光センサ向けの自己較正式問合わせシステム
【課題】光センサ向けの自己較正式問合わせシステムを提供すること。
【解決手段】光学式圧力センサ問合わせシステム（４０）を提供する。本システムは、光学式圧力センサ（４２）に光信号（４６）を提供するための光源（４４）と、光学式圧力センサ（４２）から反射された信号（５０）を受け取るための光結合器（５４）と、を含む。光結合器（５４）は、反射された信号（５０）を分割し、かつ反射信号（５０）の第１の部分（５６）を第１の光検出器（６０）に提供している。本システムはさらに、反射信号（５０）の第２の部分（５８）を受け取りかつフィルタ処理済み信号（６８）を第２の光検出器（６２）に提供するためのフィルタ（６４）と、第１及び第２の光検出器出力信号の光強度同士の除算又は減算に基づいて圧力を取得するように構成された処理回路（７０）と、を含む。処理回路（７０）はさらに、光信号の波長を制御するために光源に対してフィードバック信号を提供するように構成される。
【解決手段】光学式圧力センサ問合わせシステム（４０）を提供する。本システムは、光学式圧力センサ（４２）に光信号（４６）を提供するための光源（４４）と、光学式圧力センサ（４２）から反射された信号（５０）を受け取るための光結合器（５４）と、を含む。光結合器（５４）は、反射された信号（５０）を分割し、かつ反射信号（５０）の第１の部分（５６）を第１の光検出器（６０）に提供している。本システムはさらに、反射信号（５０）の第２の部分（５８）を受け取りかつフィルタ処理済み信号（６８）を第２の光検出器（６２）に提供するためのフィルタ（６４）と、第１及び第２の光検出器出力信号の光強度同士の除算又は減算に基づいて圧力を取得するように構成された処理回路（７０）と、を含む。処理回路（７０）はさらに、光信号の波長を制御するために光源に対してフィードバック信号を提供するように構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は全般的には光センサに関し、またさらに詳細には広いバンド幅レンジにわたって高温で静圧及び動圧を計測するためのファブリ・ペロー型光学式圧力センサに関する問合わせ（interrogation）方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧力センサは工業用途及び民生用途の広い範囲で使用されている。ブルドン管型圧力センサ、ダイアフラム式圧力センサ及びシリコン又はＳＯＩ（silicon on insulator）式ピエゾ抵抗圧力センサなど様々なタイプの圧力センサを用いて、大きさが多様に異なる圧力を計測することができる。ダイアフラム式圧力センサの幾つかの変形形態は、カンチレバー式圧力センサ、光学読み取り式圧力センサなどによって様々な範囲の圧力の計測に利用されてきた。
【０００３】
ファブリ・ペローキャビティを利用した光ファイバセンサはその高い感度のゆえに、温度、歪み、圧力及び変位の計測にとって魅力的であることが実証されている。従来の電気式センサに対する光ファイバセンサの利点の幾つかには、電磁気的干渉（ＥＭＩ）に対する耐性、過酷な環境に対する抵抗性、形状因子（form factor）の低減、並びに多重化の可能性が含まれる。
【０００４】
幾つかの例ではファブリ・ペローキャビティは圧力を受けて屈曲するダイアフラムによって形成される。このキャビティは可視光源又は赤外光源によって照射されており、この光は様々な量でダイアフラムによる反射及びダイアフラムの透過の両方を生じる。この光が光源に向かって戻るように反射されると、この光がファブリ・ペローキャビティの長さに関する入射ビーム特性とで強め合うかつ／又は弱め合う干渉が生じる。