(57)【要約】【課題】振動物理情報を歪や圧力など、ほかの物理量に変換する必要のないシンプルかつ小型な新たな光ファイバセンサの提供。【解決手段】本発明では、ＭＥＭＳチップ上に形成したダイヤフラムの表面に形成された表側高反射膜と、ハーフミラーの多層膜が形成された第１ファイバの端面とを対向させて第１エタロンを構成し、前記ダイヤフラムの裏面に形成された裏側高反射膜と、ハーフミラーの多層膜が形成された第２ファイバの端面とを対向させて第２エタロンを構成し、前記第１ファイバを介して所定の波長の参照光を前記第１エタロンに供給し、当該第１エタロンにおける反射光を前記第１ファイバを介して取り出すように構成するとともに、前記第２ファイバを介して所定の波長の参照光を前記第２エタロンに供給し、当該第２エタロンにおける反射光を前記第２ファイバを介して取り出すように構成した。【選択図】      図１２
2014062895.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＥＭＳチップ上に形成したダイヤフラムの少なくとも一方の面に形成された高反射膜と、ハーフミラーの多層膜が形成されたファイバの端面とを対向させて少なくとも１つのエタロンを構成し、
前記ファイバを介して所定の波長の参照光を前記エタロンに供給し、当該エタロンにおける反射光を前記ファイバを介して取り出すように構成したことを特徴とするＭＥＭＳダイヤフラムエタロンによる光ファイバセンサ。
【請求項２】
ＭＥＭＳチップ上に形成したダイヤフラムの表面に形成された表側高反射膜と、ハーフミラーの多層膜が形成された第１ファイバの端面とを対向させて第１エタロンを構成し、
前記ダイヤフラムの裏面に形成された裏側高反射膜と、ハーフミラーの多層膜が形成された第２ファイバの端面とを対向させて第２エタロンを構成し、
前記第１ファイバを介して所定の波長の参照光を前記第１エタロンに供給し、当該第１エタロンにおける反射光を前記第１ファイバを介して取り出すように構成するとともに、
前記第２ファイバを介して所定の波長の参照光を前記第２エタロンに供給し、当該第２エタロンにおける反射光を前記第２ファイバを介して取り出すように構成したことを特徴とするＭＥＭＳダイヤフラムエタロンによる光ファイバセンサ。
【請求項３】
前記所定の波長の参照光は、光カプラで２分岐して、一方の分岐光は、所定の遅延時間を与えるダミーファイバを介して前記第１ファイバから前記第１エタロンに供給し、当該第１エタロンにおける反射光を前記第１ファイバと前記ダミーファイバを介して前記光カプラに戻し、
他方の分岐光は、前記第２ファイバを介して前記第２エタロンに供給し、当該第２エタロンにおける反射光を前記第２ファイバを介して前記光カプラに戻して、前記第１エタロンからの反射光と合成して取り出すように構成したことを特徴とする請求項２に記載のＭＥＭＳダイヤフラムエタロンによる光ファイバセンサ。
【請求項４】
ＭＥＭＳチップ上に形成したダイヤフラムの少なくとも一方の面に形成された高反射膜と、ハーフミラーの多層膜が形成されたファイバの端面とを対向させて少なくとも１つのエタロンを構成し、
前記ファイバが内装されたセンサフェルールの他方の端面が、計測用の光ファイバフェルールとの光学的接続が可能となるように研磨され、当該センサフェルールは、前記計測用の光ファイバフェルールと接続可能および分離可能に構成され、
前記センサフェルールを前記計測用の光ファイバフェルールと分離した状態では、保管・取り扱いが容易な独立した単体部材となり、
前記センサフェルールを前記計測用の光ファイバフェルールと接続した状態では、前記計測用の光ファイバフェルールから供給される所定の波長の参照光を前記ファイバを経由して前記エタロンに供給し、当該エタロンにおける反射光を前記ファイバを介して取り出して、前記計測用の光ファイバフェルールを経由して出力し得るように構成したことを特徴とするＭＥＭＳダイヤフラムエタロンによる光ファイバセンサ。
【請求項５】
ＭＥＭＳチップ上に形成したダイヤフラムの表面に形成された表側高反射膜と、ハーフミラーの多層膜が形成された第１ファイバの端面とを対向させて第１エタロンを構成し、
前記ダイヤフラムの裏面に形成された裏側高反射膜と、ハーフミラーの多層膜が形成された第２ファイバの端面とを対向させて第２エタロンを構成し、
前記第１ファイバを介して所定の波長の参照光を前記第１エタロンに供給し、当該第１エタロンにおける反射光を前記第１ファイバを介して取り出すように構成するとともに、
前記第２ファイバを介して所定の波長の参照光を前記第２エタロンに供給し、当該第２エタロンにおける反射光を前記第２ファイバを介して取り出すように構成し、
前記第１ファイバおよび前記第２ファイバがそれぞれ内装されたセンサフェルールの他方の端面が、それぞれ計測用の光ファイバフェルールとの光学的接続が可能となるように研磨され、各センサフェルールは、それぞれ前記計測用の光ファイバフェルールと接続可能および分離可能に構成され、
前記各センサフェルールを前記計測用の光ファイバフェルールとそれぞれ分離した状態では、保管・取り扱いが容易な独立した単体部材となり、
前記各センサフェルールを前記計測用の光ファイバフェルールとそれぞれ接続した状態では、前記計測用の光ファイバフェルールから供給される所定の波長の参照光を前記第１ファイバおよび前記第２ファイバを経由して前記第１エタロンおよび前記第２エタロンにそれぞれ供給し、これらのエタロンにおける反射光を前記第１ファイバおよび前記第２ファイバを介してそれぞれ取り出して、前記各計測用の光ファイバフェルールを経由してそれぞれ出力し得るように構成したことを特徴とするＭＥＭＳダイヤフラムエタロンによる光ファイバセンサ。
