(57)【要約】【課題】  光路差を補正することにより受光素子上に干渉縞を形成可能な差圧測定システムを提供する。【解決手段】  光を照射する光源4と、第1外力PO1に応じて第1測定光路差を光に与える第1測定センサ5と、第2外力PO2に応じて第2測定光路差を光に与える第2測定センサ15と、光に干渉計光路差を与え、干渉縞を形成する干渉計28と、光を分波し、センサ間光路差から干渉計光路差の最大値を引いた値よりも大きい補償光路差を分波された光の一方に与える光路差補償手段128と、干渉縞から第1及び第2外力PO1, PO2の差を算出する信号処理装置7とを備える。【選択図】      図1
2006090979.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を照射する光源と、
第1外力に応じて第1測定光路差を前記光に与える第1測定センサと、
第2外力に応じて第2測定光路差を前記光に与える第2測定センサと、
前記光に干渉計光路差を与え、干渉縞を形成する干渉計と、
前記光を分波し、前記センサ間光路差から前記干渉計光路差の最大値を引いた値よりも大きい補償光路差を前記分波された光の一方に与える光路差補償手段と、
前記干渉縞から前記第1及び第2外力の差を算出する信号処理装置
とを備えることを特徴とする差圧測定システム。
【請求項２】
前記補償光路差は、前記光のコヒーレンス長よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の差圧測定システム。
【請求項３】
前記光路差補償手段は、
前記分波された光の一方を伝搬する基準光導波路と、
前記分波された光の他方で前記補償光路差を与えられる光を伝搬する、少なくとも１本のバイパス導波路
とを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の差圧測定システム。
【請求項４】
前記干渉縞に加わるノイズを除去するロックインアンプを更に備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の差圧測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光位相測定技術に関し、特に差圧測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
石油プラント等を制御する場合、石油プラント内の異なる位置における流体の差圧を測定することが必要な場合がある。従来の差圧測定方法としては、第1外力に応じて第1測定光路差を光に与える第1測定センサと、第2外力に応じて第2測定光路差を光に与える第2測定センサとを設け、第1及び第2測定光路差のセンサ間光路差に基づく干渉縞を解析して差圧を測定する方法が提案されている（例えば、特許文献1参照。）。ここで干渉縞の形成は、第1及び第2測定センサの出力光を分波し、分波した光どうしの干渉計光路差によって強度が規定される干渉縞を受光素子上に形成させることによって行う。特に干渉計光路差がセンサ間光路差と等しい部分には、干渉強度の強い干渉縞が形成される。しかし、分波した光が照射される位置と受光素子との距離、及び受光素子の大きさによって規定される干渉計光路差の最大値をセンサ間光路差が上回ると、干渉縞が受光素子上に形成されないという問題があった。
【特許文献１】特開2003-166890号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、光路差を補正することにより受光素子上に干渉縞を形成可能な差圧測定システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成するために本発明の第1の特徴は、（イ）光を照射する光源と、（ロ）第1外力に応じて第1測定光路差を光に与える第1測定センサと、（ハ）第2外力に応じて第2測定光路差を光に与える第2測定センサと、（ニ）光に干渉計光路差を与え、干渉縞を形成する干渉計と、（ホ）光を分波し、センサ間光路差から干渉計光路差の最大値を引いた値よりも大きい補償光路差を分波された光の一方に与える光路差補償手段と、（ヘ）干渉縞から第1及び第2外力の差を算出する信号処理装置とを備える差圧測定システムであることを要旨とする。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、光路差を補正することにより受光素子上に干渉縞を形成可能な差圧測定システムを提供可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【０００７】
本発明の実施の形態に係る差圧測定システムは、図1に示すように、光を照射する光源4、第1外力PO1に応じて第1測定光路差を光に与える第1測定センサ5、第2外力PO2に応じて第2測定光路差を光に与える第2測定センサ15、及び光に干渉計光路差を与え、干渉縞を形成する干渉計28を備える。さらに差圧測定システムは、光を分波し、センサ間光路差から干渉計光路差の最大値を引いた値よりも大きい補償光路差を分波された光の一方に与える光路差補償手段128、及び干渉縞から第1及び第2外力PO1, PO2の差を算出する信号処理装置7を備える。
【０００８】
光源4には、紫外域から赤外域(185nm〜2000nm)までの連続スペクトルに対応可能なキセノンランプ、発光ダイオード、スーパールミネッセントダイオード、半導体レーザ等が使用可能である。光源4には照射された光を伝搬する光導波路30が接続されている。さらに光導波路30には、第1スプリッタ21を介して光導波路31が接続されている。
【０００９】