加えられる圧力、力、応力又は歪みなど計測しようとする量（本明細書では、計測量と呼ぶ）の結果としてダイアフラムが屈曲したとき、ファブリ・ペローキャビティの長さが変化するためにその干渉挙動が変化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／０１０６７４５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ダイアフラム屈曲を使用可能な線形出力に変換する際の主要な問題点としては、センサ自体のゆらぎ以外のあらゆるゆらぎにシステムが影響されないようにしながら受信器におけるノイズを克服するように適当な光信号レベルを維持することを含む。典型的なゆらぎには、問合わせ用光源の強度ゆらぎ、光学経路内部にある機械的ゆらぎ、システム内の温度誘導性ゆらぎが含まれる可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の例示的な一実施形態では、光学式圧力センサ問合わせシステムを提供する。本システムは、光学式圧力センサに光信号を提供するための光源と、該光学式圧力センサから反射された信号を受け取るための光結合器と、を含む。この光結合器はさらに、反射された信号を分割し、この反射信号の第１の部分を第１の光検出器に提供する。本システムはさらに、反射信号の第２の部分信号を受け取りフィルタ処理した信号を第２の光検出器に提供するためのフィルタと、第１及び第２の光検出器出力信号の光強度に関する除算又は減算に基づいて圧力を取得するように構成された処理回路と、を含む。この処理回路はさらに、光信号の波長を制御するために光源に対してフィードバック信号を提供するように構成される。
【０００８】
本発明の別の例示的実施形態では、別の光学式圧力センサ問合わせシステムを提供する。本システムは、光学式圧力センサに光信号を提供するための光源と、該光学式圧力センサから反射された信号を受け取るための光結合器と、を含む。この光結合器はさらに、反射された信号を分割すると共に、反射信号の第１の部分を高域通過フィルタに提供しかつ反射信号の第２の部分を低域通過フィルタに提供する。本システムはさらに、高域通過フィルタから第１のフィルタ処理済み信号を受け取りフィルタ処理済み信号を第２の光検出器に提供するための第１の光検出器と、低域通過フィルタから第２のフィルタ処理済み信号を受け取るための第２の光検出器と、該第１及び第２の光検出器出力信号の光強度同士の関係に基づいて圧力を取得するように構成された処理回路と、を含む。
【０００９】
本発明の例示的な一実施形態では、光学式圧力センサ問合わせシステムを提供する。本システムは、光学式圧力センサに光信号を提供するための光源と、該光学式圧力センサから反射された信号を受け取るための３ポートフィルタと、を含む。この光結合器はさらに、反射された信号を分割しこの反射信号の低域通過フィルタ処理済み信号を第１の光検出器に提供する。本システムはさらに、３ポートフィルタから反射信号の高域通過フィルタ処理済み信号を受け取るための第２の光検出器と、該第１及び第２の光検出器出力信号の光強度同士の関係に基づいて圧力を取得するように構成された処理回路と、を含む。
【００１０】
本発明の別の例示的実施形態では、光学式圧力センサ問合わせシステムを提供する。本システムは、第１の光信号及び第２の光信号を提供するための第１の光源及び第２の光源と、該第１及び第２の光信号を受け取りかつ光学式圧力センサに結合させた信号を提供するための第１の光結合器と、を含む。本システムはさらに、該光学式圧力センサから反射された信号を受け取り、該反射信号を分割し、該反射信号の第１の部分を第１の光検出器に提供しかつ該反射信号の第２の部分を第２の光検出器に提供するための第２の光結合器を含む。本システムはさらに、該第１及び第２の光検出器出力信号の光強度同士の関係に基づいて圧力を取得するように構成された処理回路を含む。この処理回路はさらに、第１及び第２の光信号の波長を制御するために第１及び第２の光源にフィードバック信号を提供するように構成される。
【００１１】
本発明のさらに別の例示的実施形態では、光学式圧力センサを問合わせる方法を提供する。本方法は、光学式圧力センサに光信号を提供する工程と、該光学式圧力センサから反射された信号を第１の信号と第２の信号に分割する工程と、を含む。本方法はさらに、第１及び第２の光検出器出力信号の光強度同士の減算に基づいて圧力を取得するためにフィルタ処理した第１の信号と第２の信号とを解析する工程を含む。
