(57)【要約】【課題】  安価、高信頼に圧力を測定可能とした圧力ファイバセンサの提供。【解決手段】光ファイバ圧力センサ１１１は、光ファイバ１１３の終端面１１３ａと被測定圧力を導入する接触子１１９との間に多層膜反射帯域フィルタ１１５を形成してなる検出部１１７と、この検出部１１７の光学的帯域フィルタ１１５に対して光ファイバ１１３の光軸上膜厚方向に被測定圧力を導入印加する機構１１８とを備え、光ファイバの送光側で観測される前記検出部の多層膜反射帯域フィルタの反射スペクトルシフトから圧力を割り出すことができるようにしたものである。【選択図】  図３
2008039787.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバの終端面と被測定圧力を印加させる硬質の接触子との間に多層膜反射フィルタを形成してなる検出部と、
前記検出部の多層膜反射フィルタに対して前記光ファイバの光軸上の膜厚方向に被測定圧力を導入印加する機構とを備え、
光ファイバの送光側で観測される前記検出部の多層膜反射帯域フィルタの反射スペクトルシフトから圧力を割り出すことができるようにしたことを特徴とした光ファイバ圧力センサ。
【請求項２】
前記光ファイバの終端面および前記接触子は、それら接触面形状の少なくとも一方を光ファイバ軸に関して回転対称な凸面に形成されるものであることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ圧力センサ。
【請求項３】
前記機構は、前記多層膜反射帯域フィルタ面を光ファイバ軸に関して回転対称な平面もしくは凸面に形成するとともに、接触子を球形状に形成し、両者が光ファイバ軸上で膜厚方向に接触加圧される構造としたことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ圧力センサ。
【請求項４】
前記機構は、光ファイバの中心軸に対して垂直な平端面もしくは回転対称な凸面に前記多層膜反射帯域フィルタに、前記光ファイバの外形と等しい直径を有する接触球がフェルール内で接触する構造としたことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ圧力センサ。
【請求項５】
前記機構は、光ファイバフェルール複合体の中心軸に対して垂直な平端面もしくは回転対称な凸面に多層膜反射帯域フィルタに、前記光ファイバフェルール複合体の外形の等しい直径を有する接触球がスリーブ内で接触する構造としたことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバの終端面上に多層膜反射帯域フィルタを形成してなる検出部に所定の機構によって圧力を導入印加し、光ファイバの送光側で観測される前記検出部の多層膜反射帯域フィルタの反射スペクトルシフトから圧力を割り出すことができるようにした光ファイバ圧力センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の光ファイバ圧力センサとしては、光ファイバ（以下、単に「ファイバ」と称する）にＦＢＧ（Fiber Bragg Grating：ファイバブラッグ回折格子）を設けたものが知られている（特許文献１）。この種の光ファイバ圧力センサの構造は、ファイバのコアの長手方向にある長さ（通常は数〜10ミリメートル）に亙って僅かな屈折率の周期的高低構造（コルゲーション）を附与したもので、コルゲーションピッチとファイバコアの屈折率積に相当したブラッグ波長成分のみを反射する構造のものである。このブラッグ波長はＦＢＧへの引張り歪によってシフトするから、波長帯域の広いプローブ光を当てたときの反射波長を求めれば歪が検出できるというわけである。
なお、ファイバの端面に干渉フィルタを多層蒸着してなる構造を有し、被測定量を前記干渉フィルタに印加し、被測定量の変化をスペクトル特性が波長軸上で平行にシフトすることを利用して被測定量を割り出すセンサが提案されている（特許文献２）。
【特許文献１】特開２００２−１０８６７６号公報
【特許文献２】実開昭５６−４１２２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前者の従来のＦＢＧ方式の光ファイバ圧力センサによれば、広波長帯域の光源（ＡＳＥ光源が一般的である）や反射光の分光器が高価である上、ＦＢＧ素子そのものも安価ではないことから、非常に高価になってしまうという欠点があった。
また、ＦＢＧはファイバ内部で長手方向に形成されるものであるから、端面型のデバイスにはなりえず、圧力プローブとしては使いにくいという欠点があった。
さらに、ＦＢＧを形成するにはファイバの被覆を除去して側面より紫外レーザの干渉光を照射する過程でファイバ表面に微細な損傷が生じ、これが空気中の水蒸気と反応して損傷が成長する結果、引張り強度が損なわれるほか、引張りセンサとして用いられているうちに、ＦＢＧ部分が破断する危険性があるという欠点があった。
