(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ組立体（１００）であって、
少なくとも１つのファイバ・ブラッグ・グレーティング（３２）を備えた検知ファイバ部分（３１）を有する光ファイバ（３０）と、
測定される物理的性質に対して寸法が変化する検知本体（５０）とを備え、
前記検知本体（５０）は、圧縮性の媒体を用いて充填可能であり、
前記検知本体（５０）は、前記検知ファイバ部分（３１）の軸方向の両側において前記光ファイバ（３０）の取付点（３７、３８）に取り付けられた本体端部（５１、５２）を有し、
前記検知本体（５０）は前記検知ファイバ部分（３１）を包囲するセンサ組立体。
【請求項２】
請求項１に記載のセンサ組立体において、
さらに毛細管（４０）を備え、
前記光ファイバ（３０）は、前記毛細管（４０）内に配置され、
前記光ファイバの前記取付点は、前記検知本体（５０）の前記本体端部（５１、５２）に前記毛細管（４０）を介して取り付けられているセンサ組立体。
【請求項３】
請求項２に記載のセンサ組立体において、
前記光ファイバ（３０）は、少なくとも部分的に前記毛細管（４０）に取り付けられ、
前記毛細管（４０）は、前記光ファイバ（３０）を前記毛細管（４０）に取り付けるための接着剤（４１）で充填されているセンサ組立体。
【請求項４】
請求項２または３に記載のセンサ組立体において、
前記毛細管（４０）は、前記検知本体（５０）の少なくとも全長または実質的に全長にわたって延在するセンサ組立体。
【請求項５】
請求項２、３または４に記載のセンサ組立体において、
前記毛細管（４０）は、前記ファイバ・ブラッグ・グレーティング（３２）に隣接するファイバ部分にわたって延在する毛細管部分（４３、４５）を有し、前記ファイバ・ブラッグ・グレーティング（３２）は毛細管（４０）を有しないセンサ組立体。
【請求項６】
請求項５に記載のセンサ組立体において、
毛細管部分が、前記検知本体の前記本体端部から前記ファイバ・ブラッグ・グレーティング（３２）に隣接する位置まで延在するセンサ組立体。
【請求項７】
請求項２〜６のいずれか一項に記載のセンサ組立体において、
前記毛細管（４０）は、前記検知本体（５０）を超えて延在して前記光ファイバ（３０）を保護するセンサ組立体。
【請求項８】
請求項２〜７のいずれか一項に記載のセンサ組立体において、
前記検知本体（５０）の外径は、１〜５ｍｍの範囲内であるセンサ組立体。
【請求項９】
請求項２〜８のいずれか一項に記載のセンサ組立体において、
前記センサ組立体は、インビボおよび／または血管内血圧測定用であり、
少なくとも前記毛細管（４０）は生体適合性材料製であるセンサ組立体。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載のセンサ組立体において、
前記検知本体は、非圧縮性充填材料で充填された中空スペースを備えるセンサ組立体。
【請求項１１】
請求項１０に記載のセンサ組立体において、
さらに、前記検知本体（５０）の第１の本体端部（５１；５２）に当接する第１の分離機構を備え、前記光ファイバ（３０）は前記第１の分離機構を横断しているセンサ組立体。
【請求項１２】
請求項１１に記載のセンサ組立体において、
前記検知本体の前記第１の本体端部（５１；５２）に対向する前記検知本体（５０）の第２の本体端部（５１；５２）に当接する第２の分離機構を備え、前記光ファイバ（３０）が前記第２の分離機構を横断しているセンサ組立体。
【請求項１３】
請求項１１または１２に記載のセンサ組立体において、
前記第１および／または第２の分離機構は、圧力吸収体（１５１、１５２）であるセンサ組立体。
【請求項１４】
請求項１３に記載のセンサ組立体において、
前記圧力吸収体（１５１、１５２）の軸方向の剛性は、前記検知本体（５０）の軸方向の剛性よりも低いセンサ組立体。
【請求項１５】
請求項１１〜１４のいずれか一項に記載のセンサ組立体において、
前記第１または第２の圧力吸収体（１５１、１５２）を横断する前記光ファイバ（３０）の部分（１３１、１３２）が、その端部セクション（１３７、１３８）において、前記第１または第２の圧力吸収体（１５１、１５２）に取り付けられ、前記光ファイバの前記部分は、さらに、ファイバ・ブラッグ・グレーティング（３２、３３）を備えるセンサ組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、おおまかに言うと、物理パラメータを検知する方法と装置、並びにセンサの感度を向上させる方法に関する。ある特定の実施の形態では、本発明は、流体、典型的には液体または気体の圧力および／または圧力変化を検知する分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の物理パラメータを測定することが可能であることは一般的な要望であり、そうすることが可能であるためには、そのような測定される物理パラメータに応答するセンサが必要である。このセンサは、理想的には精確であり、かつ静的および動的値が容易に測定されることが可能である応答時間を持っているべきである。
【０００３】
周知のように、ファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）を備えた光ファイバは、ＦＢＧの位置におけるファイバ長変化に精確に追従することが可能な測定信号を供給することが可能である。ＦＢＧの長さと長さ変化は、レーザーインテロゲータを用いて、そのピーク周波数から決定することができる。