光導波路31には第1測定センサ5が接続されている。第1測定センサ5は、図2及び図2のA-A方向からの断面図である図3に示すように、コア130a及びクラッド131aを有する光導波路31が挿入されるホルダ60a、挿入された光導波路31の端面に配置された第1半透鏡26a、第1半透鏡26aと平行位置に配置され、第1外力PO1を受ける第1感圧膜50a、第1感圧膜50aの第1半透鏡26aと対向する表面に配置され、第1半透鏡26aを透過した光を受ける第1反射膜27a、第1半透鏡26aと第1反射膜27aとの第1間隔Laを規定する第1筐体43aを有するファブリペロ干渉計である。また第1測定センサ5は、第1感圧膜50a、第1筐体43a、及びホルダ60aで囲まれた領域の第1内力PI1を調節するためにホルダ60aに設けられた通気孔160aと、通気孔160aの開閉を制御する開放弁70aを備える。さらに第1感圧膜50aの外部には、表出する第1感圧膜50aの図2に示した半径aを規定する第1基底部40aが配置される。なお、第1感圧膜50a、第1筐体43a、及びホルダ60aで囲まれた領域の屈折率をnaとする。
【００１０】
第1測定センサ5の第1感圧膜50aは、第1内力PI1と第1外力PO1が等しい「定常状態」では撓みは生じない。しかし、図4に示すように、第1内力PI1と比較して第1外力PO1が大きくなったときは、第1感圧膜50aは内部方向に撓む。また図5に示すように、第1内力PI1と比較して第1外力PO1が小さくなったときは、第1感圧膜50aは外部方向に撓む。第1測定センサ5は、第1感圧膜50aの撓みをw1として、図4及び図5に示した第1半透鏡26aと第1反射膜27aとの間を往復する光の下記(1)式で表される第1測定光路差F1を検出し、第1外力PO1を測定するために用いられる。:
F1 = 2na(La + w1)        …(1)
図4に示すように第1外力PO1が加わったときの第1感圧膜50aの撓みw1は、第1感圧膜50aが図2に示すように半径aである場合、下記(2)式で表される。:
w 1  = (PO1 - PI1)× (a2 - r2)2 / (64 ×B)   …(2)
ここでr(r : 0 ≦ r ≦ a)は第1感圧膜50aの中心位置Mから測定位置までの距離である。Bは下記(3)式で与えられる。:
B = E ×t3 / {12 × (1 - υ2)}   …(3)
(2)式において、Eは第1感圧膜50aのヤング率、tは第1感圧膜50aの厚さ、υは第1感圧膜50aのポアッソン比である。(2)式を用いることにより、第1感圧膜50aの撓みw1から第1外力PO1を算出することが可能である。
【００１１】
図3乃至図5に示した第1感圧膜50aの厚さtが50μmの場合における第1外力PO1と撓みw1の関係をプロットしたグラフが図6である。図6においては、図2に示した第1感圧膜50aの半径aが0.01mm、0.10mm、及び1.00mmの場合のそれぞれについてプロットされている。また第1感圧膜50aの厚さtが1μmの場合における第1外力PO1と撓みw1の関係をプロットしたグラフが図7である。図7においては、第1感圧膜50aの半径aが0.01mm、0.10mm、及び1.00mmの場合のそれぞれについてプロットされている。図6及び図7に示すように、第1感圧膜50aの半径a及び厚さtを適宜選択することにより、第1外力PO1に対する外力感度を調整することが可能である。
【００１２】
図3に示す第1半透鏡26a及び第1反射膜27aからの反射光は図1に示す光導波路31で伝搬され、第1スプリッタ21で第1スプリッタ21に接続されている光導波路32に分割される。光導波路32で伝搬された光は、光導波路32に接続された第2スプリッタ22を経て、第2スプリッタ22に接続された光導波路33で第2測定センサ15に伝搬される。
【００１３】
第2測定センサ15は、図8に示すようにコア130b及びクラッド131bを有する光導波路33が挿入されるホルダ60b、挿入された光導波路33の端面に配置された第2半透鏡26b、第2半透鏡26bと平行位置に配置され、第2外力PO2を受ける第2感圧膜50b、第2感圧膜50bの第2半透鏡26bと対向する表面に配置され、第2半透鏡26bを透過した光を受ける第2反射膜27b、第2半透鏡26bと第2反射膜27bとの第2間隔Lbを規定する第2筐体43bを有するファブリペロ干渉計である。なお、第2感圧膜50b、第2筐体43b、及びホルダ60bで囲まれた領域の屈折率をnbとする。
【００１４】
また第2測定センサ15は、第2感圧膜50b、第2筐体43b及びホルダ60bで囲まれた領域の第2内力PI2を調節するためにホルダ60bに設けられた通気孔160bと、通気孔160bの開閉を制御する開放弁70bを備える。さらに第2感圧膜50bの外部には、表出する第2感圧膜50bの図2に示した半径aを規定する第1基底部40aと同様の第2基底部40bが配置される。第2感圧膜50bは第1感圧膜50aと同じ材料からなり、第2内力PI2は第1測定センサ5の第1内力PI1と同じに設定される。
【００１５】
第2測定センサ15は、第2感圧膜50bの撓みをw2として、図8に示した第2半透鏡26bと第2反射膜27bとの間を往復する光の下記(4)式で表される第2測定光路差F2を検出し、第2外力PO2を測定するために用いられる。:
F2 = 2nb(Lb + w2)        …(4)
第2測定センサ15の第2半透鏡26b及び第2反射膜27bからの反射光は図1に示す第2スプリッタ22に接続された光導波路34で光路差補償手段128に伝搬される。光路差補償手段128は、図9に示すように、光導波路34に接続された光分波器23、光分波器23に接続された基準光導波路132、光分波器23に接続され、基準光導波路132に対して補償光路差Cを有するバイパス導波路231を備える。したがって、光導波路34で伝搬された光は光分波器23で2方向に分割され、一方は基準光導波路132で、他方はバイパス導波路231で伝搬される。補償光路差Cは、下記(5)式に示すように、第1測定光路差F1と第2測定光路差F2のセンサ間光路差ΔFから後述する干渉計光路差dの最大値dmaxを引いた値より大きい値をとる。またバイパス導波路231は、下記(6)式で示すように、補償光路差Cが光導波路34で伝搬される光のコヒーレンス長lCよりも長くなるように配置されている。
