(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度感知装置であって、この装置は、電磁放射源と、電磁放射源から放出される放射と相互作用する波長選択素子と、波長選択素子からの放射を監視する検知システムとを含んでおり、波長選択素子は、歪みの下で実質的に剛性の基体上に固定的に取り付けられており、かつ低い体積弾性率を有する材料から成る少なくとも１つの追加的なコーティングで覆われ、基体の機械的特性およびコーティングの厚みは、波長選択素子と放射との相互作用および検知システムによって監視された放射の特性が、実質的に圧力に依存しないように選択される温度感知装置。
【請求項２】
波長選択素子が基体中の凹部に配置されている請求項１に記載の温度感知装置。
【請求項３】
波長選択素子が基体内のキャビティに配置されている請求項１に記載の温度感知装置。
【請求項４】
キャビティが圧力密封されており、基体が実質的に非圧縮性である請求項３に記載の温度感知装置。
【請求項５】
キャビティが、高い熱伝導率を有する流体で少なくとも部分的に充満されている請求項３または４に記載された温度感知装置。
【請求項６】
波長選択素子が機械式クランプによって基体に取り付けられている請求項１から５のいずれか一項に記載された温度感知装置。
【請求項７】
波長選択素子は接着材によって基体に取り付けられている請求項１から５のいずれか一項に記載の温度感知装置。
【請求項８】
接着材が、はんだおよびエポキシ樹脂の１つから選択される請求項７に記載の温度感知装置。
【請求項９】
波長選択素子が基体中に埋め込まれている請求項１に記載の温度感知装置。
【請求項１０】
波長選択素子が部分的に基体中に埋め込まれている請求項１に記載の温度感知装置。
【請求項１１】
低い体積弾性率を有する材料が有機ポリマーである請求項１に記載の温度感知装置。
【請求項１２】
ポリマーが、ポリスチレン、Ｒｅｘｏｌｉｔｅ、Ｈｙｔｒｅｌ５５２６、およびポリウレタン３１３０の１つから選択される請求項１１に記載の温度感知装置。
【請求項１３】
２つまたはそれ以上の波長選択素子が圧力依存性をさらに小さくするように配置されている請求項１から１２のいずれか一項に記載の温度感知装置。
【請求項１４】
波長選択素子が、少量のドーパントを含有するシリカから実質的に作られたインファイバ回折格子である請求項１から１３のいずれか一項に記載の温度感知装置。
【請求項１５】
そのドーパントが、ゲルマニア、燐、およびアルミニウムの１つから選択される請求項１４に記載の温度感知装置。
【請求項１６】
基体が金属から成る請求項１から１５のいずれか一項に記載の温度感知装置。
【請求項１７】
金属が錫、鉛、およびアンチモンの１つから選択される請求項１６に記載の温度感知装置。
【請求項１８】
検知システムが光フィルタと光検出器とを含んでいる請求項１から１７のいずれか一項に記載の温度感知装置。
【請求項１９】
検知システムが干渉計インターロゲーションシステムを含んでいる請求項１から１７のいずれか一項に記載の温度感知装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は温度感知装置に関する。より詳細には、本発明は、回折格子および他の波長選択素子を用いる温度感知装置に関する。
【０００２】
ブラッグの回折格子は、温度と圧力と歪みを測定するのに使用されており、特に海洋学的な環境で（Ｓ．Ｗ．Ｊａｍｅｓ他のＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，３２（１２），１９９６およびＪ．Ｊｏｎｅｓ，ＯＦＳ  １２，ｐ．３６−３９，１９９７）温度と圧力と歪みの変化として回折条件の変化を監視する装置に組み込むことにより使用されてきた。代表的な感知装置は、光源と、圧力と温度と非静水圧応力とに依存する方法で入射光を回折する回折格子と、格子によって回折された光を監視する検出器とを含んでいる。
【０００３】