一方、後者の従来のセンサによれば、温度を測定するものであって、圧力の測定ができないという欠点があった。
本発明は、上記従来技術の欠点を解消し、安価、高信頼に圧力を測定可能とした圧力ファイバセンサを提供することを目的とする。
【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、本願請求項１に係る発明の光ファイバ圧力センサは、光ファイバの終端面と被測定圧力を印加させる硬質の接触子との間に多層膜反射フィルタを形成してなる検出部と、前記検出部の多層膜反射フィルタに対して前記光ファイバの光軸上の膜厚方向に被測定圧力を導入印加する機構とを備え、光ファイバの送光側で観測される前記検出部の多層膜反射帯域フィルタの反射スペクトルシフトから圧力を割り出すことができるようにしたことを特徴としたものである。
本願請求項２に係る発明では、本願請求項１記載の光ファイバ圧力センサにおいて、前記光ファイバの終端面および前記接触子は、それら接触面形状の少なくとも一方を光ファイバ軸に関して回転対称な凸面に形成されるものであることを特徴とする。
本願請求項３に係る発明では、本願請求項１記載の光ファイバ圧力センサにおいて、前記機構は、前記多層膜反射帯域フィルタ面を光ファイバ軸に関して回転対称な平面もしくは凸面に形成するとともに、接触子を球形状に形成し、両者が光ファイバ軸上で膜厚方向に接触加圧される構造としたことを特徴とするものである。
本願請求項４に係る発明では、本願請求項１記載の光ファイバ圧力センサにおいて、前記機構は、光ファイバの中心軸に対して垂直な平端面もしくは回転対称な凸面に前記多層膜反射帯域フィルタに、前記光ファイバの外形と等しい直径を有する接触球がフェルール内で接触する構造としたことを特徴とするものである。
本願請求項５に係る発明では、本願請求項１記載の光ファイバ圧力センサにおいて、前記機構は、光ファイバフェルール複合体の中心軸に対して垂直な平端面もしくは回転対称な凸面に多層膜反射帯域フィルタに、前記光ファイバフェルール複合体の外形の等しい直径を有する接触球がスリーブ内で接触する構造としたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００５】
本願請求項１に係る発明では、光ファイバの終端面上に多層膜反射帯域フィルタを形成してなる検出部と、前記光ファイバの光軸上膜厚方向に被測定圧力を導入印加する機構とを備え、光ファイバの送光側で観測される前記検出部の多層膜反射帯域フィルタの反射スペクトルシフトから圧力を割り出すことができるようにしたので、以下の効果を奏する。
（１）ファイバの端面上に多層膜反射帯域フィルタを形成したものであるため、センサ(ファイバ)先端で直接圧力や振動を拾うのに適合した構造を有している。
（２）圧力センシングの過程でファイバに張力を加える必要がなく、表面損傷起因の引張り強度劣化の影響を受けず、寿命が極端に長いという効果を有している。
（３）ファイバ端面に多層膜反射帯域フィルタを形成するだけでよいため、量産性に富むほか、ファイバもしくはフェルールを束ねて一挙に蒸着すればデバイス単価は大幅に低減できるから、ＦＢＧ素子に比べて安価なセンサが提供できるという効果を有している。
【０００６】
本願請求項２に係る発明では、被測定圧力を硬質の接触子を介して導入印加する構造とすることによって、多層膜反射帯域フィルタへの圧力導入が容易化されるとともに、フィルタと接触子の少なくとも一方の接触面形状をファイバ軸に関して回転対称な凸面とすることによって、ファイバコアを中心とした接触を確実化すると同時に、接触面積が小さくなる結果、圧力に対する波長シフト感度を向上させることができるという効果がある。
本願請求項３に係る発明では、多層膜反射帯域フィルタの面をファイバ軸に関して回転対称な平面もしくは凸面とするとともに接触子を球状とし、両者がファイバ軸上で接触加圧される構造とすることによって、接触面積が小さくなる結果、圧力に対する波長シフト感度を向上させることができるという効果がある。
本願請求項４に係る発明では、中心軸に対して垂直な平端面もしくは回転対称な凸面に多層膜反射帯域フィルタが形成されたファイバと、該ファイバと外形の等しい接触球がフェルール内で接触する構造としたので、接触軸とファイバ軸を容易に一致させることが可能となるとともに、光伝送分野で普及しているフェルールをそのまま用いることができることから、部材コストを低く抑えることができる。加えて、圧力プローブの径を小さくすることができるので、狭い領域で圧力をピックアップすることが可能となる。
【０００７】