【請求項６】
前記所定の波長の参照光は、光カプラで２分岐して、一方の分岐光は、所定の遅延時間を与えるダミーファイバを介して前記第１ファイバから前記第１エタロンに供給し、当該第１エタロンにおける反射光を前記第１ファイバと前記ダミーファイバを介して前記光カプラに戻し、
他方の分岐光は、前記第２ファイバを介して前記第２エタロンに供給し、当該第２エタロンにおける反射光を前記第２ファイバを介して前記光カプラに戻して、前記第１エタロンからの反射光と合成して取り出すように構成したことを特徴とする請求項５に記載のＭＥＭＳダイヤフラムエタロンによる光ファイバセンサ。
【請求項７】
前記センサフェルールは、スリーブに内装されていることを特徴とする請求項４、５、６の何れか１項に記載のＭＥＭＳダイヤフラムエタロンによる光ファイバセンサ。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか１項に記載のＭＥＭＳダイヤフラムエタロンによる光ファイバセンサを用いた計測システムであって、
前記光ファイバセンサに参照光を供給するインタロゲータとして、前記光ファイバセンサの反射スペクトルのひとつの谷間を挟んだ２波長の参照光を用いる２波長プッシュプル比反射計測方式のインタロゲータを用いることを特徴とするＭＥＭＳダイヤフラムエタロンによる光ファイバセンサを用いた計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）チップ上に形成したダイヤフラム（以下、単に「MEMSダイヤフラム」という。）と、ハーフミラーの多層膜を蒸着した光ファイバ（例えば、日本電気硝子社製の「FIXスタブファイバ」（以下、単に「FIXスタブファイバ」という。）の端面とを対向させて構成したエタロンを用いた加速度センサ、および計測システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
MEMSダイヤフラムの良さはMEMSチップの中に、ダイヤフラムの中に高反射面をもつ振子機構が完結されていることである。したがって、一定間隔を隔てて（たとえば50μ程度）ハーフミラーを固定的に対向させることにより、容易にエタロンを構成することができる。これにより、エタロン自身の振動（加速度）や傾斜に応じて間隔長が変調され、ファイバの反射スペクトルが波長軸上でシフトする構成を構築できる。
なお、加速度センサは地震動をはじめとする振動計測用途になくてはならないもので、例えば特許文献１等に電気・電子的なデバイスを用いたものが種々提案されている。しかし、電気式のセンサでは、センサ部に給電が必要なこと、センサまでの距離を数km以上に延ばすことが難しいこと（無線の場合は電波使用の認可を要する上、やはりセンサ部に給電を要する）、電磁誘導障害を受けるなどの欠点を有する。現に2011年3月の福島原発事故では、原発内の電源喪失により、内部の電気式センサが役に立たなかったために、処置を誤り大きな事故となった。
【０００３】
一方、光ファイバ型のセンサとしてはFBG（Fiber Bragg Grating）や発明者らによるBOF（Band-pass-filter On Fiber-end）が知られているが、両者とも、温度センサとしては有効なものの、本質的には振動センサではないため、振動物理量を、FBGでは伸縮歪に、BOFでは表面のフィルタ面への圧力に変換する機構を必要とし、センサ構造が複雑化して高価につくという大きな欠点を有する。このため、上記のような変換機構を必要としない本質的な光ファイバ型の振動センサが望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３０９６５４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って本発明の目的は、振動物理情報を歪や圧力など、ほかの物理量に変換する必要のないシンプルかつ小型な新たな光ファイバセンサ（最も典型的には加速度センサ、応用展開としては傾斜センサ、音響センサや温度センサなど）および計測システムを提供することである。
特には、FBGやBOFでは必須となる面倒な温度補償を必要としない振動センサを実現することを第二の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明では、例えば円形のMEMSチップの中央に参照光（「プローブ光」ともいう。）に対する高反射特性をもつ高反射膜を施したダイアフラムを、複数のビーム（スパイラルコイル）で支持する構造を用いる。前記ダイアフラムの中心の周囲には、空気制動を目的とした複数の空気孔が穿たれる。これら中央ダイアフラム（質量）、ビーム（バネ定数）および空気孔（抵抗）を振動３要素とした振子系が形成される。これをMEMSダイアフラムと称する。MEMSダイアフラムが、ダイヤフラムの表面に対して垂直方向に振動すると、チップ周辺と中央ダイアフラムの垂直位置が変化する。
【０００７】
次に中央ダイアフラムに対してハーフミラー膜を形成したファイバ端面をスペーサを介して固定的に対向させると、振動によってMEMSチップの中央ダイアフラムの反射膜と、ファイバ端面のハーフミラー膜の間隔が変化することから、ファイバの反射スペクトルが、波長軸上で変化する。すなわちＭＥＭＳダイヤフラムによって構成されたファイバエタロン（以下、単に「ＭＥＭＳダイヤフラムエタロン」という。）が形成される。よってファイバの反射スペクトル変化を求めることにより、振動情報を得ることができる。