【００１２】
本発明に関するこれらの特徴、態様及び利点、並びにその他の特徴、態様及び利点については、同じ参照符号が図面全体を通じて同じ部分を表している添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによってより理解が深まるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態による外部型ファブリ・ペロー干渉計型の圧力センサシステムを表した概要図である。
【図２】本発明の一実施形態による圧力センサの問合わせシステムを表した概要図である。
【図３】未フィルタ処理信号、フィルタ処理済み信号、並びにフィルタ処理済み信号に対する未フィルタ処理信号の比を表したグラフである。
【図４】本発明の一実施形態による２つのフィルタを利用する問合わせシステムを表した概要図である。
【図５】ＬＥＤスペクトルを表したグラフである。
【図６】本発明の一実施形態による３ポートフィルタを利用する問合わせシステムを表した概要図である。
【図７】低域通過フィルタ処理済み信号、高域通過フィルタ処理済み信号、並びに高域通過フィルタ処理済み信号に対する低域通過処理済み信号の比を表したグラフである。
【図８】本発明の一実施形態による２つの光源を利用する問合わせシステムを表した概要図である。
【図９】２つの光信号の反射並びにこれら２つの反射の比を表したグラフである。
【図１０】本発明の一実施形態による光源波長制御を利用する問合わせシステムを表した概要図である。
【図１１】本発明の一実施形態による別の光源波長制御システムを表した概要図である。
【図１２】本発明の一実施形態による圧力センサの問合わせに関する各工程を表した流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本明細書において詳細に検討するように、本発明の実施形態は、外部型ファブリ・ペロー干渉計（ＥＦＰＩ）の原理に基づいた高温光センサ向けの問合わせ方法を含む。
【００１５】
一実施形態におけるこれに対処するための方式は同相モード（common-mode）システムノイズを減算除去するような差分式技法を使用することである。ＬＥＤなどの光源や薄膜フィルタなどの構成要素が低コストで利用可能であるため、周波数（又は、波長）領域における差分式技法は特に魅力的である。この領域ではその膜の動きが、圧力と共にその波長応答が変動するような可変の光学フィルタのようにそのセンサを振る舞わせる。適当な低コストの問合わせ器アーキテクチャは、この応答を線形振幅応答に変換することが可能である。
【００１６】
図１はＥＦＰＩ式圧力センサ１０の斜視図である。光ファイバ１２はフェルール１４の内部で固定される。光ファイバ−フェルール構造の一方の側面１６は、標準のファイバ研磨処理を用いて磨かれる。この研磨によって、サブストレート２０を装着するための平らな表面が保証される。この光ファイバ−フェルール構造を外側金属ケーシング１８が囲繞している。ダイアフラムの役割をするサブストレート２０は、キャビティギャップ内に真空をトラップするように真空接合（vacuum bonding）処理を通じて光ファイバ−フェルール構造の表面１６に取り付けられる。一実施形態ではその真空接合処理には、レーザー融解処理や表面活性化接合処理が含まれる。一実施形態ではそのサブストレート２０に使用する材料は、シリコン、ガラス、石英、又はサファイアを含む。ファブリ・ペローキャビティ２４がサブストレート２０内に規定されており、これがさらにダイアフラムの外径を規定している。一実施形態では、サブストレート２０のうちファブリ・ペローキャビティの半分を規定している内側表面は反射性の薄い金属薄膜（図示せず）でコーティングされることがある。一実施形態ではその金属薄膜に使用する材料は、白金、金、チタン、クロム、銀あるいは高温対応の別の任意の金属を含む。