【０００４】
ＦＢＧの典型的な応用は、圧力と圧力変化を測定することである。しかしながら、光圧力センサを備えた既知の装置は、構造が比較的に複雑であり、嵩張る。例えば、既知の圧力センサシステムは、ドラムに巻かれた光ファイバを備え、このドラムが圧力変化に伴って膨張収縮する。このような設計では、必然的にサイズが少なくともドラムのサイズよりは大きくなってしまう。
【０００５】
非限定的な一例を挙げると、スチームを用いた石油抽出は、圧力および／または圧力変化を検知できることが望ましい技術の一分野である。この技術は、典型的には、地中に配置された長尺のパイプ（数百メートル）を必要とし、このパイプ内で高圧力高温度のスチームを用いて原油および／または瀝青を周囲の地盤から抽出し、それを回収パイプを通して送る。多くの場合、このスチーム注入パイプには検知チャネルが配置されている。これは、典型的には、約８ｍｍの内径を有し、内部に検知システムを配置するのに利用される。つまり、そのような検知システムの操作条件は、高圧（典型的には１００ｂａｒ以上）、高温（典型的には３２０℃以上）、刺激的雰囲気（スチームと石油）、および横断方向に小さく軸方向に大きい寸法を含む。
【０００６】
そのような条件の検知システムは既に提案されている。一例を挙げると、米国特許出願公開第２００５０１９５４０２号公報明細書は、細長い狭いハウジングを有し、その先端に配置され、圧力に応答する薄膜により仕切られた検知チャンバを設けたファブリ・ペロー型センサ装置を記載している。しかしながら、そのような設計の欠点は、信号測定点が一箇所のみであり、感度がそれほど高くなく、かつ、音波周波数範囲の動的圧力変化に対しては適していないことである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、種々の物理パラメータを精確に測定できるセンサ設計にＦＢＧ式光センサの利点を生かすことである。
【０００８】
さらに、本発明の目的は、堅牢で小型、かつ比較的容易に製造できるセンサ設計を提供することである。
【０００９】
さらに、本発明の目的は、ファブリ・ペロー型光センサの感度を向上させる方法を提供することである。
【００１０】
本発明が目的としているのは、音波周波数に達する静的圧力のみならず動的圧力を高感度で検知することが可能であり、かつ非常に狭い形状と十分な可撓性を有し狭く湾曲したチャネル内に進入可能な圧力検知システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の１つの重要な態様に従えば、検知本体が提供される。この検知本体は、そのサイズが検査中の物理パラメータに感受性を有する材料から少なくとも部分的に構成されている。すなわち、この材料は、該物理パラメータの変動に伴って収縮または膨張する。この検知本体は、光ファイバの２つの位置において、ＦＢＧの両端において取り付けられている。従って、測定される物理パラメータの値は、ＦＢＧがエッチングされている光ファイバの部分の、ある長さに変換される。この検知本体は、非常にスリムな外形を持つように作製することが可能である。
【００１２】
特に好ましい一実施の形態において、光ファイバは接着剤を用いて充填された狭い毛細管内に配置され、検知本体はこの毛細管に取り付けられている。この毛細管はファイバを保護するのに役立っている。ある特定の実施の形態では、この毛細管はＦＢＧの位置においては省かれ、ファイバの長さ変化がＦＢＧにおいて集中されて測定感度が向上するように構成されている。
【００１３】
本発明のこれらおよび他の態様、特長および利点は添付図面を参照する以下の１つ以上の好ましい実施の形態の記載によりさらに詳しく説明される。図面において、同じ参照符号は同じまたは類似の部品を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】図１Ａは、検知組立体の第１の実施の形態の概略縦断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａと同等な断面図であり、図１Ａの実施の形態の１つの変形例を示す。
【図２Ａ】図２Ａは、検知組立体の第２の実施の形態の概略縦断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａと同等な断面図であり、図２Ａの実施の形態の一変形例を示す。
【図２Ｃ】図２Ｃは、図２Ａと同等な断面図であり、図２Ａの実施の形態の一変形例を示す。
【図３Ａ】図３Ａは、検知組立体の第３の実施の形態の概略縦断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａと同等な断面図であり、図３Ａの実施の形態の一変形例を示す。
【図４Ａ】図４Ａは、検知組立体の第４の実施の形態の概略縦断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａと同等な断面図であり、図４Ａの実施の形態の一変形例を示す。
【図５Ａ】図５Ａは、検知組立体の第５の実施の形態の概略縦断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａと同等な断面図であり、図５Ａの実施の形態の一変形例を示す。
