化部であり、金属製の凸部材２３ａと、金属製の凹部材２３ｂとを備える。凸部材２３ａに形成された凸部と、凹部材２３ｂに形成された凹部とは、対向して配置されている。また、凸部材２３ａは、凸部が形成されている面の反対側の面に吸水性樹脂２４ａを備え、吸水性樹脂２４ａは、凸部材２３ａと接する面の反対側の面でセンサヘッドの筐体に固定されている。同様に、凹部材２３ｂは、凹部が形成されている面の反対側の面に吸水性樹脂２４ｂを備え、吸水性樹脂２４ｂは、凹部材２３ｂと接する面の反対側の面がセンサヘッドの筐体に固定されている。出射用光ファイバ１０は、凸部材２３ａに形成された凸部と、凹部材２３ｂに形成された凹部との間を通過するよう配置されている。
【００５６】
センサヘッド内に水分が浸入した場合、損失変化部２２の吸水性樹脂２４ａ・２４ｂが水分を吸収して膨張し、凸部材２３ａと凹部材２３ｂとを接近させる。このとき、凸部材２３ａの凸部と凹部材２３ｂの凹部とが、出射用光ファイバ１０を挟むように圧迫して側圧を印加し、屈曲させる。これにより出射用光ファイバ１０の曲率が部分的に変化し、出射用光ファイバ１０の伝送損失が大きくなる。
【００５７】
図６は、損失変化部のさらに他の構成例を示す断面図である。損失変化部２５は、図１に示す損失変化部１６の代わりに、あるいは、図１に示す損失変化部１６と共に用いられる損失変化部であり、間隔を開けて対向して配置される金属製の２つの対向部材２６を備える。２つの対向部材２６は、対向する面に互いに噛み合う凹凸部を有し、凹凸部が形成されている面の反対側の面がセンサヘッドに固定されている。出射用光ファイバ１０は、２つの対向部材２６の凹凸部の間を通過するよう配置されている。
【００５８】
損失変化部２５は、センサヘッド内の温度に応じて出射用光ファイバ１０の伝送損失を変化させるものである。温度が高くなると、金属製の２つの対向部材２６が熱膨張し、対向する凹凸の間の出射用光ファイバ１０を挟み込み、出射用光ファイバ１０を凹凸に沿ってジグザグに屈曲させる。これにより出射用光ファイバ１０の曲率および印加される側圧が部分的に変化し、出射用光ファイバ１０の伝送損失が大きくなる。
【００５９】
図７は、損失変化部のさらに他の構成例を示す平面図である。損失変化部２７は、図１に示す損失変化部１６の代わりに、あるいは、図１に示す損失変化部１６と共に用いられる損失変化部であり、センサヘッドに固定された平板２８と、固定用樹脂２９とを備える。出射用光ファイバ１０は、平板２８の上端と下端の２つの固定点３０・３１で平板２８に固定手段（金属、樹脂または接着剤等）により固定されている。また、出射用光ファイバ１０は、屈曲させられた状態を保持するように、固定用樹脂２９によって上端と下端の２つの固定点３０・３１の間で固定されている。出射用光ファイバ１０は、固定用樹脂２９によって、弾性エネルギーを蓄えた状態で固定されている。シート状の固定用樹脂２９は、出射用光ファイバ１０を上端の固定点３０寄りの位置で平板２８に貼り付けて固定している。
【００６０】
固定用樹脂２９は、周囲の湿度が高くなると水分を吸収し、接着力が低下する樹脂（例えばアクリル樹脂等）からなる。センサヘッド内に水分が浸入した場合、損失変化部２７の固定用樹脂２９の接着力が低下して固定用樹脂２９が剥離し、屈曲した状態で固定されていた出射用光ファイバ１０が解放される。これにより、出射用光ファイバ１０の弾性エネルギーが解放され、出射用光ファイバ１０の曲率が小さくなり、出射用光ファイバ１０の伝送損失が小さくなる。この場合、演算処理部は、例えば強度参照値（Ｐ１＋Ｐ２）が所定の閾値より大きくなった場合に、センサヘッド内に水分が浸入したと判断し、異常を検知したことを示す信号をアラーム発生部に出力する。
【００６１】