【００１７】
ファイバ１２の中に入射光信号２６を通過させ、これがキャビティギャップ２４を通ってサブストレート２０に伝えられる。一実施形態では、その光信号を発光ダイオード（ＬＥＤ）によって発生させることがある。光信号２６はサブストレート２０で反射され、反射信号２８としてファイバ１２内に戻される。図１の矢印の方向で光の伝播を示している。反射された光は光検出器（図示せず）によって検出され、この光検出器においてキャビティギャップ２４の距離計測値を生成するように信号が復調される。キャビティギャップ２４はダイアフラムの上に加えられた圧力によって変化するため、当該距離に関する復調信号によって圧力が決定される。
【００１８】
図２は、図１に示した圧力センサなどの圧力センサ４２に関する問合わせシステム４０の全体を表した概要図である。発光ダイオード（ＬＥＤ）４４によって光信号４６を発生させると共に、この光信号４６を光ファイバ４８によって光結合器４７に送っている。光結合器４７はそのビームをセンサ４２に送る。一実施形態ではそのＬＥＤの中心波長は１５５０ｎｍである。光学式圧力センサ４２から反射された信号５０は、光学式問合わせ器検出器システム５２に対してその信号を分割している光結合器４７を通って戻される。検出器回路５２は、反射信号５０を２つの等しい信号（第１の信号５６と第２の信号５８）に分割している光結合器５４を含む。第１の信号５６はブロードバンド信号を検出する第１の光検出器６０に直接渡される。第２の信号５８はナローバンドフィルタ６４を通り、ナローバンド信号を検出する第２の光検出器６２に渡される。一実施形態ではその光検出器６２及び６０はフォトダイオードである。光検出器６０及び６２の出力信号６６及び６８は次いで、圧力信号を出力するように処理回路７０によって解析される。処理回路６４は、プロセッサ、メモリ、及び付属の回路（例えば、コンピュータシステム）を含むことがある。
【００１９】
センサ４２が３つの材料からなるスタックで構成されると仮定すると、その反射率はセンサ４２からの波長λの関数として次式で与えられる。
【００２０】
【数１】
【００２１】
その光源が離散的な波長（レーザーなど）になく連続した波長を成す（ＬＥＤやＳＬＥＤなど）ような実施形態では、センサ４２から出力される光強度Ｉは次式で与えられる。
【００２２】
【数２】
【００２３】
式中、Ｇ（λ）は光源のスペクトル出力密度分布であり、ｆ（λ）は受信器内のインラインフィルタの応答である。光検出器と一緒に使用されるフィルタが存在しないような場合には、その第１の信号５６は「ブロードバンド」信号であると共に、ｆ（λ）＝１である。他方、光検出器６２の波長応答を狭めるためにスペクトルフィルタ６４が使用される場合には、その第２の信号５８は「ナローバンド」信号となる。上記の式において、スペクトル出力密度分布Ｇ（λ）は概ね次式で与えられる。
【００２４】
【数３】
【００２５】
式中、λ0はＬＥＤの中心波長である。ブロードバンド問合わせの場合には、応答の縞構造は、ギャップが大きくなるに連れて消失する、すなわち「ウォッシュアウト（wash out）される」傾向がある。縞が消失する箇所であるギャップは、光源のバンド幅に依存するが、可視光や近赤外光の典型的なＬＥＤでは、応答の縞構造を有意にウォッシュアウトさせるには約１０〜１５の縞からなるギャップで十分となり得る。
【００２６】
ブロードバンド問合わせのレファレンスとしての使用に基づく典型的なファブリ・ペローセンサは、縞応答を「ウォッシュアウト」させるのに十分な大きさのキャビティ深度を利用している。しかし本考案の一実施形態ではそのセンサは、その深度が５縞未満など非常に小さいキャビティギャップで動作するように設計することができる。別の実施形態のセンサは深度が３縞未満で動作しており、またさらに別の実施形態のセンサは深度が２縞未満で動作している。一例ではそのセンサ素子上のギャップは、強度−キャビティ深度曲線上でその素子を動作させる位置を正確に制御する目的でギャップの厚さを正確に制御するために半導体処理技法によってウェハ規模で製作される。ギャップを小さくする程、それだけキャビティ深度の絶対誤差が小さくなりかつ強度対ギャップの伝達関数上での位置の不確定度が小さくなる。キャビティギャップに関するこの正確な「デッドレコニング（dead reckoning）」によって、極めて望ましくない製作後のトリミングやチューニングを回避することができる。