【図６】図６は、検知システムを備えた油井掘削機の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１Ａは、本発明の細長い検知組立体１００の第１の実施の形態の概略縦断面図である。検知組立体１００は、少なくとも１つのファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）３２を含む検知ファイバ部分３１を有する光ファイバ３０を備える。本図は、実例として、ＦＢＧを１つだけ示すが、検知ファイバ部分３１はＦＢＧを２つ以上有していてもよい。
【００１６】
ＦＢＧを有する光ファイバはそれ自体公知であるため、ここではその説明を簡略にする。ＦＢＧは、本質的に、ファイバ中に長さ方向に配置された一連の材料変化からなる。通常、光ファイバの光学的性質は長さに沿って一定であり、それらの光学的性質には屈折率が含まれる。しかしながら、そのような材料変化により屈折率にわずかな相違が生じる。複数のそのような材料変化は、相互に同じ距離にあると、格子のように挙動し、この格子は、典型的には、小さい波長帯域の光を反射する。光パルスがファイバに入射されると、実質的に全波長がこの格子位置を通過するが、該小さな波長帯域内の光は反射される。ファイバの入射端において、反射された光パルスが受光されるが、その波長は連続する材料変化相互間の距離を示す。この距離は格子ピッチとも呼ばれる。従って、ＦＢＧは、狭帯域反射器であると考えることができる。
【００１７】
そのようなＦＢＧ反射器センサは、典型的には、（局所的）歪みを感知できる。歪みが変化すると、ファイバの長さが変化するが、この変化には格子ピッチの変化が含まれる。これらの距離の変化は、ひいては、反射光の波長の変化に変換可能である。
【００１８】
従って、ＦＢＧの歪みの状態は、外部光源を用いて外からの光ビームまたはパルスを供給し、この光ビームまたはパルスをファイバの入射端に入射させ、反射光を検知することにより測定することができる。そのような手順は、外光によるＦＢＧセンサの「インテロゲーション」（”ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎ”）と呼ばれる。このインテロゲーションに対するＦＢＧの応答は、格子に合致した波長の光を反射することである。また、ＦＢＧセンサをファイバレーザーのミラー部分として用いることが可能である。このため、レーザー出力波長は格子に合致している。レーザーは、例えば分布帰還（ＤＦＢ）ファイバレーザーまたは分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）ファイバレーザーであってもよい。ファイバレーザーの波長スペクトルは、定量的には、反射器の単一波長反射スペクトルに類似しているように見える。本発明はいずれのタイプの測定手順においても利用可能である。
【００１９】
本発明は、現在使用されているのと同じタイプのＦＢＧ反射器を備えた光ファイバを用いて実施できるので、ＦＢＧ反射器を備えた光ファイバの設計および製造のより詳細な説明はここでは省略する。
【００２０】
図示の検知ファイバ部分３１とは別に、ファイバ３０は他の位置においてさらなる検知ファイバ部分を有していてもよいが、これは図示されていない。実際、ファイバ３０は、大きい長さ部分にわたって分布された複数のそのような検知ファイバ部分を有していてもよい。そして、各検知ファイバ部分は１つ以上のＦＢＧを有していてもよい。従って、ファイバ３０は複数のＦＢＧを設けられていてもよい。これらのＦＢＧが相互に異なる格子ピッチを有している場合は、反射波長が相互に異なり、複数の測定を同時に実行することが可能である。
【００２１】
ある物理パラメータを検知することが可能であるための検知組立体１００のさらなる特徴は、ファイバ３０に取り付けられた検知本体５０である。さらに詳しくは、検知本体５０は、検知部分３１の両側に配置され、ファイバ３０に直接取り付けられた本体端部５１、５２を有する。検知本体端部５１、５２が係合するファイバの位置は取付点３７、３８として示される。例えば、検知本体５０は、ファイバ３０に堅固にクランプされた端部５１、５２を有する。例えば、検知本体５０はファイバ３０に隣接して配置されていることも可能であるが、対称性を持たせるために、検知本体５０はファイバ３０を包囲し、中空の内部スペース５５を有し、その中でファイバ３０が自由に移動できるようにするのが好ましい。利用目的によって、中空内部スペース５５は空気を用いて充填され、または気体を用いて充填され、あるいは液体またはゲル等を用いて充填されていてもよい。
【００２２】
検知本体５０の材料は、作用温度において、十分な剛性を有していることが必要である。さらに、ファイバ３０は、取付点３７、３８間の直線に沿って保持されている。
【００２３】
検知本体５０を構成する検知材料の選択は、測定される物理的性質の変化に比例して収縮または膨張することにより、測定される物理的性質に対して寸法が応答することを理由としてなされる。例えば、温度を測定するためには、検知本体５０は、温度の変化に伴って膨張または収縮する材料で作製することができる。圧力または音波を測定するためには、検知本体５０は、圧力の増加または減少に伴って収縮および膨張する材料で作製することができる。さらなる例は、化学的濃度の変化を感知できる材料および磁場の強度の変化を感知できる材料である。
【００２４】
検知本体５０の長さ変化はファイバ３０の長さ変化に変換できるが、このファイバ３０の長さ変化は、当業者には明らかなように、インテロゲーション光ビームにより測定可能である。
【００２５】