本願請求項５に係る発明では、中心軸に対して垂直な平端面もしくは回転対称な凸面にフィルタが形成されたファイバフェルール複合体と、該複合体と外形の等しい接触球がスリーブ内で接触する構造とすることによって、センサヘッド製造時のハンドリングが容易化される。ここでも光伝送分野で標準的に用いられているスリーブ部材を利用できることから、製造コストを抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
＜実施例１＞
以下、本願各請求項に係る発明（以下、単に「本発明」という）を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
＜圧力を検出できるファイバセンシングシステム＞
上記ファイバセンシングシステムは、圧力検出システムとしても利用ができる。
図１は、本発明に係るファイバセンシングシステムを圧力検出システムとして利用する場合のセンサヘッドを、実施例１として示す図である。
【０００９】
本発明に係る実施例１の前記センサヘッド３４は、図１（ａ）に示すように、ファイバ支線３３の終端に軸対象な球面研磨を施し、当該ファイバ支線３３の終端の球面に誘電体多層膜フィルタ３４Ｍの膜厚方向に圧力が印加される構造とすることによって、圧力に応じて変化する上記フィルタの波長シフト量により圧力検出可能な圧力センサとして使用できるようにしたものである。なお、符号３４Ｐは加圧部材（接触子）である。
【００１０】
なお、図１（ｂ）に示すセンサヘッド３４ｂは、上のセンサヘッド３４の変形例で、ファイバ支線３３の終端に軸対象な球面研磨を施し、加圧される加圧部材３４Ｐの平面上に誘電体多層膜フィルタ３４Ｍを膜厚方向に形成し、加圧部材（接触子）３４Ｐに垂直に圧力が加わるようにしてもよい。
そして、この圧力センサとして作用するセンサヘッド３４を所定の配置とし、二波長反射計測系からプローブ光を圧力センサとして作用するセンサヘッド３４に与え、その反射光を二波長反射計測系に取り込み、二波長反射計測系において処理することにより、圧力を計測できるファイバセンシングシステムとして構築することができる。
この実施の形態によっても、光検出のファイバセンシングシステムと同様な作用効果を奏することになるのはいうまでもない。
【００１１】
次に、上記のセンサヘッド３４が光ファイバ圧力センサとして使用できる点について説明する。
図２は、本発明に係る光ファイバ圧力センサの原理的構造を示す図である。
この図２において、光ファイバ１１３の端面１１３ａを光軸に関して回転対称な凸面（図示せず）あるいは平面形状に形成し、その端面１１３ａの上に光学的帯域フィルタ１１５を蒸着形成してなるものをセンサデバイスに用いる。これを「ＢＯＦ(Band-pass filter On Fiber-end)」と称する。なお、光ファイバ１１３の端面１１３ａに形成した光学的帯域フィルタ１１５に対して、図示しない加圧部材（接触子）で膜圧方向に圧力を加わるようにすることにより検出部１１７が形成される。
上記光ファイバ圧力センサ１１１の光軸上の光学的帯域フィルタ１１５の膜厚方向に接触子（図示せず）を介して圧力を印加すると、検出部１１７部分の光学的帯域フィルタ１１５の弾性圧縮によって膜厚方向に歪が生じ、結果として反射スペクトルが短波長側にシフトすることを利用して圧力を検出できるようにしたものである。
なお、この現象がHertzの弾性接触理論によってよく説明できることは、発明者等によって見出された。
すなわちBOFの反射スペクトルシフトの割合は、圧力印加による圧縮歪εに等しくなる。
【００１２】
図３は、本発明に係る光ファイバ圧力センサの構造を示す図である。
本発明に係る光ファイバ圧力センサは、 図３に示すように、光ファイバ１１３の終端面１１３ａの上に形成した光学的帯域フィルタ（多層膜反射帯域フィルタ：ＢＯＦ）１１５に、被測定圧力を導入印加する接触子１１９からなる検出部１１７と、前記検出部１１７に対して光ファイバ１１３の光軸上の光学的帯域フィルタ１１５の膜厚方向に被測定圧力を導入印加する機構（図示せず）とを備えてなるものである。
ここで、光ファイバ１１３は、ファイバコア１１３ｃと、前記ファイバコア１１３ｃの周囲を覆うクラッド１１３ｋとの二層構造をしている。
図３に示すように、光ファイバ１１３の端面１１３ａがファイバコア１１３ｃを中心に曲率半径Ｒ１に形成されていて、その端面１１３ａに蒸着された光学的帯域フィルタ１１５と、曲率半径Ｒ２に形成されている接触子１１９とが接触していて、荷重Ｗが接触面に印加されたときに、反射スペクトルの波長シフトΔλは次式によってあたえることができる。
【００１３】
【数１】
2008039787.tif 000003
ここに、
【００１４】
【数２】
2008039787.tif 000004
である。ここでＥ１、Ｅ２およびν１、ν２はファイバと接触子のヤング率とポアソン比である。