【００１６】
C> ΔF - dmax        …(5)
C > lC          …(6)
図1に示す差圧測定システムにおいて、光源4から照射された光が基準光導波路132及びバイパス導波路231のそれぞれの端部に至るまでの伝搬経路は、図10に示す第1経路、図11に示す第2経路、図12に示す第3経路、図13に示す第4経路、図14に示す第5経路、図15に示す第6経路、図16に示す第7経路、及び図17に示す第8経路の8通りがある。
【００１７】
図10に示す第1経路では、光源4から照射された光は第1測定センサ5の第1反射膜27aに導かれる。第1反射膜27aからの反射光は第1スプリッタ21及び第2スプリッタ22を経由して第2測定センサ15の第2反射膜27bに導かれる。第2反射膜27bからの反射光は第2スプリッタ22及び光分波器23を経由して基準光導波路132に導かれる。図11に示す第2経路は、光分波器23に至るまでは図10に示す第1経路と同じである。図11に示す第2経路においては、光分波器23に到達した光はバイパス導波路231に導かれる。
【００１８】
図12に示す第3経路では、光源4から照射された光は第1半透鏡26aに導かれる。第1半透鏡26aからの反射光は第1スプリッタ21及び第2スプリッタ22を経由して第2半透鏡26bに導かれる。第2半透鏡26bからの反射光は第2スプリッタ22及び光分波器23を経由して基準光導波路132に導かれる。図13に示す第4経路は、光分波器23に至るまでは図12に示す第3経路と同じである。図13に示す第4経路においては、光分波器23に到達した光はバイパス導波路231に導かれる。
【００１９】
図14に示す第5経路では、光源4から照射された光は第1半透鏡26aに導かれる。第1半透鏡26aからの反射光は第1スプリッタ21及び第2スプリッタ22を経由して第2測定センサ15の第2反射膜27bに導かれる。第2反射膜27bからの反射光は第2スプリッタ22及び光分波器23を経由して基準光導波路132に導かれる。図15に示す第6経路は、光分波器23に至るまでは図14に示す第5経路と同じである。図15に示す第6経路においては、光分波器23に到達した光はバイパス導波路231に導かれる。
【００２０】
図16に示す第7経路では、光源4から照射された光は第1測定センサ5の第1反射膜27aに導かれる。第1反射膜27aからの反射光は第1スプリッタ21及び第2スプリッタ22を経由して第2半透鏡26bに導かれる。第2半透鏡26bからの反射光は第2スプリッタ22及び光分波器23を経由して基準光導波路132に導かれる。図17に示す第8経路は、光分波器23に至るまでは図16に示す第7経路と同じである。図17に示す第7経路においては、光分波器23に到達した光はバイパス導波路231に導かれる。
【００２１】
よって、図14に示す第5経路で伝搬された光と図17に示す第8経路で伝搬された光の組み合わせで生じる第1光路差G1は下記(7)式で表される。なお図15に示す第6経路及び図16に示す第7経路の組み合わせにおいても第1光路差G1が生じる。:
G1 = |2(na La - nb Lb + na w1 - nb w2) - C|
=  |ΔF - C|                …(7)
図10に示す第1経路で伝搬された光と図15に示す第6経路で伝搬された光の組み合わせで生じる第2光路差G2は下記(8)式で表される。なお図13に示す第4経路及び図16に示す第7経路の組み合わせにおいても第2光路差G2が生じる。:
G2 = |2na (La + w1) - C|          …(8)
図10に示す第1経路で伝搬された光と図17に示す第8経路で伝搬された光の組み合わせで生じる第3光路差G3は下記(9)式で表される。なお図13に示す第4経路及び図14に示す第5経路の組み合わせにおいても第3光路差G3が生じる。:
G3 = |2nb (Lb + w2) - C|          …(9)
図10に示す第1経路で伝搬された光と図13に示す第4経路で伝搬された光の組み合わせで生じる第4光路差G4は下記(10)式で表される。:
G4 = |2(na La + nb Lb  + na w1 + nb w2) - C|        …(10)
図10に示す第1経路で伝搬された光と図11に示す第2経路で伝搬された光の組み合わせで生じる第5光路差G5は、下記(11)式で表される。図12に示す第3経路と図13に示す第4経路、図14に示す第5経路と図15に示す第6経路、及び図16に示す第7経路と図17に示す第8経路のそれぞれの組み合わせにおいても、第5光路差G5が生じる。:
G5 = C          …(11)
図11に示す第2経路で伝搬された光と図14に示す第5経路で伝搬された光の組み合わせで生じる第6光路差G6は下記(12)式で表される。なお図12に示す第3経路及び図17に示す第8経路の組み合わせにおいても第6光路差G6が生じる。:
G6 = 2na (La + w1) + C            …(12)
図11に示す第2経路で伝搬された光と図16に示す第7経路で伝搬された光の組み合わせで生じる第7光路差G7は下記(13)式で表される。なお図15に示す第6経路及び図12に示す第3経路の組み合わせにおいても、第7光路差G7が生じる。:
G7 =2nb (Lb + w2) + C                    …(13)
図11に示す第2経路で伝搬された光と図12に示す第3経路で伝搬された光の組み合わせで生じる第8光路差G8は、下記(14)式で表される。:
G8 = 2(na La + nb Lb  + na w1 + nb w2) + C          …(14)