このとき、反射スペクトルは温度によっても変化する。なぜならスペーサ材の熱膨張率によって上記反射膜とハーフミラー膜間の間隔が変わるからである。これを防ぐには、スペーサ材の熱膨張率をゼロにすることが望ましい（実際には石英系の特殊ガラス材料で熱膨張率が石英の2桁以下のものが入手可能になっている）。これによって温度の影響を排除して、純粋に振動情報を得ることが可能となる。
【０００８】
本発明の請求項１に係るＭＥＭＳダイヤフラムエタロンによる光ファイバセンサは、
ＭＥＭＳチップ上に形成したダイヤフラムの少なくとも一方の面に形成された高反射膜と、ハーフミラーの多層膜が形成されたファイバの端面とを対向させて少なくとも１つのエタロンを構成し、
前記ファイバを介して所定の波長の参照光を前記エタロンに供給し、当該エタロンにおける反射光を前記ファイバを介して取り出すように構成したことを特徴としている。
請求項２では、
ＭＥＭＳチップ上に形成したダイヤフラムの表面に形成された表側高反射膜と、ハーフミラーの多層膜が形成された第１ファイバの端面とを対向させて第１エタロンを構成し、
前記ダイヤフラムの裏面に形成された裏側高反射膜と、ハーフミラーの多層膜が形成された第２ファイバの端面とを対向させて第２エタロンを構成し、
前記第１ファイバを介して所定の波長の参照光を前記第１エタロンに供給し、当該第１エタロンにおける反射光を前記第１ファイバを介して取り出すように構成するとともに、
前記第２ファイバを介して所定の波長の参照光を前記第２エタロンに供給し、当該第２エタロンにおける反射光を前記第２ファイバを介して取り出すように構成したことを特徴としている。
請求項３では、
前記所定の波長の参照光は、光カプラで２分岐して、一方の分岐光は、所定の遅延時間を与えるダミーファイバを介して前記第１ファイバから前記第１エタロンに供給し、当該第１エタロンにおける反射光を前記第１ファイバと前記ダミーファイバを介して前記光カプラに戻し、
他方の分岐光は、前記第２ファイバを介して前記第２エタロンに供給し、当該第２エタロンにおける反射光を前記第２ファイバを介して前記光カプラに戻して、前記第１エタロンからの反射光と合成して取り出すように構成したことを特徴としている。
請求項４では、
ＭＥＭＳチップ上に形成したダイヤフラムの少なくとも一方の面に形成された高反射膜と、ハーフミラーの多層膜が形成されたファイバの端面とを対向させて少なくとも１つのエタロンを構成し、
前記ファイバが内装されたセンサフェルールの他方の端面が、計測用の光ファイバフェルールとの光学的接続が可能となるように研磨され、当該センサフェルールは、前記計測用の光ファイバフェルールと接続可能および分離可能に構成され、
前記センサフェルールを前記計測用の光ファイバフェルールと分離した状態では、保管・取り扱いが容易な独立した単体部材となり、
前記センサフェルールを前記計測用の光ファイバフェルールと接続した状態では、前記計測用の光ファイバフェルールから供給される所定の波長の参照光を前記ファイバを経由して前記エタロンに供給し、当該エタロンにおける反射光を前記ファイバを介して取り出して、前記計測用の光ファイバフェルールを経由して出力し得るように構成した。
請求項５では、
ＭＥＭＳチップ上に形成したダイヤフラムの表面に形成された表側高反射膜と、ハーフミラーの多層膜が形成された第１ファイバの端面とを対向させて第１エタロンを構成し、
前記ダイヤフラムの裏面に形成された裏側高反射膜と、ハーフミラーの多層膜が形成された第２ファイバの端面とを対向させて第２エタロンを構成し、
前記第１ファイバを介して所定の波長の参照光を前記第１エタロンに供給し、当該第１エタロンにおける反射光を前記第１ファイバを介して取り出すように構成するとともに、
前記第２ファイバを介して所定の波長の参照光を前記第２エタロンに供給し、当該第２エタロンにおける反射光を前記第２ファイバを介して取り出すように構成し、
前記第１ファイバおよび前記第２ファイバがそれぞれ内装されたセンサフェルールの他方の端面が、それぞれ計測用の光ファイバフェルールとの光学的接続が可能となるように研磨され、各センサフェルールは、それぞれ前記計測用の光ファイバフェルールと接続可能および分離可能に構成され、
前記各センサフェルールを前記計測用の光ファイバフェルールとそれぞれ分離した状態では、保管・取り扱いが容易な独立した単体部材となり、
前記各センサフェルールを前記計測用の光ファイバフェルールとそれぞれ接続した状態では、前記計測用の光ファイバフェルールから供給される所定の波長の参照光を前記第１ファイバおよび前記第２ファイバを経由して前記第１エタロンおよび前記第２エタロンにそれぞれ供給し、これらのエタロンにおける反射光を前記第１ファイバおよび前記第２ファイバを介してそれぞれ取り出して、前記各計測用の光ファイバフェルールを経由してそれぞれ出力し得るように構成した。
請求項６では、
前記所定の波長の参照光は、光カプラで２分岐して、一方の分岐光は、所定の遅延時間を与えるダミーファイバを介して前記第１ファイバから前記第１エタロンに供給し、当該第１エタロンにおける反射光を前記第１ファイバと前記ダミーファイバを介して前記光カプラに戻し、