【００２７】
一実施形態では、検出器回路５２のナローバンド信号から出力される光強度（強度Ｉ1を生成）とブロードバンド信号から出力される光強度（光強度Ｉ2を生成）との比を用いて圧力を取得すると共に同相モード信号の変動を排除している。こうした同相モード信号変動は、光源、光ファイバあるいは光結合器における光信号パワー変動の変化に由来して生じることがあることに留意すべきである。別の実施形態では、ナローバンド信号とブロードバンド信号の光強度を互いに差し引きして圧力を取得すると共に、同相モード信号変動を排除している。 図３は、図２の光検出器６０及び６２のそれぞれからの未フィルタ処理信号及びフィルタ処理済み信号、並びにこれら２つの信号の比をセンサ４２内のキャビティギャップに対して表したグラフ８０である。水平軸８２はマイクロメートルを単位としたキャビティギャップを表しており、また垂直軸８４は任意単位の光強度を表している。曲線８６は図２の未フィルタ処理ブロードバンド光信号５６の実際のプロットであり、また曲線８８は図２のフィルタ処理済みナローバンド光信号５８のプロットである。曲線９０は２つの検出信号８６及び８８の比のプロットである。図２に示した一実施形態では、８５０ｎｍのＬＥＤ中心波長においてセンサは１．８マイクロメートルのキャビティギャップを有すると共に、動作スロープ９１で示したようにキャビティギャップ又はダイアフラム屈曲が１４０ｎｍだけ変化すると比の曲線９０が４単位だけ変化することになる。この比曲線９０は圧力を計測するように較正される。ブロードバンド信号８６はこの種のセンサで使用されるのが典型的な「ウォッシュアウトされた」状態に到達しておらず、またこれがセンサの応答を増幅する役割をしていることが確認できよう。
【００２８】
図２の光結合器５４からの２つの信号５６及び５８は同じ光源４４からのものであり、同じ送出経路を経ている。したがってこれらは、光源のパワーゆらぎやファイバ損失などの影響による変動が同じである。光検出器６０と６２からの出力の比（すなわち、ナローバンド対ブロードバンドの比）は、ファブリ・ペローキャビティ長さだけの関数となり、これによりこうした同相モードの誤差源が最終的な計測結果から排除される。
【００２９】
図４は、２つのフィルタを利用した問合わせシステム１００の別の実施形態を表した概要図である。問合わせ検出器システム１００は図２の問合わせシステム４０と同様であるが、その２つの分割信号５６及び５８は光検出器６０及び６２により取り込まれる前にフィルタ１０２及び１０４によりフィルタ処理を受けている。一実施形態ではそのフィルタ１０２及び１０４は、ＬＥＤのピーク波長の両側で概ね対称な波長上にその中心が来ている。別の実施形態ではそのフィルタ１０２及び１０４はそれぞれ高域通過フィルタと低域通過フィルタである。
【００３０】
図５は、図４で使用したＬＥＤ４４のスペクトルを表したＬＥＤスペクトルのグラフ１１０である。水平軸１１２はＬＥＤの波長を表しており、また垂直軸１１４はＬＥＤの相対光強度を表している。曲線１１６はＬＥＤスペクトルのプロットである。この実施形態のＬＥＤは中心波長８５０ｎｍを有する。しかし、１５５０及び１３１０ｎｍなど別の中心波長を有するＬＥＤも本発明の趣旨域内にある。上で検討したように、図４の２つのフィルタ１０２及び１０４はＬＥＤのピーク波長の両側の波長にその中心が来ている。この実施形態ではそのピーク波長又は中心波長は、基準ラベル１１８で示した８５０ｎｍである。したがって、フィルタ１０２は基準ラベル１２０で示した８００ｎｍの位置に設定されかつフィルタ１０４は基準ラベル１２２で示した９００ｎｍの位置に設定される。
【００３１】