図18に示すように、基準光導波路132とバイパス導波路231のそれぞれの端部は間隔2aをおいて配置されている。基準光導波路132及びバイパス導波路231のそれぞれの端部から間隔hをおいたところに、受光素子8が配置されている。受光素子8には、CMOSイメージセンサ、リニアセンサ、及びフォトダイオードアレイ等が使用可能である。受光素子8は例えば円板状の形状を有し、幅は2Zmである。なお受光素子8の形状は、長方形あるいは正方形等のものでもよい。基準光導波路132とバイパス導波路231のそれぞれの端部を結ぶ中点と対向する位置に、受光素子8の中心Oは配置されている。
【００２２】
基準光導波路132及びバイパス導波路231のそれぞれで伝搬された光は、それぞれの端部から受光素子8に向かって放射される。放射された光は受光素子8上で重ね合わせられ、受光素子8上に干渉縞が生成される。基準光導波路132とバイパス導波路231のそれぞれの端部から照射され、受光素子8上の中心Oから距離zの位置に到達する光は、下記(15)式で表される干渉計光路差dを与えられる。
【００２３】
d = ((z - a)2 + h2)1/2 - ((z + a)2 + h2)1/2  …(15)
ここで、下記(16)式乃至(19)式で示すように干渉計光路差dと第1乃至第4光路差G1〜G4との差がコヒーレンス長lC以下で、かつ下記(20)乃至(23)式で示すように干渉計光路差dが第1乃至第4光路差G1〜G4と等しくなる場合、受光素子8上の中心Oから距離zの位置に干渉強度の強い干渉縞が現れる。なお、干渉計光路差dが第5乃至第8光路差G5〜G8と等しい場合には、補償光路差Cがコヒーレンス長lCよりも長いため、干渉縞は受光素子8上に形成されない。
【００２４】
lC ≧d - G1              …(16)
lC ≧d - G2              …(17)
lC ≧d - G3              …(18)
lC ≧d - G4              …(19)
d = G1                  …(20)
d = G2                  …(21)
d = G3                  …(22)
d = G4                  …(23)
ただし、干渉計光路差dがとりうる値は、受光素子8の幅2Zmに応じて上限がある。図19に示す干渉計光路差dの最大値dmaxは下記(24)式で表される。
【００２５】
dmax = ((Zm - a)2 + h2)1/2 - ((Zm + a)2 + h2)1/2              …(24)
仮に第1乃至第4光路差G1〜G4が干渉計光路差dの最大値dmaxを上回ると、図20に示すように、受光素子8上に干渉縞が形成されない。しかし(5)式を変形して得られる下記(25)式に示すように、第1光路差G1は常に干渉計光路差dの最大値dmaxよりも小さくなる。したがって、図1に示す差圧測定システムにおいては、受光素子8上にセンサ間光路差ΔFに基づく干渉縞が形成可能である。
【００２６】
C > ΔF - dmax
dmax > ΔF - C
dmax > G1                                …(25)
信号処理装置7は、(7)式で表される第1光路差G1によって生ずる受光素子8上の干渉縞の移動量を検出することにより、第1外力PO1と第2外力PO2との外力差を算出する。
【００２７】
以上示したように、図1に示す差圧測定システムによれば、第1測定光路差F1と第2測定光路差F2とのセンサ間光路差ΔFが干渉計光路差dの最大値dmaxを上回る場合であっても、光路差補償手段128によって受光素子8上に第1光路差G1に基づく干渉縞を形成させることが可能となる。従来においては、第1測定光路差F1と第2測定光路差F2とのセンサ間光路差ΔFが例えば55μmであり、干渉計光路差dの最大値dmaxが50μmであった場合、図21に示すように受光素子8上に第1測定光路差F1と第2測定光路差F2とのセンサ間光路差ΔFに基づく干渉縞が形成されず、外力差を測定することが不可能であった。そのため、干渉計光路差dの最大値dmaxを上回らないように、第1及び第2測定センサ5, 15のそれぞれを製造しなければならず、製造コストの上昇が生じていた。また第1及び第2測定センサ5, 15のメンテナンス時においても、第1測定光路差F1と第2測定光路差F2とのセンサ間光路差ΔFが干渉計光路差dの最大値dmaxを上回らないように調整する必要があり、メンテナンス時間の長期化をもたらしていた。これに対し、実施の形態に係る差圧測定システムによれば、例えば補償光路差Cが20μmである光路差補償手段128を設けることにより、図21に示すように、受光素子8上に第1測定光路差F1と第2測定光路差F2とのセンサ間光路差ΔFに基づく干渉縞を形成することが可能となる。
【００２８】
次に図22乃至図26を用いて図9に示した光路差補償手段128の製造方法について説明する。
【００２９】
(a) まず図22に示すように、石英等からなる基板61を用意する。次に図23に示すように、ゲルマニウム(Ge)を微量混入した酸化珪素(SiO2)を化学的気相成長法（CVD）等により基板61上に堆積させ、コア層62を形成させる。
【００３０】
(b) レジストをコア層62表面にスピンコーティングした後、リソグラフィ法等によりレジストをパターニングし、図24に示すように、コア層62表面にレジストマスク63a, 63bを形成させる。
【００３１】
(c) レジストマスク63a, 63bを用いてコア層62を基板61が表出するまで反応性イオンエッチング(RIE)等で選択的に除去し、図25に示すように光導波路131及びバイパス導波路231のそれぞれを形成させる。
【００３２】
(d) 光導波路131及びバイパス導波路231を形成後、アルカリ溶液等でレジストマスク63a, 63bを除去する。最後にCVD等によってSiO2を基板61上に堆積することにより、図26に示すように、クラッド層64を形成させ、光路差補償手段128が完成する。