他方の分岐光は、前記第２ファイバを介して前記第２エタロンに供給し、当該第２エタロンにおける反射光を前記第２ファイバを介して前記光カプラに戻して、前記第１エタロンからの反射光と合成して取り出すように構成した。
請求項７では、
前記センサフェルールは、スリーブに内装されていることを特徴とする請求項４、５、６の何れか１項に記載のＭＥＭＳダイヤフラムエタロンによる光ファイバセンサ。
請求項８の計測システムは、
請求項１〜７の何れか１項に記載のＭＥＭＳダイヤフラムエタロンによる光ファイバセンサを用いた計測システムであって、
前記光ファイバセンサに参照光を供給するインタロゲータとして、前記光ファイバセンサの反射スペクトルのひとつの谷間を挟んだ２波長の参照光を用いる２波長プッシュプル比反射計測方式のインタロゲータを用いることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に係るＭＥＭＳダイヤフラムエタロンによる光ファイバセンサによれば、ＭＥＭＳチップ上に形成したダイヤフラムの表面に形成された高反射膜と、ハーフミラーの多層膜が形成されたファイバの端面とを対向させてエタロンを構成し、前記ファイバを介して所定の波長の参照光を前記エタロンに供給し、当該エタロンにおける反射光を前記ファイバを介して取り出すように構成したので、後述の通り、極めて高感度の光ファイバセンサを得ることができる。
【００１０】
請求項２では、ＭＥＭＳチップ上に形成したダイヤフラムの表面に形成された表側高反射膜と、ハーフミラーの多層膜が形成された第１ファイバの端面とを対向させて第１エタロンを構成し、前記ダイヤフラムの裏面に形成された裏側高反射膜と、ハーフミラーの多層膜が形成された第２ファイバの端面とを対向させて第２エタロンを構成し、前記第１ファイバを介して所定の波長の参照光を前記第１エタロンに供給し、当該第１エタロンにおける反射光を前記第１ファイバを介して取り出すように構成するとともに、前記第２ファイバを介して所定の波長の参照光を前記第２エタロンに供給し、当該第２エタロンにおける反射光を前記第２ファイバを介して取り出すように構成したので、第１エタロンと第２エタロンの両エタロンは振動に対して「プッシュプル」に動作する。すなわち、振動に応じて２つのエタロンのキャビティ間隔が、絶対値を同じくして増分と減分が同時に発生する。
したがって、２つのエタロンの波長シフト量の絶対値を加算（即ち、減算）することによって、高感度の加速度センサを得ることができる。
【００１１】
一方、温度が変化すると、エタロン筐体の部材が熱膨張あるいは熱収縮することによりキャビティ間隔がドリフトすることが考えられる。エタロンの間隔長がドリフトすると、これによる反射スペクトルシフトが振動によるものに重畳されるため、このような外乱要素は補償することが必要となる。
本発明では、第１エタロンと第２エタロンの両エタロンは振動に対して「プッシュプル」に動作するので、温度による前記ドリフトによる両エタロンのスペクトルシフトは等しくなる。したがって両エタロンの反射スペクトルシフトを求めてその差分を取ることによって、ダイヤフラムの位置変動によるシフト量のみが倍化されて残り、温度変化による前記ドリフト成分は相殺されて、温度による外乱要素が補償される。
このようにして、温度変化の影響を排除した加速度信号を得ることができる。
【００１２】
＜自動零調整＞
さらに、本発明によれば、加速度センサの零調整を自動化することができる。前記ＭＥＭＳダイヤフラムエタロンによる加速度センサを現場に設置した後、振動入力がないときの計測出力あるいはその交流成分を零と等置するように制御することによって零調整を自動的に行うことができる。
【００１３】
また、請求項３に係る発明のように、
前記所定の波長の参照光は、光カプラで２分岐して、一方の分岐光は、所定の遅延時間を与えるダミーファイバを介して前記第１ファイバから前記第１エタロンに供給し、当該第１エタロンにおける反射光を前記第１ファイバと前記ダミーファイバを介して前記光カプラに戻し、
他方の分岐光は、前記第２ファイバを介して前記第２エタロンに供給し、当該第２エタロンにおける反射光を前記第２ファイバを介して前記光カプラに戻して、前記第１エタロンからの反射光と合成して取り出すように構成することによって、
前記第１エタロンと前記第２エタロンにおける波長シフトを分離して取り出しやすく、これらの波長シフトに基づいて加速度を求めることができる。
また、請求項４では、
ＭＥＭＳチップ上に形成したダイヤフラムの少なくとも一方の面に形成された高反射膜と、ハーフミラーの多層膜が形成されたファイバの端面とを対向させて少なくとも１つのエタロンを構成し、
前記ファイバが内装されたセンサフェルールの他方の端面が、計測用の光ファイバフェルールとの光学的接続が可能となるように研磨され、当該センサフェルールは、前記計測用の光ファイバフェルールと接続可能および分離可能に構成され、
前記センサフェルールを前記計測用の光ファイバフェルールと分離した状態では、保管・取り扱いが容易な独立した単体部材となり、
前記センサフェルールを前記計測用の光ファイバフェルールと接続した状態では、前記計測用の光ファイバフェルールから供給される所定の波長の参照光を前記ファイバを経由して前記エタロンに供給し、当該エタロンにおける反射光を前記ファイバを介して取り出して、前記計測用の光ファイバフェルールを経由して出力し得るようなスタブ構造としたので、保管・取り扱いが容易である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係るＭＥＭＳダイヤフラムエタロンによる光ファイバセンサの構成図である。