なお、他の構成例として、環境状態の変化によって径が変化する円筒状の部材の円筒面に凹凸を設け、凹凸を有する円筒面に出射用光ファイバを巻き付けたものを、損失変化部として構成してもよい。これにより、環境状態の変化によって円筒状の部材の径が大きくなると、円筒状の部材の一部（円筒面に設けられた凸部）が、出射用光ファイバを圧迫して、屈曲させる。これにより、出射用光ファイバの曲率半径が大きくなり、曲げ損失が増加して、出射用光ファイバの伝送損失が増加する。
【００６２】
図８は、損失変化部のさらに他の構成例を示す断面図である。損失変化部３６は、図１に示す損失変化部１６の代わりに、あるいは、図１に示す損失変化部１６と共に用いられる損失変化部である。図８において、出射用光ファイバ１０を伝送する光の光軸を破線で示す。センサヘッド内の損失変化部３６において、出射用光ファイバ１０は２つに分断（分離）され、分断された出射用光ファイバ１０の２つの分断面は、微小な間隔を空けて対向するよう配置されている。なお、損失変化部３６は、出射用光ファイバ１０の２つの分断面の間に、感湿体（透過体）３７を備える。感湿体３７は、周囲の湿度に応じて色が変化する物質（例えば塩化コバルト等）を含み、光源から発せられる波長の光を通過させる。
【００６３】
ここで、センサヘッド内の湿度が上昇した場合、感湿体３７の色が変化することにより、感湿体３７における光源から発せられる光に対する透過率が減少する。そのため、センサヘッド内の湿度の変化に応じて、損失変化部３６を含めた出射用光ファイバ１０の伝送損失が変化する。例えば、センサヘッド内の湿度が上昇した場合は、出射用光ファイバ１０から出射される光の強度は小さくなる。
【００６４】
また、損失変化部は、感湿体を備えない構成であってもよい。例えば出射用光ファイバが２つに分断された損失変化部を、水分の浸入が想定されるセンサヘッドから光ファイバケーブルが出ている付近に配置する。センサヘッド内に水分の浸入があった場合に、出射用光ファイバの対向する分断面の隙間に水滴が付着すると、出射用光ファイバの伝送損失が大きくなる。
【００６５】
［実施の形態２］
本実施の形態では、２波長の光を用いて物理量の測定および異常の検知を行う構成について説明する。なお、説明の便宜上、実施の形態１にて説明した図面と同じ機能を有する部材・構成については、同じ符号を付記し、その詳細な説明を省略する。
【００６６】
（光学式圧力センサの構造）
図９は、本実施の形態の光学式圧力センサの構成を示す概略図である。光学式圧力センサ（光学式センサ）４１は、センサヘッド４２と、光学装置部３と、演算処理部（処理部）４と、アラーム発生部１７とを備える。光学装置部３は、光源４３と、第１光検出器６と、第２光検出器７と、第１増幅器８と、第２増幅器９とを備える。光源４３は、２つの異なる波長の光を発する。
【００６７】
センサヘッド４２は、図１の例の損失変化部１６の代わりに、図５に示す損失変化部（光強度変化部）２２を備える。光源４３から発せられた第１の波長の光と第２の波長の光とは、共に同じ経路を通り、センサヘッド４２に到達し、損失変化部２２を通過して、センサヘッド４２から第１受光用光ファイバ１１および第２受光用光ファイバ１２によって光学装置部３の第１光検出器６および第２光検出器７まで伝送される。光源４３から各光検出器６・７までの光の経路は実施の形態１と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００６８】
第１光検出器６および第２光検出器７は、第１受光用光ファイバ１１および第２受光用光ファイバ１２によって伝送された２つの波長の光を受光する。各光検出器６・７は、各波長の感受率に応じて、２つの波長の光の合計の強度を示す電気信号を生成する。第１光検出器６および第２光検出器７が生成した電気信号は、それぞれ第１増幅器８および第２増幅器９に出力される。