好適な一実施の形態において、検知本体５０は円筒形状であるが、これは本質的ではない。
【００２６】
好適な一実施の形態において、検知本体５０の内部スペース５５は円筒状であるが、これは本質的ではない。そのような場合、内部スペース５５の直径はファイバ３０の直径よりも大きい。
【００２７】
一実施の形態において、検知本体５０は、図１Ａに示すように、単一体、すなわち単一材料の一体物として製造される。図１Ｂはこの実施の形態の一変形例の概略図であり、検知本体５０は、円筒部分５６を備え、円筒部分５６の両端は、終端プレート５３、５４に結合されている。終端プレート５３、５４の材料は円筒部分５６の検知材料に対して変形しない材料からなる。これらのプレートはファイバ３０に結合されている。そのような実施の形態は、検知本体５０の材料が比較的に柔らかい場合に、特に有効である。さらに、図１Ｂの実施の形態は、一般に製造がより容易である。
【００２８】
全ての場合において、ファイバ３０の方向に沿う検知本体５０の収縮または膨張は、検知ファイバ部分３１の長さの変化に変換される。検知本体５０の材料の膨張または収縮によりファイバに及ぼされる力は、検知本体５０を厚くすることにより増加させることが可能である。従って、センサ組立体１００の感度は、たいていの場合、検知本体５０を厚くすると向上する。
【００２９】
好適な一実施の形態において、検知材料の形状は、上述のように、円筒状である。たいていの場合、このようにすると、ファイバに沿う検知材料の収縮または膨張がファイバの長さに最大限移行される。しかしながら、これは必要条件ではない。例えば、検知材料はロッドの形で利用できる。これらのロッドは、終端プレート５３、５４上に載置して所望の効果を得ることができる。
【００３０】
また、終端プレート５３、５４は任意の形状の他の終端で置き換えることが可能であるが、これは該他の終端がファイバに結合されて検知本体の収縮または膨張がファイバに移行される限りにおいてである。
【００３１】
検知本体５０の検知材料が十分に固い場合、終端プレート５３、５４を省くことができる。その場合、検知本体５０の検知材料は、溶接および接着をはじめとする種々の方法により直接ファイバに結合することができる。例えば、ある検知材料は、例えば、熱、放射線、接着剤、化学品、光等の外部刺激に曝すこと等により硬化させることができる。
【００３２】
検知組立体１００の設計の１つの重要な利点は、非常に小さくかつ柔軟な設計であるため、狭く、湾曲した経路内に配置できることである。例えば、検知本体５０の外径は１〜５ｍｍと小さい。この設計では、複数のＦＢＧ方式センサをファイバの単一長さに沿って適用することが可能であり、かつこれらの複数センサ付きファイバを任意の形状の１、２または３次元アレイに配置することが可能である。従って、ある物理パラメータを複数の位置において測定することが可能であり、および／または空間分布（スカラー場またはベクトル場）を測定することが可能である。
【００３３】
すべての検知本体が同じ検知材料で作製されているため、すべての検知本体が同じ物理パラメータを感知することが本発明の範囲内に入るが、相互に異なる検知材料で作製された検知本体を適用して異なる物理的性質を並行して測定することも可能である。
【００３４】
上記において、物理パラメータにおける変化がどのように検知本体５０の長さ変化を引き起こすか、およびどのようにして検知本体５０材料がある物理パラメータに対する適切な感度を有するように選択されるかが説明された。１つの特に重要な物理パラメータは、検知組立体１００がその中に配置される媒体の周囲圧力である。周囲圧力は、軸方向圧縮力、すなわちファイバに沿う方向の力を検知本体５０の軸方向端面に及ぼす。その力の大きさは検知本体５０の直径によって決まり、この圧力が変化すると検知本体５０の長さ変化応答が引き起こされる。なお、長さ変化の量はファイバ３０と検知本体５０とを組合せた総剛性によって決まる。これは、検知本体５０とファイバ３０が軸方向の力に関して機械的に並行に結合されるからである。本発明のさらなる詳細な態様において、圧力感度を増加するために、検知本体５０の軸方向剛性は減らすが半径方向剛性は維持することが提案されている。結果として、ファイバ３０と検知本体５０の総剛性は低下し、そのためシリンダ５０の軸方向端面に作用する圧力により引き起こされるファイバ３０の長さ変化は、今度はファイバ３０に大きな長さ変化をもたらす。
【００３５】
検知本体５０の軸方向剛性を低下させることの１つの特長は、検知本体５０の壁厚をできるだけ小さくすることである。
【００３６】
図２Ａは、本発明の圧力感度を増加させた検知組立体２００の第２の実施の形態の概略縦断面図である。図示のこの実施の形態では、検知本体５０は円筒状であり、周方向溝５７を設けられている。溝５７は、好ましくは端部５１、５２の間の中間に配置されている。溝５７は、好ましくは、半円形の底部５８と、相互に平行な半径方向壁部分５９とを設けられたＵ字形の輪郭を有する。この溝は、図示のように、検知本体５０の残余と同じ材料で作製することができる。
【００３７】
図２Ｂは、別の一実施の形態を示す。この実施の形態では、検知本体５０は、第１の軸方向剛性を有する第１の材料製の２つの本体部分６１、６２を備え、これら本体部分６１、６２は前記第１の軸方向剛性より低い第２の軸方向剛性を有する連結部品６３により連結されている。この連結部品６３の詳細な寸法は決定的に重要ではないが、軸方向長さが大きいほど、大きな効果が得られる。さらに、連結部品６３の外径が２つの本体部分６１、６２の外径に等しくし、そのためこれらの円筒外面が同一面上にあるようにするのが好ましい。