このような装置においては、ブラッグの回折条件の変化は、圧力と温度と非静水圧応力の変化によって起こる。したがって、これらの変化の１つだけの変化によって引き起こされる回折条件の変化を識別するのは困難である。このことは温度感知装置を作ろうとする時の問題であったが、圧力と温度の変化に異なって応答する２つの格子を使用することにより克服されてきた（Ｓ．Ｗ．Ｊａｍｅｓ他のＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，３２（１２），１９９６）。別の解決策は、適切な検知システムを使用することである（Ｊ．Ｊｏｎｅｓ，ＯＦＳ  １２，ｐ．３６−３９，１９９７）。しかしながら、これらの方法は両方とも費用がかかり複雑であるという欠点があった。
【０００４】
本発明による温度感知装置は、電磁放射源と、電磁放射源から放出される放射と相互作用する波長選択素子と、波長選択素子からの放射を監視する検知システムとを含んでおり、波長選択素子が実質的に剛性の基体上に固定的に取り付けられている。
【０００５】
これにより、コスト効率が高く、用途が広く、簡単な温度感知装置を得ることができる。
【０００６】
一実施形態において、波長選択素子と放射の相互作用と検知システムによって監視される放射特性が実質的に圧力に依存しないように、波長選択素子は歪みの下で取り付けられている。
【０００７】
代替構成では、波長選択素子がその取付け点の間で実質的に歪み解放（ｓｔｒａｉｎ  ｒｅｌｉｅｆ）されるように、波長選択素子は剛性の基体に固定的に取り付けられている。
【０００８】
本構成によれば、その応答が波長選択素子の取付け点へ、外部から加えられる応力に依存しない温度感知装置を得ることができる。
【０００９】
波長選択素子は基体中の凹部または基体内のキャビティに配置されてもよく、これにより、素子に物理的な保護が与えられる。キャビティは圧力密封されており、基体は非圧縮性であることが望ましい。したがって、空気で満たされたキャビティは、外部圧力に依存しない、比較的一定の圧力である。
【００１０】
キャビティは少なくとも部分的に高い熱伝導率を有する流体で満たされてもよい。これにより温度感知装置の応答速度が改善される。
【００１１】
望ましい実施形態では、波長選択素子は機械式クランプによって基体に取り付けられている。このシステムは実施するのが容易である。
【００１２】
別法として、波長選択素子をはんだまたはエポキシ樹脂のような接着材によって、基体に取り付ける方法もあり、これにより永久的な強い接着性が与えられ、実行するのも容易である。
【００１３】
波長選択素子が歪みの下で取り付けられる場所では、波長選択素子は基体中に埋め込まれてもよい。これにより素子を物理的および化学的な損傷から守る。
【００１４】
別法として、波長選択素子が歪みの下で取り付けられる時には、波長選択素子が部分的に基体中に埋め込まれてもよい。これにより素子を支持し、かつ素子を基体中へ全面的に埋めるよりは、温度変化に対するより迅速な応答性を得ることができる。
【００１５】
波長選択素子は、低い体積弾性率を有する材料から成る少なくとも１つの追加的なコーティングで覆われていることが望ましい。これは、ファイバが歪みの下で基体に取り付けられるならば、さらに圧力変化に対する感度を小さくする。コーティングは波長選択素子を支持し、物理的な損傷から守る。
【００１６】
低い体積弾性率を持った材料は、ポリスチレン、Ｒｅｘｏｌｉｔｅ、Ｈｙｔｒｅｌ５５２６、およびポリウレタン３１３０のような有機ポリマーであることが望ましい。それらの材料の混合物も使用することができる。これらの材料は安くて付着も容易である。
【００１７】
１つの特定の実施形態として、２つまたはそれ以上の波長選択素子が圧力依存性を小さくするように配置されている。
【００１８】
波長選択素子は、少量のドーパントを含有するシリカから実質的に作られたインファイバ回折格子であることが望ましい。ドーパントはゲルマニア、燐、およびアルミニウムの１つから選択されることが望ましい。ゲルマニアがドープされたファイバは安価で電子光学工業分野で容易に入手することができる。シリカファイバを使うと回折格子構造を光伝達ファイバの一部にすることができる。