【００６９】
第１増幅器８および第２増幅器９は、それぞれ入力された電気信号を増幅し、演算処理部４に出力する。演算処理部４は、各電気信号から圧力等の物理量を求める。
【００７０】
（損失変化部の構成）
ここで、図５に示す損失変化部２２は、センサヘッド内の湿度が上昇すると出射用光ファイバ１０の曲率を変化させる。一般に、特定の波長の光に対する光ファイバの曲げ損失は、ある曲率から急激に大きくなる。そのため、１つの波長のみの光を用いて圧力の測定と環境状態の異常（光ファイバの曲率の変化）の検知とを両立させようとすると、閾値の設定が難しくなる。しかしながら、短波長の光は、長波長の光に比べて、光ファイバの曲げ損失の急激な増大が起こる曲率が比較的大きい（曲率半径が比較的小さい）。すなわち、長波長の光は、光ファイバの比較的小さい曲げによって伝送損失が急激に大きくなる。そのため、センサヘッド内の湿度が上昇すると、損失変化部２２において２つの波長の光のうち、先に長波長の光に対する伝送損失が大きくなり、光検出器が長波長の光を検出できなくなったときでも、短波長の光を用いて物理量の測定を行うことができる。そして、長波長の光の強度の変化（減少）を検知することで、環境状態の異常を検知することができる。このように、センサヘッド内の環境状態の変化に応じて出射用光ファイバの曲率を変化させる構成は、２つの波長の光を用いて物理量の測定と環境状態の変化の検知を行う光学センサに好適に用いることができる。
【００７１】
なお、本実施の形態では、第１の波長は、第２の波長よりも短いとする。すなわち、センサヘッド内の湿度が上昇した場合の、出射用光ファイバ１０から出射される第２の波長の光の強度の減少率は、第１の波長の光の強度の減少率に比べて大きい。
【００７２】
（圧力の測定と異常の検知）
第１光検出器６が受光した光の強度（すなわち、第１増幅器８が出力する電気信号が示す光の強度）をＰ１、第２光検出器７が受光した光の強度（すなわち、第２増幅器９が出力する電気信号が示す光の強度）をＰ２とする。Ｐ１およびＰ２を用いて、演算処理部４が求める光強度比をＦ値とする。Ｆ値はＦ（Ｐ１，Ｐ２）＝（Ｐ１−Ｐ２）／（Ｐ１＋Ｐ２）として算出する。このＦ値を、あらかじめ校正されたテーブル等と比較することで、ダイアフラム１４の位置での圧力および水深を特定することができる。
【００７３】
なお、本実施の形態では、各光検出器６・７の各波長の光に対する感受率は同じであり、また、Ｐ１における第１の波長の光の寄与と第２の波長の光の寄与の比と、Ｐ２における第１の波長の光の寄与と第２の波長の光の寄与の比とは、略等しい（すなわち、各波長の光に対する受光用光ファイバ１１・１２の伝送損失および反射板１５の反射率等が等しい）。すなわち、出射用光ファイバ１０から出射される第１の波長の光の強度をＰａ０、第２の波長の光の強度をＰｂ０とすると、Ｐ１＝ａ×（Ｐａ０＋Ｐｂ０），Ｐ２＝ｂ×（Ｐａ０＋Ｐｂ０）、とおける（ａ、ｂは０または正の実数）。これにより、Ｐ１およびＰ２の比（ａ／ｂ）を用いて、圧力を測定することができる。
【００７４】
また、センサヘッド４２内の湿度が上昇した場合、Ｐａ０よりも先にＰｂ０が大きく減少する。このとき例えば、Ｐｂ０が急激に減少して光検出器６・７が第２の波長の成分を検出できなくなったとしても、Ｐａ０はＰｂ０ほどは変化しないので、第１の波長を利用して圧力の測定を継続することができる。また、参照強度（Ｐ１＋Ｐ２）は、Ｐｂ０の減少と共に減少するので、演算処理部４は、参照強度（Ｐ１＋Ｐ２）を閾値と比較することにより、環境状態の変化を検知することができる。
【００７５】
本実施の形態では、２つの波長の光を用いることで、センサヘッド４２の環境状態に異常が発生した場合でも、一方の波長の光を用いて圧力の正確な測定を継続しつつ、センサヘッド４２の環境状態の異常を検知することができる。