【００３８】
感度の増加がさらに大きいのは、連結部品６３が、図２Ｃに示すように、溝形状である場合である。
【００３９】
なお、図１Ｂに示す具体的構成は図２Ａ、２Ｂ、２Ｃのいずれかに示す具体的構成と組み合わせることができる。
【００４０】
検知本体５０の剛性を低下させる代わりに、またはそれに加えて、ファイバ３０の剛性を適合させることによって、検知組立体の測定感度を増加させることができる。上述の説明のように、検知円筒５０がわずかでも膨張または収縮すると、この膨張または収縮はファイバ３０の対応する膨張または収縮に変換される。この長さ変化は、典型的には、円筒５０の端部５１、５２の間のファイバ部分の長さに均等に分布される。しかしながら、ＦＢＧの長さは、円筒５０の端部５１、５２の間のファイバ部分の長さよりも小さい。従って、検知円筒５０の長さ変化の比較的に小さい部分だけが最終的にＦＢＧに伝達され、測定信号に変換される。
【００４１】
また、本発明が提供するのは、ファイバ設計を変化させることによって、長さ変化が主にＦＢＧの位置に集中するようにすることによりＦＢＧセンサの感度を向上させる方法である。本発明のこの方法によれば、ＦＢＧを設けたファイバ部分の剛性が、ＦＢＧを設けられていないファイバ部分の剛性よりも低くなるように作製される。ＦＢＧの外部ではファイバ３０は比較的に剛性が高いので、この場合は、検知円筒５０の長さ変化があれば、この変化はＦＢＧに集中される。
【００４２】
図３Ａは、本発明の感度を向上された検知組立体３００の第３の実施の形態の縦断面図である。図に示すように、ファイバ３０は、検知本体５０の第１および第２の端部５１、５２の取付位置において第１の厚さを有するとともに、ファイバ３０は、中空内部本体スペース５５内においてこれらの取付位置からＦＢＧ３２の位置に向かって延在する第１の厚さを有するファイバ部分３３、３５を有する。さらに、本図に示すように、光ファイバ３０は、ＦＢＧ３２が配置されている、第２の厚さの中心部分３４を有する。この第２の厚さは前記第１の厚さよりも小さい。
【００４３】
この実施の形態の製造は、ＦＢＧを持たない第１の厚さのファイバを用いて開始し、あるファイバ部分３４におけるファイバ材料の若干を除去してファイバ厚さを減少させ、次いで減少した厚さを持つそのファイバ部分３４においてＦＢＧを配置することにより、実現可能である。あるいはまた、この実施の形態の製造は、あるファイバ部分３４においてＦＢＧ３２を含むファイバ３０を用いて開始し、次いで該ファイバ部分３４におけるファイバ材料の若干を除去してファイバ厚さを減少させる一方、ＦＢＧ機能を維持することにより実現可能である。いずれの場合も、検知本体５０は、後に、適合されたファイバ３０に取り付けられる。
【００４４】
本図は第１の厚さから第２の厚さへの急峻なステップを示しているが、この移行は図示のものよりも緩やかであってもよい。
【００４５】
図３Ｂは別の方法を示す。この方法では、ファイバ３０は、基本のファイバ３０材料よりも剛性の高い追加クラッド７０を部分的に設けられている。この追加クラッド７０は、図示のように、円筒５０の外側のファイバ３０を覆っていてもよいが、それは必ずしも必要ではない。追加クラッド７０は、いずれの場合も、円筒５０の端部５１、５２の位置においてファイバ３０を覆い、これらの端部からＦＢＧ３２の位置へ延在しているが、ＦＢＧ３２を覆っていない。詳しくは、ＦＢＧ３２は、該追加クラッドの無い比較的薄い（または追加クラッドがより薄い）ファイバ部分７４に配置され、このファイバ部分７４はそれぞれクラッド部分７３および７５を設けられたファイバ部分の間に挟まれている。その結果、検知円筒５０の長さ変化があると、この長さ変化は、この場合は、比較的薄いファイバ部分７４の長さに集中される。
【００４６】
本発明のこの態様の実現は、任意のＦＢＧ−ファイバ３０を用いて開始し、ＦＢＧ３２の外側にクラッド部分７３、７５を追加し、次いで検知本体５０を取り付けることにより行ってもよい。
【００４７】
剛性化は他の方法により実現することも可能である。例えば、剛性を有することが必要なファイバのセクションを剛性材料上に載置または結合することにより実現可能である。例えば、ファイバのそのセクションにわたって、該セクションを剛性プラスチックまたは金属材料に接着してもよい。
【００４８】
なお、図３Ａまたは図３Ｂに示す具体的構成を図１Ａ、１Ｂ、２Ａ、２Ｂ、２Ｃのいずれかに示す具体的構成と組み合わせることができる。
【００４９】
さらに、図１Ａ、１Ｂ、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、３Ａおよび３Ｂを参照する実施の形態において、中空の内部スペースは圧縮性または非圧縮性充填材料を用いて充填されていてもよい。そのような充填材料は、例えば、特定の利用状況に応じて選定されるゲルまたは液体であってもよい。
【００５０】
検知された物理パラメータにより検知本体５０の長さが減少した場合、例えば、周囲圧力が増加した場合、ＦＢＧを備えた検知部分３１は軸方向に圧縮される。保護手段が無いと、ファイバ３０は軸方向の圧縮に抗することができないため、ファイバは、座屈し、測定信号が失われる。
【００５１】
この問題を解決する１つの可能な方法は、製造中にバイアス張力をファイバ上に加えることである。すなわち、大気条件下では、ファイバはストレスのかかった状態にあり、外部圧力を増加すると、ファイバの張力が減少するということである。