【００１９】
基体は金属から成ることが望ましい。金属は、錫、鉛、およびアンチモンの１つから適切に選択される。波長選択素子が歪みの下で基体に取り付けられるならば、これらの材料は、その装置が温度変化に対する高い感度と圧力変化に対する低い感度を有する正しい物理的特性を保有する。
【００２０】
検知システムは光フィルタと光検出器を有することが望ましい。これにより安価で簡単な検出システムを提供できる。
【００２１】
別法として、検知システムは高い感度と迅速な応答性を具備した干渉計インターロゲーションシステムを有する。
【００２２】
本発明による温度感知装置の例を、図面によって説明する。
【００２３】
図１は本発明による温度感知装置のフレームワークの例を示し、広帯域放射源、この場合、高輝度発光ダイオード（ＥＬＥＤ）１と、インファイバ格子構造３を有する単一モードの光学的ファイバ２と、指向性のあるカプラ４と、光フィルタ５と、光検知器６とから成る。インファイバ格子構造３は実質的に剛性の基体（図示されていない）上に固定して取り付けられている。従来の装置では、インファイバ格子構造３は自立（ｆｒｅｅ−ｓｔａｎｄｉｎｇ）しており、すなわち、基体上に固定的に取り付けられてはいない。ＥＬＥＤ１によって発せられた光は、波長１５５０ｎｍでバンド幅４０ｎｍを有し、回折格子上へとファイバ２０と２１を介して伝達される。回折格子３は狭いバンド幅の光をファイバ２１を介して戻し、指向性のあるカプラ４とファイバ２２を通して、光学的フィルタ５の中へと反射する。フィルタ５は光検知器６に伝達された光の強さがフィルタ５の上の入射光の波長に依存するように選択される。反射された光の波長は、式１に示すように、回折格子３の平均屈折率と回折格子３のピッチによって決定される。
【００２４】
【数１】
0004344093.tif 000002
ここで、ｎは回折格子３の平均屈折率である。Λは回折格子３のピッチで、λＢは反射光の波長（すなわち、ブラッグの共振波長）である。
【００２５】
従来のシステムでは、回折格子３のピッチも回折格子３の屈折率も圧力と温度変化に感度を有していたので、光検知器６に伝達された光の強さの変化は、温度と同様圧力の変化にも依存している。
【００２６】
代替例において注目すべきは、温度と圧力の変化を感知するために、反射光の特性よりも、むしろインファイバ回折格子３によって伝達された光の特性を測定することが可能となるということである。
【００２７】
この例においては、回折格子３はゲルマニアでドープされたシリカファイバ２１の中に作られる。ファイバ２１の長さに沿った屈折率の変調（すなわち回折格子構造）は、例えば、高出力のＵＶレーザからの干渉コヒーレントビームによって確立された定常波パターンへファイバ２１を予め曝すことによって達成される。それゆえに、ファイバ２１の一部分は、代表的なピッチとして５００ｎｍのピッチを有する一次元の回折格子３である。
【００２８】
回折格子３への温度と圧力の変化に対するブラッグ共振波長の変化に関する諸式が確立されている。
【００２９】
支えられていない格子構造３（従来の装置におけるように）に対する圧力変化（一定の温度における）に関連づけられた、ブラッグ共振波長の変化は式２で与えられる。
【００３０】
【数２】
0004344093.tif 000003
ここで、εは応力成分を表す。Ｔは温度である。Ｐは圧力であり、ｐはポッケルス係数を表す。初項は軸方向歪みに起因する長さの変化による寄与度であり、第２、第３項はそれぞれ軸方向歪みおよび半径方向歪みのそれぞれによる屈折率の変化によるものである。
【００３１】
支えられていない格子構造３（従来の装置におけるように）に対する温度変化（一定の圧力における）に関連づけられた、ブラッグ共振波長の変化は式３で与えられる。
【００３２】
【数３】
0004344093.tif 000004