【００３３】
あるいは以下に述べる図27乃至図31に示す製造方法で図9に示した光路差補償手段128を製造してもよい。
【００３４】
(a) まず石英等からなる基板61を用意する。次に、フッ素化ポリイミドを基板61上にスピンコーティングし、図27に示すようにアンダークラッド層161を形成させる。
【００３５】
(b) アンダークラッド層161上に、フッ素の含有率がアンダークラッド層161よりも低いフッ素化ポリイミドをスピンコーティングし、図28に示すようにコア層162を形成させる。フッ素の含有率がアンダークラッド層161よりも低いフッ素化ポリイミドを用いることにより、コア層162の屈折率はアンダークラッド層161の屈折率よりも高くなる。
【００３６】
(c) レジストをコア層162表面にスピンコーティングした後、リソグラフィ法等によりレジストをパターニングし、図29に示すように、コア層162表面にレジストマスク163a, 163bを形成させる。
【００３７】
(d) レジストマスク163a, 163bを用いてコア層162を基板61が表出するまでRIE等で選択的に除去する。さらにアルカリ溶液等でレジストマスク63a, 63bを除去し、図30に示すように光導波路131及びバイパス導波路231のそれぞれを形成させる。
【００３８】
(e) 最後にフッ素化ポリイミドを基板61上にスピンコーティングし、図31に示すように、オーバークラッド層164を形成させ、光路差補償手段128が完成する。
【００３９】
（実施の形態の変形例）
実施の形態の変形例に係る光路差補償手段228においては、図32に示すように、光導波路34には光分波器23が接続され、光分波器23には基準光導波路132と光導波路230aが接続されている。光導波路230aには光分波器24aが接続されている。光分波器24aには第1バイパス導波路231aと光導波路230bが接続されている。光導波路230bには光分波器24bが接続されている。光分波器24bには第2バイパス導波路231bと光導波路230cが接続されている。光導波路230cには光分波器24cが接続されている。光分波器24cには第3バイパス導波路231cと光導波路230dが接続されている。光導波路230dには光分波器24dが接続されている。光分波器24dには第4バイパス導波路231dと光導波路230eが接続されている。光導波路230eには光分波器24eが接続されている。光分波器24eには第5バイパス導波路231eと光導波路230fが接続されている。光導波路230fには光分波器24fが接続されている。光分波器24fには第6バイパス導波路231fと第7バイパス導波路231gが接続されている。
【００４０】
第7バイパス導波路231g及び第6バイパス導波路231fのそれぞれには光結合器25fが接続されている。光結合器25fには光導波路232fが接続されている。光導波路232f及び第5バイパス導波路231eのそれぞれには光結合器25eが接続されている。光結合器25eには光導波路232eが接続されている。光導波路232e及び第4バイパス導波路231dのそれぞれには光結合器25dが接続されている。光結合器25dには光導波路232dが接続されている。光導波路232d及び第3バイパス導波路231cのそれぞれには光結合器25cが接続されている。光結合器25cには光導波路232cが接続されている。光導波路232c及び第2バイパス導波路231bのそれぞれには光結合器25bが接続されている。光結合器25bには光導波路232bが接続されている。光導波路232b及び第1バイパス導波路231aのそれぞれには光結合器25aが接続されている。光結合器25aには光導波路232aが接続されている。実施の形態の変形例に係る差圧測定システムの全体図は図1と同様であるので説明は省略する。
【００４１】
図32に示す光路差補償手段228において、光分波器23で光導波路230aに分波された光は以下に述べる第1乃至第7のバイパス経路で伝搬される。すなわち、第1バイパス経路では、光分波器23で光導波路230aに分波された光は光分波器24aを経て第1バイパス導波路231aで伝搬され、光結合器25aを経て光導波路232aで伝搬される。
【００４２】
第2バイパス経路では、光分波器23で光導波路230aに分波された光は光分波器24a、光導波路230b、及び光分波器24bを経て第2バイパス導波路231bで伝搬され、光結合器25b、光導波路232b、及び光結合器25aを経て光導波路232aで伝搬される。
【００４３】
第3バイパス経路では、光分波器23で光導波路230aに分波された光は光分波器24a、光導波路230b、光分波器24b、光導波路230c、及び光分波器24cを経て第3バイパス導波路231cで伝搬される。第3バイパス導波路231cで伝搬された光は、さらに光結合器25c、光導波路232c、光結合器25b、光導波路232b、及び光結合器25aを経て光導波路232aで伝搬される。
【００４４】
第4バイパス経路では、光分波器23で光導波路230aに分波された光は光分波器24a、光導波路230b、光分波器24b、光導波路230c、光分波器24c、光導波路230d、及び光分波器24dを経て第4バイパス導波路231dで伝搬される。第4バイパス導波路231dで伝搬された光は、さらに光結合器25d、光導波路232d、光結合器25c、光導波路232c、光結合器25b、光導波路232b、及び光結合器25aを経て光導波路232aで伝搬される。
【００４５】
第5バイパス経路では、光分波器23で光導波路230aに分波された光は光分波器24a、光導波路230b、光分波器24b、光導波路230c、光分波器24c、光導波路230d、光分波器24d、光導波路230e、及び光分波器24eを経て第5バイパス導波路231eで伝搬される。第5バイパス導波路231eで伝搬された光は、さらに光結合器25e、光導波路232e、光結合器25d、光導波路232d、光結合器25c、光導波路232c、光結合器25b、光導波路232b、及び光結合器25aを経て光導波路232aで伝搬される。