【００５２】
本発明のさらなる検討において、別の解決策が提案されている。この別の解決策では、ファイバは、該ファイバよりも剛性の高い毛細管により半径方向に支持される。この別の解決策は、図４に示されている。
【００５３】
図４Ａは、本発明の検知組立体４００の第４の実施の形態の縦断面図である。この実施の形態では、ファイバ３０は非常に狭い管４０内に配置されている。この管４０の内径はファイバ３０の外径よりもわずかに大きいので、ファイバ３０を管４０内に引き込むのに十分な遊びが得られる。非限定的な一例として、外径が１５０μｍの（塗工された）ファイバに対して、管４０の好適な内径は０．３ｍｍである。好適ないくつかの実施の形態では、管４０の内径とファイバ３０の外径との差は、０．０２〜１ｍｍの範囲内である。以下に、この管４０を「毛細管」と呼ぶ。後により詳細に説明するように、毛細管４０に接着剤を充填して毛細管４０とファイバ３０の間に良好な歪みを有する連結を確保している。円筒５０の両端部５１、５２は毛細管４０に取り付けられている。従って、ファイバの取付点は、検知本体５０の本体端部５１、５２に対して毛細管４０を介して取り付けられている。好適な一実施の形態では、毛細管４０と円筒５０は金属製であり、毛細管４０と円筒５０は相互に溶接されている。溶接性、抵抗性および耐久性について好適な材料はインコネル（ｉｎｃｏｎｅｌ）（登録商標）である。
【００５４】
毛細管４０は、ファイバ３０の全長にわたって延在していてもよい。検知本体５０内では、毛細管４０はファイバ３０を半径方向に支持してファイバ３０が座屈するのを防止する。検知本体５０外では、毛細管４０は環境に対すファイバ３０の保護物として役立つ。このことは、いくつかの実施の形態では特に有用である。これらの実施の形態が想定されている利用形態は、条件が厳しく、ファイバ３０の保護が必要とされる状況にあるか、またはファイバが衛生上の理由、例えば、医療用途、特に血管内用途のような理由から流体媒体に接触すべきでない状況における利用である。例えば、スチームを用いる石油掘削の場合、環境は高温高圧のスチームおよび石油を含み、多くの場合、有害物となる可能性のある水素が高濃度で存在する。
【００５５】
毛細管４０は、環境に対して抵抗性の材料で作製される。好適な材料としては、例えば、（ステンレス）鋼と合金類がある。光ファイバは、ポリイミドや炭素コーティングのような保護層を用いて予め被覆されていてもよい。
【００５６】
ファイバ３０を湾曲したチャネル内に導入できるようにするために、毛細管４０は曲げに関して十分な柔軟性を有していることが必要である。すなわち、毛細管４０の壁厚は十分に小さいことが必要である。一方、毛細管４０の壁厚は、十分な構造的堅牢性と一体性を与え、組立体４００を狭いチャネル内に押し込むことができるように、十分に大きくすることが必要である。好適な壁厚は、例えば、０．０２〜０．２ｍｍの範囲内である。
【００５７】
なお、ファイバの保護および／またはファイバと周囲との接触を考慮する必要がない場合、検知本体５０の外側では毛細管４０は省略してもよい。
【００５８】
円筒５０と毛細管４０の間の半径方向の間隔は溶接処理により閉じることができる。想定し得る一実施の形態では、円筒５０は、毛細管４０の外径と一致する、狭められた端部を有する。図４に示すこの実施の形態では、環状取付部材５３、５４は毛細管４０と円筒５０との間に配置され、環状取付部材５３、５４は、例えば溶接により、毛細管４０と円筒５０とにそれぞれ取り付けられている。
【００５９】
従って、環状スペース５５が存在し、このスペースは半径方向では毛細管４０と円筒５０との間に限定され、軸方向ではそれぞれ円筒５０の両端部５１、５２または環状取付部材５３、５４の間に限定されていることが分かる。この環状スペース５５には、気体が充填されている。この気体は、例えば、空気または窒素といった不活性充填ガスであってもよい。この環状スペース５５は、検知ファイバ部分３１と整列している。換言すれば、円筒５０の両端部５１、５２は、検知ファイバ部分３１の軸方向の両端において毛細管４０と係合している。
【００６０】
円筒５０は、毛細管４０の剛性よりも高い剛性を有するように設計されている。例示的な一実施の形態では、円筒５０はインコネルで作製され、外径が１．５〜５ｍｍであり、壁厚が０．０２〜０．２ｍｍである。
【００６１】
作用は下記の通りである。標準条件、例えば、２０°Ｃおよび１ｂａｒの圧力下では、ファイバ３０は標準の長さを有し、円筒５０も標準の長さを有する。圧力が増加すると、円筒５０は半径方向および軸方向に圧縮される。半径方向の圧縮はファイバ３０にほとんどまたはまったく影響を与えない。軸方向の圧縮は毛細管４０とファイバ３０に伝達される。このため、ファイバ３０は毛細管４０に、好ましくはその全長にわたって、いずれにしても円筒５０の全長にわたって結合されている。この結合は、軸方向において毛細管４０からファイバ３０へ力がよく伝達されるようにするものである。一例において、結合は、毛細管４０とファイバ３０との間に配置された適切な接着剤４１によってもたらされる。
【００６２】
好適な一製造方法において、接着剤４１は毛細管４０内に配置され、次いでファイバ３０が導入される。別の好適な一製造方法において、接着剤４１は、ファイバ３０上に配置され、次いでこのファイバが毛細管４０内に導入される。別の好適な一製造方法において、ファイバが毛細管４０内に導入され、例えば引き込まれ、毛細管４０の入口においてファイバ３０が入ると同時に接着剤４１が補給される。