ここで、ρは密度である。初項は一定の密度に対する温度変化に起因する屈折率の変化であり、第２、第３、第４項は、それぞれに軸方向歪みによる長さの変化と軸方向歪みによる屈折率の変化と半径方向歪みによる屈折率の変化を示している。初項が一般的に支配的である。
【００３３】
支えられていない格子構造３に対する温度と圧力の変化に対するブラッグ共振波長の感度の測定値は、式２と式３に基づく良く知られた理論モデルを用いて決定された測定値と同程度である。非静水圧応力の変化に対するブラッグ共振波長の変化の理論的な感度に対する値もまた与えられる。この場合、力Ｆはファイバに沿って軸方向に与えられ、ファイバは半径方向に拘束を受けていないと想定する。
【００３４】
【表１】
0004344093.tif 000005
これらのデータは、むき出しの支えられていない回折格子のブラッグ共振波長は、温度と圧力と非流体静力学的な応力の変化に対する極めて高い感度を表すことを示している。むき出しの支えられていない回折格子を用いるこのシステムは、ブラッグ共振波長が温度変化として変化するので、温度感知装置としての使用が提案されてきた。従来のシステムは、回折格子３は圧力と非静水圧応力の変化にも感度を示すので、圧力と加えられる応力に起因するブラッグ共振の変化を説明することなしに、温度感知装置を作ることはできないという事実に悩まされている。
【００３５】
本発明による温度感知装置は、図１に概略示されるようなファイバ構成を使用することによりこの問題を解決することを提言し、この例では、ファイバ２１は歪みの下で実質的に剛性な支持部に取り付けられている。本発明によるファイバ構成の一例は、図２に示されており、インファイバ格子構造８（ファイバ７に示された不連続性がファイバ７の実際の切断を表していないことに注目）を有する単一モードの光ファイバ７と、基体９と、基体９内の凹部１０と、凹部１０と係合する剛直なクランプ１２によって形成される、ファイバ７と基体９との間のアタッチメント１１とを示している。基体９はファイバ７よりも高い剛性を有し、この例では、錫で作られた円筒形のバーである。ファイバ７は基体９の中の長手方向の凹部１０の中に配置され、剛直なクランプ１２を用いて歪みの下で基体９へ取り付けられている。ファイバ７は外部圧力から遮蔽されていない。ファイバ７と基体９の間の剛直なクランプ１２によって作られたアタッチメント１１により、ファイバ７が受ける歪みは基体９の歪みによって決定されることになる。基体９はファイバ７の軸方向歪みを効果的に決定する。基体９の軸方向歪みは次式によって与えられる。
【００３６】
【数４】
0004344093.tif 000006
ここで、εｚ−ｂａｒは基体９の軸方向歪みである。Ｅｂａｒは基体９のヤング率である。νｂａｒは基体９のポアッソン比である。基体９の機械的特性を注意深く選択することにより、ブラッグ共振波長の圧力依存度を顕著に小さくすることができる。グラスファイバについての、Ｅｇｌａｓｓ＝７２ＧＰａ、νｇｌａｓｓ＝０．２３、ｐ１１＝０．１２１とｐ１２＝０．２７０（ここで、Ｅｇｌａｓｓとνｇｌａｓｓはそれぞれガラスのヤング率とポアッソン比）と、錫の基体とを与えると、圧力の変化に対するブラッグ共振波長の予測される感度は、支えられていない回折格子３に対する、―３．６×１０―９ｎｍＰａ―１から、支持された回折格子８に対する、―１．４×１０―９ｎｍＰａ―１へと減少する。小さな凹部１０の存在は、圧力と温度変化に対する予測される感度にほとんど影響しないはずである。最適なパラメータを与えると、本発明ではブラッグ共振波長の変化への総合的な寄与度が小さくなるように、すなわち、温度感知装置が圧力に対して実質的に感度を有さないように、圧力下でのブラッグ回折格子内に誘導される歪みの成分を操作することができる。アタッチメント１１により、その外側にあるファイバ７が受ける非静水圧応力の変化から回折格子８が実質的に絶縁されていることになる。この歪み解放により、この装置によって得られる温度測定値は、アタッチメント１１の外側にあるファイバ７のセクションが受ける非静水圧歪みに実質的に依存しないものとなる。
【００３７】