【図２】ＭＥＭＳダイヤフラムの説明図である。
【図３】前記ＭＥＭＳダイヤフラムエタロンによる光ファイバセンサの外観図である。
【図４】エタロンセンサの反射スペクトル図である。
【図５】図４のアンチピーク部分の拡大図である。
【図６】エタロンセンサの傾斜特性図である。
【図７】エタロンセンサの加速度による波長勾配を示す図である。
【図８】エタロンセンサの温度特性図である。
【図９】エタロンセンサの温度による波長勾配を示す図である。
【図１０】エタロンセンサの２波長に対する波長シフトを説明する図である。
【図１１】エタロンセンサを疑似ランダム符号方式のインタロゲータと組み合わせた本願に係る計測システムの構成図である。
【図１２】実施例２のエタロンセンサの構成図である。
【図１３】エタロンセンサの２波長に対する波長シフトを説明する図である。
【図１４】実施例２のエタロンセンサで構成したエタロンセンサユニットの構成図である。
【図１５】２つのエタロン（ＰＥＡ）における反射率と、その比対数の説明図である。
【図１６】各エタロンセンサユニット毎の波長シフトから比対数を求める説明図である。
【図１７】実施例３のＭＥＭＳダイヤフラムエタロンによる光ファイバセンサの構造を示す断面図である。
【図１８】実施例４のＭＥＭＳダイヤフラムエタロンによる光ファイバセンサの構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、図面を参照して、本発明の実施例１に係るＭＥＭＳダイヤフラムエタロンによる光ファイバセンサの構成を説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１において、
１は本発明に係るＭＥＭＳダイヤフラムエタロンによる光ファイバセンサを構成する基本的なエタロンセンサである。
このエタロンセンサ１は、ダイヤフラム１１の片面に高反射膜をコティングし、スペーサ１２を挟んで、ハーフミラーの多層膜を蒸着したFIXスタブファイバ１３の端面と対向させる。前記ダイヤフラム１１は、筐体１４内の空間に配設されている。
FIXスタブとファイバフェルール１３の外直径は、光伝送分野では1.25あるいは2.5が標準であるので、ダイヤフラムの直径自由度を大きくするため、接合部にザグリを設けた。
【００１７】
＜ダイヤフラム＞
前記ダイヤフラム１１は、図２に示した例のように、シリコンベースのMEMSチップ上に、表面に反射膜を設けて形成されたものであり、例えば、外径4mmであり、中央円盤部の厚さは１0μで、同厚で複数（例えば複数対）の渦巻き状のビーム（スパイラルコイル状のバネ）１１１によって支持されている。
前記ダイヤフラム１１の中央部分の円盤部に穿たれた空気孔１１２は空気制動のためのものである。前記ダイヤフラム１１の表面の高反射膜１１３は、例えば金が蒸着されて形成されている。
【００１８】
なお、前記ダイヤフラム１１は、その径と空気孔１１２の径および個数によって質量がきまり、前記空気孔１１２の径と個数によって空気抵抗の大きさがきまる。
ダイヤフラム１１の中央部分の表面には金が蒸着され、1,500nm帯の波長光に対して98%程度の反射率を持つミラーが形成されている。前記ダイヤフラム１１の中心円部分に向かって、スペーサを介して端面反射率50%の単一モードファイバを対向させ、エタロンが構成されている。
前記ファイバは、平面研磨したファイバフェルール端面に反射率50%の、例えばTiO2/SiO2もしくはTa2O5/SiO2の誘電体多層膜フィルタを蒸着形成した。前記スペーサの材料は、熱膨張によって厚さが変動するから、アサーマル化するには熱膨張が零の材料を用い、温度センサにも使う場合には、適当な膨張係数をもつ材料を選ぶ。
【００１９】
以上のように、反射膜を片面に形成したダイヤフラムを、ハーフミラーの多層膜を蒸着したFIXスタブファイバ１３の端面を対向させた構造とすることにより、前記ダイヤフラム１１の表側に、反射面が平行に対向させて配設されたエタロンセンサが構成される。
前記エタロンセンサの外観を図３に例示した。
【００２０】
図４には、振動が加えられていない状態における前記エタロンセンサの反射スペクトルを示した。前記エタロンセンサは、エタロンであるので、図示されているように、同形が繰り返されるスペクトルとなっている。
図５には、前記エタロンセンサの反射スペクトルの一部のアンチピーク（谷間）部分を拡大した。図示されているように、通過域は鋭いアンチピーク特性を持っている。
また、図５に示されているように、ＢＯＦのスペクトル形状に類似していることから、インタロゲータとしては、擬似ランダム符号相関をベースとした２波長プッシュプル比計測方式が適している。
【００２１】
上記構成のエタロンセンサ１に外部からの振動もしくは加速度が加えられると、ダイヤフラムの表面の高反射膜１１３と前記FIXスタブファイバ１３の端面との間の間隔が変化するので、エタロンセンサとして作用して、反射スペクトルの波長シフトが発生する。
【００２２】
＜傾斜特性＞
図６には、エタロンセンサの傾斜角に対する波長シフトの計測結果を示している。ここで図示されているように、傾斜角を０度から３６０度まで変化させることによって、波長シフト量は正弦波状に増減していることが確認できる。なお、ここでは、ダイヤフラムが垂直になっている状態を傾斜角が０度とする。