上式より、スペクトルシフトは荷重の1/3乗に比例することがわかる。荷重に対するスペクトルシフトの感度を上げるには、接触子材料のヤング率とポアソン比を大きくし、両者の接触半径を小さくすればよいことがわかる。
【００１５】
図４は、本発明に係る光ファイバ圧力センサについて、上記数式１および数式２により具体的に数値を代入して計算した結果を示す特性図であって、横軸に荷重(Load)Ｗ〔Ｎ〕を、縦軸に反射スペクトルの波長シフト（Spectrum shift)Δλ〔ｎｍ〕を、それぞれとったものである。
また、この図４は、石英ファイバ１１３の球面研磨端面（曲率半径２０〔ｍｍ〕）上に形成された光学的帯域フィルタ１１５を有する検出部１１７を、ジルコニア板あるいは石英板に押し当てたときの荷重対波長シフトの関係を図示したものである。
ここで、ジルコニアのヤング率Ｅは２０６〔ＧＰａ〕、ポアソン比νは０．３１とし、石英のヤング率Ｅは７１．５〔ＧＰａ〕、ポアソン比νは０．１４とした。
図４において、実線はジルコニア板のときの特性、破線は石英板のときの特性である。いずれも荷重に応じて波長シフト量が大きくなっている。
【００１６】
上述のように、光ファイバ圧力センサ１１１において、光学的帯域フィルタ１１５を有する検出部１１７の光軸上膜厚方向に圧力が加されると、光学的帯域フィルタ１１５からの反射スペクトルがシフトするから、反射計測によって求められる波長シフト量から荷重ないし圧力を割り出すことができる。
以上が本発明の基本構成要件である。波長シフトを検出するには、光学的帯域フィルタ１１５の中心波長を挟む二つの波長光を、光学的帯域フィルタ１１５に当てたときの各波長に対する反射率の比から求めることができる。
【００１７】
図５は本発明の実施形態に係る光ファイバ圧力センサの原理構成を示す説明図である。
本発明に係る光ファイバ圧力センサ１１１は、この図５に示すように、光ファイバ１１３の端面１１３ａに多層膜による光学的帯域フィルタ１１５を形成し、ファイバコア１１３ｃの中心軸にかつ光学的帯域フィルタ１１５の膜厚方向に接触子（図示せず）で圧力Ｐを印加するようにしたものである。光ファイバ１１３の端面１１３ａに多層膜による光学的帯域フィルタ１１５に、図示しない接触子で圧力印加可能とすることにより検出部１１７が構成されるようにしたものである。
光学的帯域フィルタ１１５を構成する多層膜の実際としては、TiO2/SiO2もしくはTa2O5/SiO2の組み合わせによる誘電体多層膜が代表的なものである。
光学的帯域フィルタ１１５の帯域は、反射計測に用いる２つの波長Ｌに応じてきめることになるが、本例では光伝送で普及しているITUグリッド準拠のＤＦＢレーザを利用し、多層膜光学的帯域フィルタ１１５としては、約４０層の２キャビティ構造で波長帯域約10［ｎｍ］のものを用いた。
【００１８】
図６は、光ファイバを充填したジルコニアフェルールを曲率半径20［ｍｍ］で球面研磨した端面に上記TiO2/SiO2２キャビティ構造の多層膜をイオンアシスト真空蒸着で形成したＢＯＦの反射スペクトルを実測したものである。横軸は波長（Wavelength）λ［ｎｍ］、縦軸は反射率(Reflectance)γである。同図中、太線は実測値を示し、細線はこれをガウス関数でフィットしたものである。相関係数は0.9977で、両者は良い一致度を示している。
【００１９】
図７は、本発明に係る光ファイバ圧力センサの具体的な構造を示す図である。
この図７において、本発明に係る光ファイバ圧力センサ１１１は、光ファイバ１１３の端面１１３ａの上に多層膜光学的帯域フィルタ１１５に圧力を印加するＢＫ７板１２３を有する検出部１１７と、前記光ファイバ１１３の光軸上の光学的帯域フィルタ１１５の膜厚方向に被測定圧力を導入印加する接触子機構１１８とを備えたものである。
さらに説明すると、前記接触子機構１１８は次のような構造を有している。基台１２１の上の中央部にＢＫ７板１２３を配置し、前記ＢＫ７板１２３を収容できる凹部１２５ａを設けたステム１２５を基台１２１の上に配置している。ステム１２５には、ファイバフェルール１２７を収容できる透孔１２５ｂが穿設されている。ファイバフェルール１２７は、例えば誘電体（ＺｒＯ２）製の筒状体１３１の内部に光ファイバ１１３を固定し、光ファイバ１１３の端面１１３ａに多層膜光学的帯域フィルタ１１５を蒸着して検出部１１７を構成し、かつ、筒状体１３１の図示上部にフランジ１３３を設けた構造になっている。
【００２０】
そして、フェルール押さえ具１３５は、図７に示すように、ファイバフェルール１２７を収容できる収容穴１３５ａが設けられている。フェルール押さえ具１３５は、図１７に示すように、収容穴１３５ａにファイバフェルール１２７の上部を収納し、フランジ１３３でファイバフェルール１２７に荷重が加えられる構造になっている。荷重Ｗは、図７に示すように、フェルール押さえ具１３５・フランジ１３３を介してファイバフェルール１２７に加えられるようになっている。