図６は、本システムの一実施形態による３ポートフィルタ１３２を利用した問合わせシステム１３０を表した概要図である。問合わせシステム１３０は図２の問合わせシステム４０と同様である。しかし、反射された信号５０は光結合器ではなく３ポートフィルタ１３２を通過させる。３ポートフィルタ１３２は、上の実施形態で示した分割動作とフィルタ処理動作を組み合わせたものである。３ポートフィルタの一実施形態では、入力ポートによってブロードバンド光が単一の薄膜フィルタ素子と結合される。この薄膜フィルタ素子は、低波長エネルギーは通過させかつ高波長エネルギーは反射させる。通過及び反射させたエネルギーはフィルタの２つの出力ポートに結合させている。別の実施形態ではそのフィルタ素子は、１つのブロードバンド入力と低波長及び高波長エネルギー用の２つの別々の出力とを有する融合型（fused）のファイバ波長選択結合器である。この３ポートフィルタは信号５０を分割し、低域通過フィルタ処理済み信号１３４及び高域通過フィルタ処理済み信号１３６を出力する。３ポートフィルタを使用する利点は、これにより図２及び図４の構成と比較して必要とする構成要素の数を少なくできることである。存在する構成要素の数が少ないため、信号に対して（また結果として、圧力計測値に対して）ノイズを付加するような損失変動の機会が少なくなる。この構成の別の利点は、以前の構成と比較してさらに大きなギャップ距離にわたって応答が線形であること、並びにセンサの必要とする製作許容差が極端に精細ではなくてよいことである。
【００３２】
図７は、図４の光検出器６０及び６２のそれぞれからの低域通過フィルタ処理済み信号及び高域通過フィルタ処理済み信号、並びにこれら２つの信号の比をセンサ４２内のキャビティギャップに対して表したグラフ１４０である。水平軸１４１はマイクロメートルを単位としたキャビティギャップを表しており、また垂直軸１４２は任意単位の光強度を表している。曲線１４４は図４の低域通過フィルタ処理済み光信号５６のプロットであり、また曲線１４５は図４の高域通過フィルタ処理済み光信号５８のプロットである。曲線１４６は２つの検出信号１４４及び１４５の比のプロットである。図７から確認できるように、図３のプロットと比較してこのプロットの動作スロープ領域１４８はより広くかつより線形性がよい。このことは、図７ではその動作波長が図３の８００ｎｍから１３００ｎｍに上昇していること、またさらに図７のデュアルフィルタ処理方式では図３の単一フィルタ（すなわち、「ブロードバンド／ナローバンド」）方式と比較してより広くかつより線形性がよい曲線が生成されることに由来する。概ね１３００ｎｍで動作するように設計された図７に示した一実施形態では、そのセンサは１．６マイクロメートルの公称キャビティギャップを有すると共に、キャビティギャップ又はダイアフラム屈曲の４００ｎｍ変化によって比曲線１４６が０．４単位だけ変化する。その比曲線が線形に維持されるようなギャップが大きくなることによってキャビティを製造する際の許容差を緩和させることができることは当業者であれば理解されよう。例えば、その用途で要求される膜のフルスケールの屈曲が９０ｎｍであると仮定してみる。中心波長が８５０ｎｍでありかつキャビティギャップが１．８マイクロメートルであるような図３の設計では、キャビティ深度に関するその製造許容差（比曲線の線形部分の中央の両側に対称に誤差バランスが配置されると仮定）は約±１５ｎｍであった。波長が１３００ｎｍでありかつキャビティギャップが１．６マイクロメートルであるような図７の設計では、その製作許容差を約±８５ｎｍまで大きくし、要求される製作精度を５倍をやや超える率だけ低減させることができる。
【００３３】
本明細書に記載した波長値、キャビティ深度値及び縞値は例示を目的としたものであり、別の波長値、キャビティ深度値及び縞値も本センサの趣旨域内にあることに留意すべきである。さらに、処理対象の縞をどれにするかの選択は、製作許容差、比曲線のピーク対谷の深度、並びにその検出システムの所望の信号対雑音比の関数である。一実施形態では、第２又は第３の縞が典型的にはトレードオフ解析に好都合となることがある。この縞の選択はまた、図３、図７又は図９に示した選択を含め、問合わせに関してどんな方法又は波長を選択するかに大きく依存しない。