【００４６】
第6バイパス経路では、光分波器23で光導波路230aに分波された光は光分波器24a、光導波路230b、光分波器24b、光導波路230c、光分波器24c、光導波路230d、光分波器24d、光導波路230e、光分波器24e、光導波路230f、及び光分波器24fを経て第6バイパス導波路231fで伝搬される。第6バイパス導波路231fで伝搬された光は、さらに光結合器25f、光導波路232f、光結合器25e、光導波路232e、光結合器25d、光導波路232d、光結合器25c、光導波路232c、光結合器25b、光導波路232b、及び光結合器25aを経て光導波路232aで伝搬される。
【００４７】
第7バイパス経路では、光分波器23で光導波路230aに分波された光は光分波器24a、光導波路230b、光分波器24b、光導波路230c、光分波器24c、光導波路230d、光分波器24d、光導波路230e、光分波器24e、光導波路230f、光分波器24fを経て第7バイパス導波路231gで伝搬される。第7バイパス導波路231gで伝搬された光は、さらに光結合器25f、光導波路232f、光結合器25e、光導波路232e、光結合器25d、光導波路232d、光結合器25c、光導波路232c、光結合器25b、光導波路232b、及び光結合器25aを経て光導波路232aで伝搬される。
【００４８】
光路差補償手段228において、基準光導波路132で伝搬される光に対し、「N」を1乃至7の整数として第Nバイパス経路で伝搬される光には下記(26)式で表される第N補償光路差CNが与えられる。
【００４９】
CN = N × Δl                  …(26)
(26)式においてΔlは基準光導波路132で伝搬された光と、第1バイパス経路で伝搬された光とで生じるバイパス間光路差である。また、第Nバイパス経路で伝搬された光と、第N+1バイパス経路で伝搬された光にもバイパス間光路差Δlが生じる。また下記(27)式で示すように、バイパス間光路差Δlは図1に示した光源4から照射される光のコヒーレンス長lCよりも長くなるように設定されている。さらに(26)式及び(27)式から、下記(28)式が導かれる。
【００５０】
Δl > lC                                …(27)
CN+1 - CN = Δl > lC
∴CN+1 > CN  +  lC                …(28)
ここで図3に示した第1測定センサ5の第1間隔Laには製造時あるいはメンテナンス時に誤差が生じうる。また図8に示した第2測定センサ15の第2間隔Lbにも誤差が生じうる。したがって(1)式で示した第1測定光路差F1と、(4)式で示した第2測定光路差F2とのセンサ間光路差ΔFも、第1間隔La及び第2間隔Lbに生じうる誤差の範囲内で変動しうる。誤差に伴うセンサ間光路差ΔFのとりうる最大値をセンサ間最大光路差ΔFmaxとする。図32に示す光路差補償手段228において、第7補償光路差C7、センサ間最大光路差ΔFmax、及び干渉計光路差の最大値dmaxの関係は下記(29)式を満たす値に設定されている。
【００５１】
C7 > ΔFmax - dmax   …(29)
この場合、下記(30)式に示すように干渉計光路差dとセンサ間光路差ΔFとの差に第1乃至第7補償光路差C1〜C7のいずれかを足した値がコヒーレンス長lC以下で、かつ下記(31)式で示すように干渉計光路差dがセンサ間光路差ΔFと第1乃至第7補償光路差C1〜C7のいずれかの差と等しくなれば、受光素子8上の中心Oから距離zの位置に干渉強度の強い干渉縞が現れる。
【００５２】
lC ≧d - ΔF + CN        （N = 1, 2, 3, …, 7)   …(30)
d = ΔF - CN            （N = 1, 2, 3, …, 7)   …(31)
なお、第1乃至第7補償光路差C1〜C7のいずれか一つが上記(30)及び(31)式の条件を満たす場合、上記(28)式よりその他の第N補償光路差CNは上記(30)式を満たすことができない。そのため、第1乃至第7バイパス経路を設けたことにより複数の干渉縞が形成されることはない。
【００５３】
さらに上記(29)式を変形して得られる下記(32)式に示すように、センサ間最大光路差ΔFmaxと第7補償光路差C7との光路差は、常に干渉計光路差dの最大値dmaxよりも小さくなる。
【００５４】
dmax  > ΔFmax -  C7                        …(32)
また(32)式が成立する場合、センサ間最大光路差ΔFmaxを上限としてセンサ間光路差ΔFが変動した場合も、第1乃至第6補償光路差C1〜C6のいずれかと、センサ間光路差ΔF、及び干渉計光路差dの最大値dmaxの間に下記(33)式の関係が成立する。
【００５５】
dmax  > ΔF -  CN                          …(33)
したがって、図3に示した第1測定センサ5の第1間隔La及び図8に示した第2測定センサ15の第2間隔Lbが設計値に対し誤差を有し、センサ間光路差ΔFが干渉計光路差dの最大値dmaxを上回る事態が生じても、図32に示す光路差補償手段228の基準光導波路132及び光導波路232aのそれぞれの端部から照射される光の光路差は干渉計光路差dの最大値dmaxよりも小さくなる。そのため、受光素子8上にセンサ間光路差ΔFに基づく干渉縞を形成させることが可能となる。
【００５６】
さらに、例えばメンテナンス前後でセンサ間光路差ΔFが変動した場合においても、第1乃至第7補償光路差C1〜C7のいずれか一つが上記(30)及び(31)式に示した条件を満たす。そのため、センサ間光路差ΔFが変わった場合においても、受光素子8上にセンサ間光路差ΔFに基づく干渉縞を形成させることが可能となる。
【００５７】