【００２１】
図８は、本発明に係る光ファイバ圧力センサを用いて圧力を測定するときの光ファイバ圧力センサと測定系を示す構成図である。
図８において、測定系は、図７に示す加圧構造を備えた光ファイバ圧力センサ１１１に、波長スペクトルの広い光を発光するＡＳＥ光源１４１から所定の光を光ファイバ１４３・ファイバカプラ１４５・光ファイバ１１３を介して与え、当該光ファイバ圧力センサ１１１の光学的帯域フィルタ１１５からの反射光を逆方向に、光ファイバ１１３・ファイバカプラ１４５・光ファイバ１４７を介して光スペクトルアナライザ１４９に導くようにしたものである。
この図８に示す測定系を用いて、図７に示す加圧構造を備えた光ファイバ圧力センサ１１１に圧力を可変して測定した結果が図９に示す特性図である。
【００２２】
図９（Ａ）は、本発明に係る光ファイバ圧力センサにおいて、光ファイバ１１３の端面１１３ａに形成された光学的帯域フィルタ１１５をＢＫ７板１２３に押し当て、荷重を印加したときのスペクトル変化の実測結果を示す特性図であって、横軸に波長（Wavelength)λ[ｎｍ]を、縦軸には反射率γ〔ｄＢ〕を、それぞれ示したものである。
この図９（Ａ）においで、符号（ａ）は０〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｂ）は０．２１〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｃ）は０．３０〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｄ）は０．４３〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｅ）は０．６２〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｆ）は０．８９〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｇ）は１．２８〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｈ）は１．６５〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｉ）は２．６６〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｊ）は３．８３〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｋ）は５．５２〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｌ）は７．９６〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｍ）は１１．４５〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｎ）は１６．４８〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｏ）は２３．７４〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｐ）は３４．１８〔Ｎ〕のときの特性である。この図１９でわかるように、荷重Ｗを大きくしていくに従ってスペクトルが短波長側にシフトしていくことがわかる。
図９（Ｂ）は、本発明に係る光ファイバ圧力センサにおいて、ＢＫ７板上に形成した光学的帯域フィルタを光ファイバ端面に押し当て、荷重を印加したときのスペクトル変化の実測結果を示す特性図であって、横軸に波長λ[ｎｍ]を、縦軸には反射率γ〔ｄＢ〕を、それぞれ示したものである。
この図においで、符号（ａ）は０〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｂ）は０．８９〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｃ）は１．２８〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｄ）は１．６５〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｅ）は２．６６〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｆ）は３．８３〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｇ）は５．５２〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｈ）は７．９６〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｉ）は１１．４５〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｊ）は１６．４８〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｋ）は２３．７４〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｌ）は３４．１８〔Ｎ〕のときの特性である