また、図７には、加速度の変化に対する波長シフト量の計測結果を示している。ここで図示されているように、加速度の大小に応じて波長シフト量は直線的に変化していることが確認できる。また、波長シフト量の変化勾配も十分に大きいことが確認できるので、加速度センサとして高感度が得られることがわかる。
【００２３】
次に、図５に示したアンチピーク部分の波長シフト量を検出するために、図１０に示したように、アンチピーク（谷間）部分のボトム波長λ0を中心に挟み、前記波長λ0の上下に同一波長だけ離れた２波長λ1,λ2における反射率r1,r2の比対数ζを直接観測する。
ここで、
ζi(t)＝10log(ri2(t)/ri1(t))
とあらわす。
反射率の比対数ζは、スペクトルのシフト量と一義的に対応するから、前記ζにより、加速度を計測することができる。
【００２４】
このように２波長を用いることにより、ＢＯＦの場合と同様に、比演算処理によって、スペクトルシフト以外の外乱に対する耐性を上げることができる。
前記反射率r1,r2には、ファイバの曲げ損失やインタロゲータの電源や周囲温度の変動などに起因する波長に無依存な係数がかかってくるが、それらはζ式の分子分母間でキャンセルされることから、ロバストな計測が可能になる。
また両反射率の「比対数ζ」を取るのは、ζは、前記反射率r1,r2が等しいときにゼロとなり、スペクトルが前後にシフトすれば、対称形で±に変化するからである。
【００２５】
本願請求項４に係る計測システムは、位相を反転させた２波長の参照光を用いるためのインタロゲータとして図１１に示した構成のインタロゲータ２を使用して、構成することができる。
このインタロゲータ２は、２波長λ1,λ2を発光する２つの光源ＬＤ１，ＬＤ２を用い、前記２つの光源ＬＤ１，ＬＤ２から出射される計測光を、擬似ランダム符号発生回路21からの疑似ランダム符号で変調して、サーキュレータ22を介して各エタロンセンサ１（M/E1, M/E2,・・・）に参照光として供給し、各エタロンセンサ１（M/E1, M/E2,・・・）からの反射光を、前記サーキュレータ22で取り出して、受光素子ＰＤで電気信号に変換し、相関回路23における前記疑似ランダム符号との相関処理によって、前記各エタロンセンサ１（M/E1, M/E2,・・・）におけるインパルス反射応答を求めて、各エタロンセンサ１（M/E1, M/E2,・・・）における波長シフトを求めるように構成されている。
参照光として、擬似ランダム符号変調された連続光を用いることにより、参照光のパワーを大きくしなくても、高いＳＮ比で加速度を検出することができる。
【００２６】
＜温度特性＞
図８に示したように、温度の変化に応じて反射スペクトルのアンチピーク波長がドリフトすることがわかる。
なお、図８において、３０℃での反射スペクトルは実線で示し、３５℃での反射スペクトルは破線で示し、４０℃での反射スペクトルは１点鎖線で示し、４５℃での反射スペクトルは２点鎖線で示している。
そして、図９に示したように、前記ドリフト特性は、温度変化に応じて一定の波長勾配を持っていることがわかる。
このように、エタロンセンサは、高感度の傾斜特性が得られることが長所であるが、温度変化による影響が極めて大きいことが課題と言える。
【００２７】
＜温度補償＞
そこで、エタロンセンサの利用には、このような温度変化による外乱要素を補償することが必要となる。
そのためには、温度変化の補償手段を設けるか、温度変化を無くすことが必要となる。
温度変化の補償手段としては、エタロンセンサ自体に温度変化を相殺する構成とするか、温度変化を検出する手段と温度変化に基づいた補正を行う補正手段とを具備する構成とすることができる。
以下の実施例２では、エタロンセンサ自体に温度変化を相殺する構成を備えたものを、実施例２として提案する。
【実施例２】
【００２８】
＜エタロンセンサの構成＞
図１２において、
１０は本発明の実施例２に係るエタロンセンサである。
このエタロンセンサ１０は、ダイヤフラム１０１を表裏対称構造として両面に高反射膜１０１３Ａ、１０１３Ｂをコティングして形成し、両側から、共通のスペーサ１０２を挟んで、ハーフミラーの多層膜を蒸着したFIXスタブファイバ１０３Ａ、１０３Ｂの端面と対向させる。
FIXスタブとファイバフェルール１０３Ａ、１０３Ｂの外直径は、光伝送分野では1.25あるいは2.5が標準であるので、ダイヤフラムの直径自由度を大きくするため、接合部にザグリを設けた。以上の構成が例えばステンレス製の筐体１０４内の空間に配設されている。
【００２９】
＜ダイヤフラム＞
前記ダイヤフラム１０１は、図２に示した実施例１のように、シリコンベースのMEMSチップ上に設けたものであるが、裏表両面に反射膜を設けた点が、実施例１におけるダイヤフラム１１と異なっている。実施例２のダイヤフラム１０１は、例えば、外径4mmであり、中央円盤部の厚さは１0μで、同厚で複数の渦巻き状のビーム（スパイラルコイル状のバネ）によって支持されて、前記筐体１０４内に形成された空間に配設されている。
前記ダイヤフラム１０１の中央部分の円盤部に穿たれた小孔は空気制動のためのものである。前記ダイヤフラム１０１の裏表両面には金が蒸着されて高反射膜１０１３Ａ、１０１３Ｂが形成されている。
【００３０】
＜２つのエタロンセンサ＞