【００６３】
従って、圧力が増加すると、ファイバ３０は軸方向の圧縮が増加し、一または複数のＦＢＧの格子定数が減少する。この減少は、先に説明したように、光学的に測定可能である。このことは、静的圧力条件だけでなく動的な圧力変化にも当てはまる。ここに提示された設計の慣性特性が低いため、動的圧力センサは共鳴周波数、従って広い作用周波数帯域を実現することができる。
【００６４】
明らかに、本発明は、感度と耐久性を非常に狭い断面積と組み合わせた検知組立体の設計を提供することに成功した。
【００６５】
なお、図４Ａに示す具体的構成は、図１Ａ、１Ｂ、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、３Ａまたは３Ｂのいずれかに示す具体的構成と組み合わせることができる。特に、接着剤を充填した毛細管４０は図３Ｂの追加クラッド７０として機能することができる。図４Ｂは、実施の形態の一例を示す。この場合、毛細管４０は、ＦＢＧ３２の位置において除去または省略され、図３Ａおよび図３Ｂの文脈において記載されているＦＢＧの感度を向上させている。毛細管部分４３、４５は、ＦＢＧ３２の両側においてファイバ部分の周りに延在し、これらのファイバ部分に接着されている。
【００６６】
さらに、図４Ａおよび図４Ｂを参照して説明されているこれらの実施の形態では、環状スペース５５は、圧縮性または非圧縮性の充填材料を用いて充填することができる。
【００６７】
特に、図１Ａに示す実施の形態では、環状スペース５５は、非圧縮性充填材料を用いて充填することが可能である。そのような充填材料は、その圧縮性が検知動作の際の変化に対して無視し得るほど小さい材料であってもよい。一実施の形態において、空隙内の非圧縮性充填材料は、液体またはゲル状であってもよい。
【００６８】
環状スペース５５が非圧縮性充填材料を用いて充填される特定の応用形態では、圧力の増加に応じて半径方向に働く正味の力により光ファイバ３０が膨張するのは、取付部材５３、５４が半径方向の負荷による伸長動作に有意に対抗する圧力の下にない場合である。加えて、分離機構を導入して、軸方向圧力Ｆａｘがファイバ上でそのような膨張動作を妨げないようにしてもよい。
【００６９】
一実施の形態において、当技術において知られている減衰機構、例えば、一対のベローズを分離機構として用いて、取付部材５３、５４により及ぼされる膨張作用を、例えば、外部圧力により生じる軸方向の力から分離するようにしてもよい。別のいくつかの実施の形態では、ベローズは、空隙を有するゴム部材に置き換えることができる。
【００７０】
この実施の形態は、充填材料が圧縮性であり、例えば図１Ａの実施の形態に対して、さらなる利点を有する。図５Ａの実施の形態では、ファイバは伸長モードで作動していると定義することができる。すなわち、圧力が増加するにつれて、ファイバの長さも増加する。一方、図１Ａでは、ファイバは収縮モードで作動する。すなわち、ファイバは、圧力が増加すると、圧縮される。この差には重要な技術的価値が有る。その理由は、図１Ａのいくつかの実施の形態について、ファイバは、システムが測定可能であるためには、予め歪みをかけられていることが必要であるか、あるいはある種の構成（例えば、毛細管）を導入してファイバが曲がるのを防止する必要があるからである。図５Ａに示す実施の形態では、組立体は、予めファイバに歪みをかけることなく、および／または毛細管を設けることなく、動作することができる。
【００７１】
図５Ａは、検知組立体１００の第５の実施の形態の縦断面図である。この場合も、検知本体は、非圧縮性充填材料を用いて充填された中空スペースを備えている。図１Ａに示す実施の形態と比べて、ベローズ１５１、１５２として実装された第１および第２の圧力吸収体が、検知本体５０の第１および第２の本体端部５１、５２にそれぞれ当接する分離機構として設けられている。第１および第２のベローズ１５１、１５２は、検知本体５０の両側に配置されており、好ましくは、検知本体５０と同様の半径方向の寸法を有する円筒形状である。さらに、ベローズ１５１、１５２の配置は、光ファイバ３０が該ベローズ１５１、１５２を横断するようになされている。好適な一実施の形態では、ファイバ３０は、軸方向において吸収体１５１、１５２に固く結合されていないため、吸収体１５１、１５２の変形がファイバ３０により大きく制限されることはなく、ファイバ３０は、大きな軸方向の力を取付部材５３、５４に伝達することはない。好ましくは、第１および第２のベローズ１５１、１５２の軸方向剛性は検知本体５０の軸方向剛性よりも小さい。吸収体の設計を、それらにより生じる軸方向剛性が検知本体の軸方向剛性よりも小さくなるようにすることにより、軸方向の力が少なくとも部分的に吸収される。一例として、ベローズを、比較的小さな軸方向剛性を有する大部分均一な部材として実装することができる。しかしながら、別の実装形態も可能である。例えば、弾性部分を有する吸収体を適用し、例えば検知本体５０に対向する柔軟な各端面、例えば、メンブレンとして形成されたものを有することが可能である。それにもかかわらず、ベローズは、それらの剛性とは無関係に、軸方向の力が取付部材５３、５４に影響することを避けることができる分離部材により置き換えることができる。
【００７２】