【００２３】
図１０は、図９（Ａ）のデータを基に、０．１から１．２倍ずつして、３４．１８〔Ｎ〕までの荷重に対するスペクトルシフトの関係をプロットした図であって、横軸に荷重Ｗ〔Ｎ〕を、縦軸にスペクトルシフトΔλ〔ｎｍ〕を、それぞれとったものである。
図１０において、併記した２本の実線のうち、特性（ｑ）は接触面がファイバの断面以内であるとしたときの理論カーブである。特性（ｒ）は接触面がファイバ断面を越えてほとんどジルコニアの領域に達したときの理論カーブである。
図１０において、縦の破線は接触面積がファイバ断面と一致する荷重を表している。
以上のように、実測と理論値がよく一致していることから、光ファイバ圧力センサ１１１における光学的帯域フィルタ１１５の圧力による反射スペクトルシフトは、弾性圧縮によるものであることがわかる。
【００２４】
図１１は、図８の測定系において、光ファイバ圧力センサ１１１に荷重を８〔Ｎ〕加えた時の反射ピーク値の半値をあたえる２つの波長（1,539〔ｎｍ〕と1,547〔ｎｍ〕）を設定したとき、両波長における反射率比と荷重の関係を示し特性図であって、横軸に荷重（Load）Ｗ〔Ｎ〕を、縦軸に反射率比（Differential Reflectance）ζ[ｄＢ]を、それぞれとったものである。
図１１からわかるように、荷重に応じて２波長反射率比が対応していることから、圧力センシングが可能であることがわかる。
【００２５】
＜実施例２＞
図１２は、本願発明の実施例２として、本願請求項２記載の発明に係る光ファイバ圧力センサの原理的構成を示す図である。
この図１２は、前記機構１１８が、被測定圧力を硬質のＢＫ７ガラス球の接触子１５１を介して前記検出部１１７に導入印加する構造としたときには、前記多層膜反射光学的帯域フィルタ１１５を平面形状に構成し、かつ、ＢＫ７ガラス球で構成した接触子１５１の接触面形状を光ファイバ１１３の光軸に関して回転対称な凸面に形成したものである。
具体的には、本発明に係る光ファイバ圧力センサ１１１は、図１２に示すように、フェルール１５５の外径を２．５〔ｍｍ〕としたときに、ＢＫ７ガラス球の接触子１５１の直径をフェルール１５５の外径と同じとし、かつ、上記検出部１１７の光学的帯域フィルタ（ＢＯＦ）１１５にＢＫ７ガラス球の接触子１５１を介して荷重印加できるようにしたものである。なお、ＢＫ７ガラス球の接触子１５１は、基台１５３の上に配置されている。
【００２６】
図１３は、図１２に示す光ファイバ圧力センサの具体的構成例を示す構成図である。
この図１３において、ＢＫ７ガラス球の接触子１５１は基台１５３の上に配置されていて、かつ、基台１５３の上にはステム１５７が設けられている。ステム１５７には、ファイバフェルール１５５を収容できる透孔１５７ｂが穿設されている。
ファイバフェルール１５５の上部には、フェルール押さえ具１６１が配置されている。フェルール押さえ具１６１は、図１３に示すように、ファイバフェルール１５５を収容できる収容穴１６１ａが設けられている。フェルール押さえ具１６１は、図１３に示すように、収容穴１６１ａにファイバフェルール１５５の上部を収納し、フランジ１５９でファイバフェルール１５５に荷重が加えられる構造になっている。荷重Ｗは、図１３に示すように、フェルール押さえ具１６１・フランジ１５９を介してファイバフェルール１５５に加えられるようになっている。
図１３に示す加圧構造を備えた光ファイバ圧力センサ１１１に圧力を可変して測定した結果が図１４に示す特性図である。
【００２７】
図１４は、図１３に示す光ファイバ圧力センサにおいて、光学的帯域フィルタ１１５をＢＫ７ガラス球の接触子１５１に押し当て、荷重を印加したときのスペクトル変化の実測結果を示す特性図であって、横軸に波長λ[ｎｍ]を、縦軸には反射率γ〔ｄＢ〕を、それぞれ示したものである。