このような裏表両面に反射膜を形成したダイヤフラムを、裏表両側に、ハーフミラーの多層膜を蒸着したFIXスタブファイバ１０３Ａ、１０３Ｂの端面を対向させて構成したツインセンサ構造とすることにより、前記ダイヤフラム１０１の裏表両側に、反射面が平行に対向させて配設されたエタロンがそれぞれ構成される。ここで表側のエタロンを第１エタロンE1、裏側のエタロンを第２エタロンE2とする。
【００３１】
上記構成のエタロンセンサ１０に外部からの振動が与えられると、両エタロンE1,E2は振動に対して「プッシュプル」に動作する。すなわち、振動に応じて第１エタロンE1と第２エタロンE2のFIXスタブファイバ１０３Ａ、１０３Ｂの端面との間のキャビティ間隔が、絶対値を同じくして増分と減分が同時に発生する。
このようにして、表側の第１エタロンE1と裏側の第２エタロンE2が振動に対してプッシュプルに動作する構成を、以下単にＰＥＡ（プッシュプルエタロン）と表記する。
【００３２】
＜ＰＥＡの動作＞
次に、前記ＰＥＡの動作を図１３を参照して説明する。
シフト前の反射強度は実線で示し、シフト後の反射強度は破線で示されているように、スペクトルシフトにより2波長反射強度 r1、r2 はプッシュプル変化する。また、反射率r1 と r2 の比対数ζはスペクトルシフトに比例する。したがって、図１３の右側に図示したように、前記比対数ζはスペクトルシフトΔλに対してリニアとなる。
なお、時刻ｔにおける比対数ζ(t)は、
ζ(t)＝10log(r2(t)/r1(t))  （dB）
と算出する。
このように、PEAの反射スペクトルシフトはBOFの場合と同様である。すなわちPEAの反射アンチピーク波長を挟む2波長（λ1とλ2 ）反射強度（r1とr２）の比対数ζを求めれば、 r1＝r２ となる点を中心に、スペクトルシフトに対してリニアな入出力特性が得られるので、前記比対数ζにより、加速度を計測することができる。
【００３３】
＜温度補償＞
一方、温度が変化すると、エタロン筐体の部材が熱膨張あるいは熱収縮することによりキャビティ間隔がドリフトすることが考えられる。エタロンの間隔長がドリフトすると、これによる反射スペクトルシフトが振動によるものに重畳されるため、このような外乱要素をいかに補償するかが問題であるが、これを解決するのが本案の第１のねらいである。
すなわち、 PEA構造が左右対称であることから、上記ドリフトによる両エタロンのスペクトルシフトは等しくなる。したがって両エタロンの反射スペクトルシフトを求めてその差分を取ることによって、ダイヤフラムの位置変動によるスフト量のみが倍化されて残り、ドリフト成分はキャンサルされるはずである。
【００３４】
＜自動零調整＞
本案の第２のねらいは零調整を自動化することである。PEAを現場に設置した後、振動入力がないときの計測出力あるいはその交流成分を零と等置することによって零調整が可能である。
【００３５】
＜エタロンセンサユニット＞
次に、図１４を参照して、エタロンセンサユニットの構成を説明する。
前記PEAで加速度を検出するために、図１４に示すようなエタロンセンサユニットを構成する。
光ファイバ１０３１から供給される参照光を幹線の光カプラ１０３２で分岐して、支線の光ファイバを支線の光カプラ１０３３でさらに分岐して、エタロンセンサ１０の第１エタロンＥ１と第２エタロンＥ２に供給する。支線の光カプラ１０３３で分岐した片方のブランチ、例えば第２エタロン側にはダミーファイバ１０３４を挿入する。同図の場合、左回りの参照光は第１エタロンＥ１で反射されて前記支線の光カプラ１０３３に回帰する。右回りの参照光はダミーファイバ１０３４で伝播遅延して第２エタロンＥ２に至り、反射光は再び前記ダミーファイバ１０３４で同じ時間だけ伝播遅延して前記支線の光カプラ１０３３に回帰する。両回りの反射光は前記支線の光カプラ１０３３で合流して、前記幹線の光カプラ１０３２と前記光ファイバ１０３１を経由して、例えば図１１同様のインタロゲータに戻る。なお、幹線の光ファイバ１０３１には、さらに第２、第３・・・の光カプラと、幹線のダミーファイバとを介して、第２、第３のエタロンセンサを接続することができる。
【００３６】
図１５に示した様に、2波長（λ1とλ2 ）における第１エタロンの反射強度r11.r12と、第２エタロンの反射強度r21.r22との比対数ζは、以下のように算出する。
ζ＝10log(r11r12/r12r21)  (dB)
【００３７】
インタロゲータとしては、２波長プッシュプル比反射計測方式を採用する。これはエタロンセンサユニットの2波長反射応答を得るものであるから、図１６に示すように、各エタロンセンサユニットｓ１，ｓ２，ｓ３毎に時間分離された各エタロン対（ｅ１，ｅ２）の2波長反射ピークが現れる。図１６の（Ａ）において、実線は波長λ1における反射応答を示し、破線は波長λ２における反射応答を示している。
【００３８】
そこでエタロンセンサユニットｓ１，ｓ２，ｓ３毎に、各エタロン対（ｅ１，ｅ２）の2波長反射率の比対数ζ１、ζ２を求め（図１６の（Ｂ）参照。）、前記比対数ζ１、ζ２の差分を取ると、エタロンセンサユニットｓ１，ｓ２，ｓ３毎のζ値が求まる（図１６の（Ｃ）参照。）。これが最終的な検出量となる。
このようにして求めたエタロンセンサユニットｓ１，ｓ２，ｓ３毎のζ値から、前記エタロンセンサユニットｓ１，ｓ２，ｓ３毎に与えられた加速度を求めることができるのである。
【実施例３】
【００３９】
図１７は、実施例３に係るＭＥＭＳダイヤフラムエタロンによる光ファイバセンサの構造を示す断面図である。
図１７において、
この実施例３のエタロンセンサ２０は、