好適な一実施の形態では、取付部材５３、５４は、軸方向に剛性であり、かつ半径方向に柔軟であって、ゲルのような圧縮性の低い媒体を用いて充填されていてもよい検知本体５０に結合された膜のような柔軟性の高い表面であり、ベローズ１５１、１５２は、高圧縮性の媒体、例えば窒素または空気のような気体を用いて充填されたベローズのような軸方向に柔軟な物体である。検知本体５０と取付部材５３は同じ材料で形成してもよいが、異なる物体で作製し、組み立ててもよい。作動中は、検知組立体１００に圧力がかけられると、半径方向の力Ｆｒａｄおよび軸方向の力Ｆａｘが検知組立体１００上に及ぼされる。軸方向の力が働くと長さが減少することがあるが、取付部材のそのような内方への移動は少なくとも部分的にベローズ１５１、１５２により吸収され、外部の軸方向のキャップに働く圧力の効果が面５１および５２に有意に伝達されないようにされている。一方、検知本体５０に半径方向の力がかかると、直径が減少し、非圧縮性充填材５５が軸方向に押されて柔軟な面５１および５２が外方に変形し、光ファイバ３０が伸長し、この伸長がファイバ・ブラッグ・グレーティング３１とのインテロゲーションにより測定可能である。
【００７３】
なお、原則として、検知組立体１００は、検知本体の第１または第２の本体端部に当接する、単一の圧力吸収体、例えばベローズを設けられていてもよい。
【００７４】
図５Ｂは、図５Ａと同等な断面図であり、図５Ａの実施の形態の一変形例を示す。ここに、ベローズ１５１，１５２として実装されている圧力吸収体を横断する光ファイバ３０の第１および第２の部分１３１、１３２は、該ファイバ部分１３１、１３２のそれぞれの端部セクション１３７、１３８において第１および第２の圧力吸収体１５１，１５２にそれぞれ取り付けられている。また、該光ファイバセクション１３１、１３２は、さらに、ファイバ・ブラッグ・グレーティング３３、３４を含むので、圧力吸収体１５１，１５２中の光ファイバの任意の変形、例えば圧縮を測定することができる。あるいはまた、第１または第２の圧力吸収体のいずれかを横断する単一の光ファイバ部分だけが追加のファイバ・ブラッグ・グレーティングを設けられていてもよい。
【００７５】
本発明の想定し得る応用形態を説明するために、図６に、大地Ａ中に配置された油井坑Ｂの概略を示す。検知目的のために、狭いチャネルＣが杭Ｂ内に配置されている。チャネルＣは、典型的には、約８ｍｍの内径を有する。もっとも、検知装置がチャネル内に嵌合するように十分に狭いことが必要であることを除いては、チャネルの精確な直径は決定的に重要ではない。なお、油井坑ＢとチャネルＣは単に本発明が適用されるのに可能な位置にあればよく、それらの位置は本発明自体を構成するものではない。
【００７６】
図６も本発明の圧力検知システム１を示す図であり、圧力検知システム１はチャネルＣ内に配置された細長い検知組立体２０を備える。検知組立体２０の長さに沿う種々の位置において、検知組立体２０は複数の検知領域２１を有する。
【００７７】
一例として、図６に示す圧力検知システム１は、インテロゲータ装置１０を備え、該インテロゲータ装置１０は光ビームを生成する手段、反射光を受光する手段、および受光された光の波長（またはスペクトル）を決定する手段を含む。
【００７８】
なお、いくつかの実施の形態では、検知組立体２０は１つの検知領域２１のみを有する。想定し得る一実施の形態では、細長い検知組立体２０は長さが１００ｍ以上、例えば約３００ｍであってもよい。想定し得る一実施の形態では、検知領域２１は相互の距離が１ｍ〜１００ｍ、例えば約２０ｍであってもよい。想定し得る一実施の形態では、検知領域２１の個数は１〜１００、例えば１５であってもよい。
【００７９】
検知組立体２０は、上述の組立体１００、２００、３００、４００のいずれかにより実装されてもよい。それぞれの検知領域２１において、検知組立体２０は、少なくとも１つの検知本体５０とこれに関連付けられた個々のまたは共通のファイバ３０とを備える。検知組立体２０は、一または複数のファイバ３０用の筒状ガイドを備えて操作性を向上させてもよい。
【００８０】
なお、本発明の使用は上述の応用形態に限定されない。一例として、同じまたは適合された設計を用いて動脈または毛細管内で検知を行うことによりインビボで血圧を検査することが可能である。従って、明らかに、本発明は滑らかな外形を狭い輪郭と組合せ、最低限の侵襲で体内での使用を容易にすることができる検知組立体用の設計を提供することに成功している。
【００８１】
当業者に明らかなように、本発明は上述の実施の形態に限定されず、添付の特許請求の範囲において定義されている本発明の保護範囲内でいくつかの変形や改変をなすことが可能である。例えば、２つ以上の機能を単一の存在、部またはプロセッサにより実行するようにしてもよい。ある特長が異なる従属請求項中に記載されている場合でも、本発明はこれらの特長を共通に備える実施の形態にも関するものである。請求項中の符号は、いずれもその請求項の範囲を限定するものではない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
0006409123.tif 000009
【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
0006409123.tif 000011
【図５Ｂ】
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【図６】
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