なお、図32に示す光路差補償手段228においては、7本のバイパス経路を設けた例を示した。しかし、バイパス経路の本数はこれに限定されない。必要なバイパス経路の本数の算出例を以下に示す。例えば、図3に示した第1測定センサ5の第1反射膜27aと第1感圧膜50aのそれぞれの膜厚の合計の設計値が500μmであるとする。また図8に示した第2測定センサ15の第2反射膜27bと第2感圧膜50bのそれぞれの膜厚の合計の設計値も500μmであるとする。さらに第1測定センサ5及び第2測定センサ15のそれぞれは、膜厚方向に最大5%の誤差が生じうるとする。この場合、第1間隔La及び第2間隔Lbのそれぞれは最大±25μm設計値より増減しうる。ここで屈折率na、nbのそれぞれが1であるとすると、上記(1)式で表される第1測定光路差F1と、(4)式で表される第2測定光路差F2とのセンサ間光路差ΔFは下記(34)式に示すように設計値に対して最大100μmの誤差ΔXが生じうる。
【００５８】
-100μm ≦ΔX≦ 100μm …(34)
また図1に示す光源4から照射される光のコヒーレンス長lC、中心波長λ、及び帯域幅Δλの関係は下記(35)式で与えられる。ここで、中心波長λが0.85μm、帯域幅Δλが0.04μmであるとすると、下記(35)式より光のコヒーレンス長lCは13.03μmである。
【００５９】
lC = λ2  /  (2 × ln2 ×Δλ) …(35)
したがって最大100μmの誤差ΔXを補償し、かつ隣接するバイパス経路とのバイパス間光路差Δlが上記(27)式を満たすために必要なバイパス経路の数は、下記(36)式より7本である。
【００６０】
N ＜ ΔX / lC      …(36)
このように、図32に示す光路差補償手段128に設けられるバイパス経路の数は、光の波長λ、コヒーレンス長lc、センサ間光路差ΔFに生じうる誤差ΔXの最大値に応じて決定すればよい。なお、機械的振動や熱的振動による位相揺らぎを抑制するために、基準光導波路132、第1乃至第7バイパス導波路231a〜231g、光導波路230a〜230f, 232a〜232f、光分波器24a〜24f、及び光結合器25a〜25fのそれぞれは、同一基板上に配置されるのが好ましい。
【００６１】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。例えば図1に示した光導波路30〜34、第1及び第2スプリッタ21, 22、光路差補償手段128、及び干渉計28のそれぞれは、外乱光による影響を抑制するために、シールドされていることが好ましいのは勿論である。
【００６２】
また、図32に示した光分波器24a〜24f及び光結合器25a〜25fのそれぞれには、光スイッチを用いてもよい。「光スイッチ」とは、磁気で光路を切り替える装置、静電アクチュエータで光路を切り替える装置、及び熱的に光路を変化させる装置等がある。センサ間光路差ΔFに基づく経路のみに光が伝搬されるように、光スイッチを切り替えることにより、伝達経路における光のロスを減少させることができる。
【００６３】
なお、図32に示した光路差補正手段228においては、光分波器24a〜24fで第1乃至第7バイパス導波路231a〜231gのそれぞれに分波された光は、光結合器25a〜25fを介して光導波路232aにまとめられる。これに対し、図33に示す光路差補償手段328のように、光分波器24a, 24bのそれぞれに第1バイパス導波路233a、第2バイパス導波路233b、及び第nバイパス導波路233nを接続し、それぞれに分波された光を再結合させずに受光素子8上で干渉させてもよい。
【００６４】
なお、第1バイパス導波路233a、第2バイパス導波路233b、及び第nバイパス導波路233nのそれぞれから照射される光の光軸が受光素子8の中心に向かうように、第1バイパス導波路233a、第2バイパス導波路233b、及び第nバイパス導波路233nのそれぞれが配置されるのが好ましい。図34に示すように、第1バイパス導波路233a、第2バイパス導波路233b、及び第nバイパス導波路233nのそれぞれから照射された光が受光素子8上で重ね合わさらない領域がある場合、コントラストや光強度が低下し測定精度が下がるからである。
【００６５】
さらに図35に示すように、基準光導波路132、第1バイパス導波路233a、第2バイパス導波路233b、及び第nバイパス導波路233nのそれぞれの末端に対向する位置にレンズ80, 81, 82, 83を配置し、受光素子8上に光が集光されるようにしてもよい。
【００６６】
また、図1に示す差圧測定システムに、外乱要因によるノイズを除去するためのノイズ除去手段を付加してもよい。例えば図36に示すように、ロックインアンプ127を加えてもよい。ロックインアンプ127は、既知の周波数の参照信号Rを発生させる発振器74、参照信号Rを基に光源4から照射される光に位相変調Aを加える位相変調器90、受光素子8が出力する電気信号を増幅するアンプ72、アンプ72の出力に参照信号Rを重畳する積算器73、及び積算器73に接続され、参照信号Rと同じ周波数の電気信号のみが通過できるローパスフィルタ75を有する。発振器74が発生させる参照信号Rは下記(37)式で表される。
【００６７】
R = G ・ sin(2πf・t)  …(37)
(37)式において、Gは任意の定数、fは周波数、及びtは時間を表す。位相変調器90は光分波器23で分波された光を伝搬する基準光導波路132aに接続されている。位相変調器90が光に加える位相変調Aは下記(38)式で与えられる。
【００６８】
A = ΔL・sin(2π・f・t)  …(38)
(38)式においてΔLは光路長変化範囲を表す。位相変調Aを加えられた光は、位相変調器90に接続された基準光導波路132bで伝搬される。
【００６９】