基体９へのファイバ７の取付けは、温度変化に対する感知装置の応答性を増加させる。温度変化に対するブラッグ共振波長の予測される感度は、基体９が円筒形であると考えられるなら、基体９へのファイバ７の取付けにより２倍に増加する。
【００３８】
凹部１０内へのファイバ７の配置は、損傷を受けないように物理的に保護する一方で、ファイバ７を周囲の状況へ向かって開くことができる、温度変化へ迅速な応答を与える。ファイバ７のアタッチメント１１の長さは可変であり、取付けはいろいろな方法を取り得る。この例では、剛直なのクランプ１２が用いられているが、はんだ付けのような他の取付けの方法やエポキシ樹脂のような接着剤の使用も可能である。
【００３９】
さらなる例として、図３に示すように、本発明による温度感知装置でのファイバ構成は、インファイバ回折格子構造８を有する単一モードの光ファイバ７と、基体９とから成る。基体には凹部はない。ファイバ７は少なくとも部分的に、基体９の中に埋め込まれており、ファイバ７は歪みの下にある。ファイバ７の埋め込みは、ファイバ７を物理的な損傷から守り、かつ支持機構を与える。
【００４０】
さらなる例が図４ａと４ｂに示されている。本発明による温度感知装置でのファイバ構成は、インファイバ回折格子構造８を含む単一モードの光ファイバ７と、基体９と、基体９内の凹部１０と、ファイバ７のコーティング１３と、ファイバ７と基体９との間のアタッチメント１１とから成る。凹部１０はファイバ７を物理的な損傷から守る。ファイバ７は歪みの下で基体９に取り付けられている。基体９はファイバ７の軸方向歪みを決定し、コーティング１３はファイバ７が受ける半径方向歪みを効果的に決定する。コーティング１３の追加は、そのままのファイバ７によるよりも圧力変化へのより大きな不感性を引き起こす。コーティング１３は金属のようなハードコーティングか有機ポリマーのようなソフトコーティングでよい。例えば、ポリウレタンのコーティング１３が、蒸着処理によって付着される。図５は圧力変化へのブラッグ共振波長の予測される感度がいかにコーティング１３の厚さの変化によって修正されるかを示している。基体９は錫であり、コーティング１３は柔らかい有機性のポリマーの代表的な特性を持っている（ヤング率０．３ＧＰａ  ポアッソン比０．３）。コーティング直径比は式５で決定される。
【００４１】
【数５】
0004344093.tif 000007
基体に取り付けられていないむき出しのファイバの予測される圧力感度は、３．６×１０−９ｎｍＰａ−１である。図５はコーティング直径比に対する圧力変化への予測される感度を示す（ファイバの直径とファイバの直径へのコーティングの比）。これはファイバ７へのコーティング１３の追加が、温度感知装置の圧力感度を小さくすることを示している。コーティング１３の厚さは、典型的には７０ミクロンであるが、圧力変化への感度を最小化するために変えることができる。このことは基体９の機械的特性に不確実なものがある場合には重要である。逆に、コーティング１３の厚さの大きな誤差が、圧力に対する感度に及ぼす影響がほとんどないように、基体９の機械的特性を選択することが可能である。
【００４２】
本発明による温度感知装置でのファイバ構成の別の例が、図６に示されている。このファイバ構成は、インファイバ回折格子構造８を組み込んだ単一モードの光ファイバ７と、基体９と、基体９内の凹部１０と、基体９とファイバ７との間のアタッチメント１１とから成る。ファイバ７は基体９内の凹部１０に配置されている。この場合、アタッチメント１１はエポキシ樹脂接着剤を用いて提供されている。基体９は鋼であり、凹部１０はファイバ７を物理的な損傷から保護するように設計されている。アタッチメント１１の間のファイバ７のセクションの長さは、アタッチメント１１の間の距離よりも充分に大きいので、温度、圧力および加えられる（非静水圧）応力の変化に起因する基体９の寸法の変化が、回折格子構造８を有するファイバ７のセクションに加えられる歪みを引き起こすことはない。ファイバ７はアタッチメント１１の間で歪み解放されている。したがって、アタッチメント１１の外側にあるファイバ７へ力を加えることにより、回折格子構造８に歪みを生じさせることはない。したがって、この非常に簡単なファイバの使用法により、加えられる（非静水圧）応力に実質的に依存しない温度感知装置を作ることができる。アタッチメント１１ははんだ付けまたはクランプを用いて容易にされる。基体９は、金属や剛性のプラスチックのような他のいかなる剛性材を用いても作ることもできる。