この図１４においで、符号（ａ）は０〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｂ）は０．１〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｃ）は０．１４〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｄ）は０．２１〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｅ）は０．３０〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｆ）は０．４３〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｇ）は０．６２〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｈ）は０．８９〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｉ）は１．２８〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｊ）は１．８５〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｋ）は２．６６〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｌ）は３．８３〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｍ）は５．５２〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｎ）は７．９５〔Ｎ〕のときの特性、符号（ｏ）は１１．４５〔Ｎ〕のときの特性である。
上述した図７のＢＫ７板からなる接触子１２３の形状が平面である場合に比較し、本発明の光ファイバ圧力センサのほうが荷重Ｗによるスペクトルシフトが大きくなっている。これは、ＢＫ７ガラス球で形成した接触子１５１を球状（図１２、１３参照）に形成したことによって接触面積が狭窄され、接触圧が大きくなるためである。
【００２８】
図１５は、図１４に示す光ファイバ圧力センサによる荷重とスペクトルシフトの関係と、図１２および図１３に示す光ファイバ圧力センサによる荷重とスペクトルシフトの関係とを比較するための図であって、横軸に荷重Ｗ〔Ｎ〕を、縦軸にスペクトルシフトΔλ〔ｎｍ〕を、それぞれとったものである。
この図１５において、黒四角印は球面研磨光学的帯域フィルタ＋ＢＫ７ガラス球の接触子による特性を、黒丸印は球面研磨光学的帯域フィルタ＋ＢＫ７板の接触による特性を、それぞれ示したものである。接触子の形状を球としたときのほうが、スペクトルシフトがずっと大きくなっており、球接触による接触面狭窄の効果があらわれていることがわかる。
【００２９】
＜実施例３＞
図１６は、本願発明の実施例３として、本願請求項３記載の発明に係る光ファイバ圧力センサの原理的構成を示す図であって、図１６（Ａ）は光学的帯域フィルタ１１５を球面にし接触子を平面にしたときの構成図であり、図１６（Ｂ）は光学的帯域フィルタ１１５を球面にし接触子を球面にした構成図である。
図１６（Ａ）において、本発明に係る光ファイバ圧力センサ１１１’は、光ファイバ１１３の終端面１３１ａを球面に形成し、前記球面に光学的帯域フィルタ１１５を形成し、この光学的帯域フィルタ１１５に平面形状の接触子１１９’で圧力を印加するようにして検出部１１７’を構成した例である。
図１６（Ｂ）において、本発明に係る光ファイバ圧力センサ１１１”は、光ファイバ１１３の終端面１３１ａを球面に形成し、前記球面に光学的帯域フィルタ１１５を形成し、この光学的帯域フィルタ１１５に球面形状の接触子１１９”で圧力を印加できるようにして検出部１１７”を構成した例である。
すなわち、光ファイバの終端面か接触子の一方あるいは双方を球面状に形成することにより、圧力感度の向上を図ることができる。
【００３０】
＜実施例４＞
図１７は、本願発明の実施例４として、本願請求項４記載の発明に係る光ファイバ圧力センサの原理構成図である。
この図１７において、実施例４に係る光ファイバ圧力センサ１１１Ａは、所定の直径の光ファイバ１１３Ａの終端面１１３Ａaを平面に形成して多層膜を蒸着して光学的帯域フィルタ１１５Ａを形成し、この光ファイバ１１３Ａの直径(外径)と直径が等しい接触球１１９Ａがフェルール１２０Ａの中で光学的帯域フィルタ（ＢＯＦ）１１５Ａと接触する構造となっている。また、接触球１１９Ａがフェルール１２０Ａの中で光学的帯域フィルタ（ＢＯＦ）１１５Ａと接触する構造として検出部１１７Ａが構成されている。
このような構造にしたことにより、前記検出部に対して前記光ファイバの光軸上の膜厚方向に被測定圧力を導入印加する機構が構成され、ファイバ光軸上、すなわちファイバコアを中心とした光学的帯域フィルタ１１５Ａと接触球１１９Ａとの弾性接触を担保することができるとともに、圧力導入の簡単化ができる。
【００３１】
＜実施例５＞