アンプ72は受光素子8に接続されている。積算器73はアンプ72の出力に接続されている。積算器73はアンプ72で増幅された電気信号に、発振器74が発生させた既知の周波数の参照信号Rを重畳する。積算器73の出力にはローパスフィルタ75が接続されている。ローパスフィルタ75においては、参照信号Rと周波数が等しい電気信号のみが通過可能であるため、外乱要因によるノイズが除去される。
【００７０】
この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の実施の形態に係る差圧測定システムの模式図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る第1測定センサの上面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る第1測定センサのＡ−Ａ方向から見た断面図（その１）である。
【図４】本発明の実施の形態に係る第1測定センサのＡ−Ａ方向から見た断面図（その２）である。
【図５】本発明の実施の形態に係る第1測定センサのＡ−Ａ方向から見た断面図（その３）である。
【図６】本発明の実施の形態に係る感圧膜に関するグラフ（その１）である。
【図７】本発明の実施の形態に係る感圧膜に関するグラフ（その２）である。
【図８】本発明の実施の形態に係る第2測定センサの断面図である。
【図９】本発明の実施の形態に係る光路差補償手段の模式図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る光の伝搬経路の第１経路を示す模式図である。
【図１１】本発明の実施の形態に係る光の伝搬経路の第２経路を示す模式図である。
【図１２】本発明の実施の形態に係る光の伝搬経路の第３経路を示す模式図である。
【図１３】本発明の実施の形態に係る光の伝搬経路の第４経路を示す模式図である。
【図１４】本発明の実施の形態に係る光の伝搬経路の第５経路を示す模式図である。
【図１５】本発明の実施の形態に係る光の伝搬経路の第６経路を示す模式図である。
【図１６】本発明の実施の形態に係る光の伝搬経路の第７経路を示す模式図である。
【図１７】本発明の実施の形態に係る光の伝搬経路の第８経路を示す模式図である。
【図１８】本発明の実施の形態に係る受信干渉計を示す模式図（その１）である。
【図１９】本発明の実施の形態に係る受信干渉計を示す模式図（その２）である。
【図２０】本発明の実施の形態に係る受信干渉計を示す模式図（その３）である。
【図２１】本発明の実施の形態に係る干渉縞を示すグラフである。
【図２２】本発明の実施の形態に係る光路差補償手段の工程断面図（その１）である。
【図２３】本発明の実施の形態に係る光路差補償手段の工程断面図（その２）である。
【図２４】本発明の実施の形態に係る光路差補償手段の工程断面図（その３）である。
【図２５】本発明の実施の形態に係る光路差補償手段の工程断面図（その４）である。
【図２６】本発明の実施の形態に係る光路差補償手段の工程断面図（その５）である。
【図２７】本発明の実施の形態に係る光路差補償手段の工程断面図（その６）である。
【図２８】本発明の実施の形態に係る光路差補償手段の工程断面図（その７）である。
【図２９】本発明の実施の形態に係る光路差補償手段の工程断面図（その８）である。
【図３０】本発明の実施の形態に係る光路差補償手段の工程断面図（その９）である。
【図３１】本発明の実施の形態に係る光路差補償手段の工程断面図（その１０）である。
【図３２】本発明の実施の形態の変形例に係る光路差補償手段の模式図である。
【図３３】本発明のその他の実施の形態に係る光路差補償手段の模式図（その１）である。
【図３４】本発明のその他の実施の形態に係る光路差補償手段の模式図（その２）である。
【図３５】本発明のその他の実施の形態に係る光路差補償手段の模式図（その３）である。
【図３６】本発明のその他の実施の形態に係る光路差補償手段の模式図（その４）である。
【符号の説明】
【００７２】
4…光源
5…第1測定センサ
7…信号処理装置
8…受光素子
15…第2測定センサ
21…第1スプリッタ
22…第2光分波器
23, 24a, 24b, 24c, 24d, 24e, 24f…光分波器
25a, 25b, 25c, 25d, 25e, 25f…光結合器
26a…第1半透鏡
26b…第2半透鏡
27a…第1反射膜
27b…第2反射膜
28…干渉計
30, 31, 32, 33, 34, 131, 230a, 230b, 230b, 230c, 230d, 230e, 230f, 232a, 232b, 232c, 232d, 232e, 232f…光導波路
40a…第1基底部
40b…第2基底部
43a…第1筐体
43b…第2筐体
50a…第1感圧膜
50b…第2感圧膜
60a, 60b…ホルダ
61…基板
62, 162…コア層
63a, 63b, 163a, 163b…レジストマスク
64…クラッド層
70a, 70b…開放弁
72…アンプ
73…積算器
74…発振器
75…ローパスフィルタ
80, 81, 82, 83…レンズ
90…位相変調器
127…ロックインアンプ
128, 228, 328, 428…光路差補償手段
130a, 130b…コア
131a, 131b…クラッド
132, 132a, 132b…基準光導波路
160a, 160b…通気孔
161…アンダークラッド層
164…オーバークラッド層
231…バイパス導波路
231a…第1バイパス導波路
231b…第2バイパス導波路
231c…第3バイパス導波路
231d…第4バイパス導波路
231e…第5バイパス導波路
231f…第6バイパス導波路
231g…第7バイパス導波路
【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】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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