ＭＥＭＳチップ上に形成したダイヤフラム２０１の一方の面に形成された高反射膜と、ハーフミラーの多層膜が形成されたFIXスタブファイバ２０３の端面とを対向させてエタロンＥ２０が構成されている。前記FIXスタブファイバ２０３が内装されたセンサフェルール２０５の他方の端面は、計測用の光ファイバフェルールＦＦの光ファイバとの光学的接続が可能となるように、ＡＰＣ研磨、ＰＣ研磨、もしくは斜め研磨されている。前記計測用の光ファイバフェルールＦＦは、長い計測用の光ファイバを含んだものである。
前記センサフェルール２０５はスリーブ２０６に内挿されており、前記計測用の光ファイバフェルールＦＦを、図示した矢印の方向に差しこむことによって接続可能に構成され、逆に引き抜く事によって分離可能に構成されている。
【００４０】
前記センサフェルール２０５を前記計測用の光ファイバフェルールＦＦと分離した状態では、前記エタロンセンサ２０には、計測用の光ファイバフェルールＦＦの長い計測用の光ファイバが繋がっていないので保管・取り扱いが容易な独立した単体部材となる。
前記センサフェルール２０５と前記計測用の光ファイバフェルールＦＦとを接続した状態では、前記計測用の光ファイバフェルールＦＦの光ファイバから供給される所定の波長の参照光を前記FIXスタブファイバ２０３を経由して前記エタロンＥ２０に供給し、当該エタロンＥ２０における反射光を前記FIXスタブファイバ２０３を介して取り出して、前記計測用の光ファイバフェルールＦＦの光ファイバを経由して出力するように構成されている。
【００４１】
なお、前記FIXスタブファイバ２０３と、結晶化ガラスによる前記センサフェルール２０５とは熱融着によって固定することが好ましい。
以上の構成において、前記エタロンセンサ２０は前記センサフェルール２０５を含んだ（前記計測用の光ファイバフェルールＦＦおよびその光ファイバを含まない）一体のスタブ構造としたので、取扱が極めて容易になっている。
【実施例４】
【００４２】
図１８は、実施例４に係るＭＥＭＳダイヤフラムエタロンによる光ファイバセンサの構造を示す断面図である。
図１８において、
この実施例３のエタロンセンサ２０は、
ダイヤフラム３０１を表裏対称構造として両面に高反射膜３０１３Ａ、３０１３Ｂをコーティングして形成し、両側から、共通のスペーサ３０２を挟んで、ハーフミラーの多層膜を蒸着したFIXスタブファイバ３０３Ａ、３０３Ｂの端面と対向させる。
以上の構成が例えばステンレス製の筐体３０４内の空間に配設されている。
前記FIXスタブファイバ３０３Ａ、３０３Ｂを含むセンサフェルール３０５Ａ、３０５Ｂはスリーブ３０６Ａ、３０６Ｂに内挿されており、実施例３と同様に、計測用の光ファイバフェルールを差しこむことによって接続可能に構成され、逆に引き抜く事によって分離可能に構成されている。
なお、詳細は実施例２と同様であるので省略する。
【００４３】
＜２つのエタロンセンサ＞
このような裏表両面に反射膜を形成した前記ダイヤフラム前記ダイヤフラム３０１の裏表両側に、反射面が平行に対向させて配設されたエタロンがそれぞれ構成される。ここで表側のエタロンを第１エタロンE31、裏側のエタロンを第２エタロンE32とする。
このようにして、表側の第１エタロンE1と裏側の第２エタロンE2が振動に対してプッシュプルに動作するＰＥＡ３０が形成されている。
なお、上述したように、表側の第１エタロンE1と裏側の第２エタロンE2がプッシュプルに動作する構造にする目的は、ダイアフラムのファイバ軸方向の振動変位に対して両エタロンの間隙長（キャビティ長）がプラスマイナスプッシュプルに変化することにある。
【００４４】
＜スタブ構造による効果＞
実施例３、４によれば、エタロンセンサが、長い光ファイバから分離されるので収納や持ち運び、ならびに在庫管理やセンサとしてのアセンブリ等が容易となる。
例えば、光ファイバが固定されたフェルールに光学フィルタを蒸着する際に、真空蒸着チャンバに、長い光ファイバが持ち込まれないので、蒸着治具が簡単化される。あわせて蒸着時の光ファイバの被覆材からのアウトガスによってチャンバ環境が損なわれるのを防ぐことができる。
また、エタロンセンサと長い光ファイバのどちらかが損傷したとしても、仕損が片方で済むため、損失を最小にとどめることができる。
また、既に敷設された光ファイバシステムに取り付けられたセンサを取りかえるだけでセンシングの対象の切り替えが可能となる。例えば、温度センシングに利用されている光ファイバセンシングシステムを圧力センシングに転用する場合、エタロンセンサのみ交換をするだけで圧力センシングシステムに転用することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１  エタロンセンサ
１１  ダイヤフラム
１２  スペーサ
１３  FIXスタブファイバ
１４  筐体
１０  エタロンセンサ
１０１  ダイヤフラム
１０２  スペーサ
１０３Ａ、１０３Ｂ  FIXスタブファイバ
１０４  筐体
E1  第１エタロン
E2  第２エタロン
ＰＥＡ  E1,E2
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2014062895.tif 000016
【図１５】
2014062895.tif 000017
【図１６】
2014062895.tif 000018
【図１７】
2014062895.tif 000019
【図１８】
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