【００４３】
本発明による温度感知装置に用いることができるファイバ構成のさらなる例は、図７に示されている。このファイバ構成は、インファイバ回折格子構造８を含む単一モードの光ファイバ７と、基体９と、ファイバ７と環状円筒形の基体９との間のアタッチメント１１と、基体９内のキャビティ１４とから成る。ファイバ７は基体９に取り付けられており、基板９はこの場合は鋼管である。アタッチメント１１としてエポキシ樹脂の２つのプラグを用いている。回折格子構造８を含むファイバ７のセクションは歪み下にはなく、アタッチメント１１はその間にあるファイバ７のセクションに対して歪み解放を与えている。基体９の管状の構造は、ファイバ７を物理的な損傷から保護している。このようなファイバ構成により、加えられた歪みに実質的に依存しない温度感知装置が得られる。この場合、キャビティ１４は空気で充満されている。
【００４４】
基体９とアタッチメント１１は、基体９内のキャビティ１４が外部環境から圧力密封されるように配置されている。基体とアタッチメントのアンサンブルは実質的に非圧縮性になるように設計されている。キャビティ１４が圧力密封され、空気で満たされており、基体とアタッチメントのアンサンブルが実質的に非圧縮性であるので、回折格子構造８はキャビティ１４が満たされた圧力を受けるのみである。したがって、そのようなファイバ構成を使用した温度感知装置の応答は、実質的に圧力に依存せず、ファイバ７または基体９に加えられる非静水圧応力の影響も受けない。
【００４５】
キャビティ１４が空気または非熱伝導性の材料によって満たされているならば、装置の熱的な応答は遅くなるはずである。キャビティ１４が熱伝導性のヒートシンクコンパウンドのような流体によって満たされているならば、基体９が熱伝導性の材料で作られている限り、装置の熱的な応答は迅速になるはずである。しかしながら、キャビティ１４が実質的に非圧縮性である材料で完全に満たされているなら、静水圧によって、基体９とアタッチメント１１に加えられる力は、ファイバ７へ伝達され、ファイバ７の応答は圧力に対してもはや実質的に不感性ではなくなる。この問題は、キャビティ１４を熱伝導性のコンパウンドで部分的に満たし、キャビティ１４の中に空気用のスペースを残すことによりはるかに小さくなる。これにより、圧力への応答がはるかに小さくなることになる。回折格子構造８を熱伝導性の流体の中へ浸漬すれば、温度に対する応答が迅速になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による温度感知装置のフレームワークを示す概略図である。
【図２】  本発明による温度感知装置のファイバ構成の例を示す斜視図である。
【図３】  本発明による温度感知装置のファイバ構成の第２の例を示す斜視図である。
【図４ａ】  本発明による温度感知装置のファイバ構成の第３の例を示す斜視図である。
【図４ｂ】  図４ａのファイバ端末の分解図である。
【図５】  図４ａのファイバを使用した時の塗布する直径の比に対する圧力変化への予測感度を示すグラフである。
【図６】  本発明による温度感知装置のファイバ構成の第４の例を示す斜視図である。
【図７】  本発明による温度感知装置のファイバ構成の第５の例を示す斜視図である。
【図１】
0004344093.tif 000008
【図２】
0004344093.tif 000009
【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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