図１８は、本願発明の実施例５として、本願請求項５記載の発明に係る光ファイバ圧力センサを示す原理的構成図である。
図１８において、実施例５に係る光ファイバ圧力センサ１１１Ｂは、次のように構成されている。
光ファイバ圧力センサ１１１Ｂでは、光ファイバ１１３Ｂを収容したファイバフェルール複合体１２０Ｂの中心軸に対して垂直な平端面１２０Ｂａに多層膜光学的帯域フィルタ１１５Ｂに、前記光ファイバフェルール複合体１２０Ｂの外形の等しい直径を有する接触球１１９Ｂがスリーブ１３０Ｂ内で接触する構造としたものである。また、光学的帯域フィルタ１１５Ｂに接触球１１９Ｂによって圧力が印加できるようにしたことにより検出部１１７Ｂが構成される。
直径が光ファイバフェルール複合体１２０Ｂの外径に等しい接触球１１９Ｂと、光学的帯域フィルタ（ＢＯＦ）１１５とがスリーブ１３０Ｂの中で接触する構造となったことにより、前記検出部１１７Ｂに対して前記光ファイバの光軸上の膜厚方向に被測定圧力を導入印加する機構が構成されたので、上記に比してより容易なハンドリングで上記の効果を確保することができる。
なお、上記各実施例では、主に、光ファイバの端面側に多層膜の光学的帯域フィルタ１１５を成形した例で説明したが、光ファイバの端面側ではなく接触子側に多層膜の光学的帯域フィルタ１１５を設けるようにしても同様の作用効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係るファイバセンシングシステムを圧力検出システムとして利用する場合のセンサヘッドを示す図である。
【図２】本発明に係る光ファイバ圧力センサの原理的構造を示す図である。
【図３】本発明に係る光ファイバ圧力センサの構造を示す図である。
【図４】本発明に係る光ファイバ圧力センサについて、上記数式１および数式２により具体的に数値を代入して計算した結果を示す特性図である。
【図５】本発明の実施形態に係る光ファイバ圧力センサの原理構成を示す説明図である。
【図６】本発明に係る光ファイバ圧力センサに用いる光ファイバに半径20〔ｍｍ〕の球面研磨を施した単一モードファイバを用い、また、ジルコニアフェルール複合体にTiO2/SiO2の２キャビティ多層膜をイオンアシスト真空蒸着にて蒸着した構造とした光学的帯域フィルタ１１５としたときにおける周波数帯域に対する反射スペクトルの関係を示す図である。
【図７】本発明に係る光ファイバ圧力センサの具体的な構造を示す図である。
【図８】本発明に係る光ファイバ圧力センサを用いて圧力を測定するときの光ファイバ圧力センサと測定系を示す構成図である。
【図９】本発明に係る光ファイバ圧力センサにおいて、光学的帯域フィルタ１１５に荷重を印加したときのスペクトル変化の実測結果を示す特性図である。
【図１０】図９のデータを基に、０．１から１．２倍ずつして、３４．１８〔Ｎ〕までの荷重に対するスペクトルシフトの関係をプロットした図である。
【図１１】図８の測定系において、光ファイバ圧力センサ１１１に荷重を８〔Ｎ〕加えた時の反射ピーク値の半値をあたえる２つの波長（1,539〔ｎｍ〕と1,547〔ｎｍ〕）を設定したとき、両波長における反射率比と荷重の関係を示し特性図である。
【図１２】本願実施例２に係る光ファイバ圧力センサの原理的構成を示す図である。
【図１３】図１２の光ファイバ圧力センサの具体的構成例を示す構成図である。
【図１４】図１３に示す光ファイバ圧力センサにおいて、光学的帯域フィルタ１１５をＢＫ７ガラス球の接触子１５１に押し当て、荷重を印加したときのスペクトル変化の実測結果を示す特性図である。
【図１５】図７に示す光ファイバ圧力センサによる荷重とスペクトルシフトの関係と、図１２および図１３に示す光ファイバ圧力センサによる荷重とスペクトルシフトの関係とを比較するための図である。
【図１６】本願実施例３に係る光ファイバ圧力センサの原理的構成を示す図である。
【図１７】本願実施例４に係る光ファイバ圧力センサの原理構成図である。
【図１８】本願実施例５に係る光ファイバ圧力センサを示す原理的構成図である。
【符号の説明】
【００３３】
３３、・・・センサ支線、
３４・・・センサヘッド、
１１１，１１１Ａ，１１１Ｂ・・・光ファイバ圧力センサ
１１３，１１３Ａ，１１３Ｂ・・・光ファイバ
１１５，１１５Ａ，１１５Ｂ・・・光学的帯域フィルタ
１１７，１１７Ａ，１１７Ｂ・・・ 検出部
１１９，１１９Ａ，１１９Ｂ・・・機構（接触子）
１２１，１５３・・・基台
１２３・・・ＢＫ７板
１２５，１５７・・・ステム
１３３，１５９・・・フランジ
１３５，１６１・・・フェルール押さえ具
１２０Ａ，１２０Ｂ・・・フェルール
１３０Ｂ・・・スリーブ
【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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