【００７６】
なお、第１光検出器６および第２光検出器７は、各波長毎に光の強度を示す電気信号を生成する構成であってもよい。すなわち、第１光検出器６は、受光した第１の波長の光の強度を示す第１の電気信号と、受光した第２の波長の光の強度を示す第２の電気信号とを生成し、第２光検出器７は、受光した第１の波長の光の強度を示す第３の電気信号と、受光した第２の波長の光の強度を示す第４の電気信号とを生成する。
【００７７】
この場合、演算処理部４は、第１の波長の光に対応する第１の電気信号と第３の電気信号とを用いて圧力等の物理量を求める。圧力の求め方は、実施の形態１と同様である。一方、演算処理部４は、第２の波長の光に対応する第２の電気信号と第４の電気信号とを用いて、センサヘッド４２内の湿度の変化を検知する。
【００７８】
第１の波長の光の強度は、第２の波長の光の強度に比べて、センサヘッド４２内の湿度の変化による変化が小さい。そのため、センサヘッド４２内の湿度が上昇した場合でも、正確に圧力の測定を行うことができる。一方、第２の波長の光の強度は、第１の波長の光の強度に比べて、センサヘッド４２内の湿度の変化に応じて、大きく変化する。そのため、センサヘッド４２内の湿度が上昇した場合、第２の波長の光に対する出射用光ファイバ１０の伝送損失が大きくなり、第２の波長の光は減衰する。第１光検出器６が受光した第２の波長の光の強度（第２の電気信号が示す光の強度）と、第２光検出器７が受光した第２の波長の光の強度（第４の電気信号が示す光の強度）とを用いて、実施の形態１と同様の方法で閾値と比較することにより、センサヘッド４２内の湿度の変化を検知することができる。
【００７９】
上記の構成では、物理量の測定用に第１の波長の光のみを利用し、環境状態の変化の検知用に第２の波長の光のみを利用するので、センサヘッド４２内に環境状態の変化があった場合でも、第１の波長の光を用いて正確に物理量を測定し続けることができる。
【００８０】
（損失変化部のその他の構成例）
また、図８に示す出射用光ファイバの経路中に感湿体３７を備える構成を、図９に示す損失変化部２２の代わりに用いてもよい。この場合、感湿体３７は、２つの波長の光を通過させ、センサヘッド内の環境状態の変化に応じて、第１の波長の光または第２の波長の光に対する透過率が変化する構成であればよい。なお、感湿体３７は、環境状態に応じて、第１の波長および第２の波長の両方の透過率が変化する構成であってもよい。
【００８１】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明は、光学式センサ、および光学式センサに用いるセンサヘッドに利用することができる。
【符号の説明】
【００８３】
１、４１    光学式圧力センサ（光学式センサ）
２、４２    センサヘッド
３    光学装置部
４    演算処理部（処理部）
５、４３    光源
６    第１光検出器
７    第２光検出器
８    第１増幅器
９    第２増幅器
１０    出射用光ファイバ
１１    第１受光用光ファイバ
１２    第２受光用光ファイバ
１３    固定部
１４    ダイアフラム
１５    反射板（反射体）
１６、２２、２５、２７、３６    損失変化部（光強度変化部）
１７    アラーム発生部
２０    容器
２１、２４ａ、２４ｂ    吸水性樹脂
２３ａ    凸部材
２３ｂ    凹部材
２６    対向部材
２８    平板
２９    固定用樹脂
３７    感湿体（透過体）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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