【００３４】
図８は、本システムの一実施形態による２つの光源を利用する問合わせ検出器システム１６０を表した概要図である。問合わせ検出器システム１６０は２種類の中心波長をもつ２つのＬＥＤ１６２及び１６４を含む。光結合器１６６は、この２つのＬＥＤからの２つの光信号１６８及び１７０を合成し、合成又は結合された光信号１７２を光ファイバ４８を通してセンサ４２に送っている。一実施形態ではそのＬＥＤは１３１０ｎｍと１５５０ｎｍの中心波長を有する。別々の光源１６２、１６４を用いることによって、キャビティ深度に対する感度を最適化させるような波長を選択することが可能である。間隔を広く隔てた波長を用いることによって、計測の感度が増大する。システム１６０は、低コストかつ仕様保証で大量に製作できる遠距離通信対応のレーザー又はＬＥＤ光源や入手が容易なインラインファイバ式ＷＤＭ結合器などのより低コストの構成要素を利用している。システム１６０の利点の１つは、波長の分離幅が広く、これにより精細な線源波長の選択が柔軟にできることである。
【００３５】
図９は、図８の２つの光信号１６８及び１７０の反射並びに２つの反射の比を、センサ４２内のキャビティギャップに対して表したグラフ１８０である。水平軸１８１はマイクロメートルを単位としたキャビティギャップを表しており、また垂直軸１８２は任意単位の光強度を表している。曲線１８４は図８の光信号１６８の反射のプロットであり、また曲線１８５は図８の光信号１７０の反射のプロットである。曲線１８６は２つの反射信号１８４及び１８５の比のプロットである。図９から確認できるように、このプロットの動作スロープ領域１８８は図７の動作スロープ領域１４８と同様、すなわちより線形性がよくかつより幅広である。したがってこの実施形態ではさらに、キャビティ製造に関する許容差を緩和させることができる。別の実施形態では、同相モード光変動の影響を最小化するために、光源に対する閉ループ制御を使用することがある。
【００３６】
図１０は、本発明の一実施形態による光源波長制御を利用する問合わせ検出器システム２００を表した概要図である。一実施形態では、圧力変動だけを計測する（かつ、定常状態圧力を計測しない）場合、２つのフォトダイオード６０、６２により計測される定常状態光パワーを用いて光源４４の波長を安定化させることがある。線源波長は典型的には、処理回路７０からのフィードバック信号に基づいて線源電流及び／又は線源温度を調節することによって制御される。図８に示した実施形態では、２つのフォトダイオード６０、６２により計測されるパワーはそれぞれ、信号減結合器２０２及び２０４によってＡＣ及びＤＣ信号に減結合される。ＡＣ信号は、上述したように圧力変動の決定に使用される。ＤＣ信号は、光源４４に対するフィードバック信号を作成するために処理回路７０によって使用される。処理回路は、２つのフォトダイオード６０、６２により計測されるＤＣエネルギー比が一定に保たれるようにフィードバック信号を発生させている。ＤＣエネルギー比を一定に保つことによって、フィルタの遮断波長及び光源中心波長のドリフトを完全に補償することができる。さらに本システム及び処理によれば、光源に対する単独の波長又は温度制御器が不要であり、これにより線源電子回路の複雑性が大幅に軽減される。上述した光源波長制御スキームはまた、２つの光源１６２及び１６４の波長又はパワーを制御するために図８の２光源構成でも利用できることに留意すべきである。
【００３７】
図１１は、本発明の一実施形態による別の光源波長制御システム２１０を表した概要図である。システム２１０は２つの光源を利用する図８のシステム１６０と同様である。しかしこの構成では、光結合器１６６の出力信号１７２を別の光結合器２１２によって２つの等しい信号２１６及び２１４に分割している。次いで信号２１６は、図８の構成の場合と同様に圧力計測のためにセンサ４２に送られる。しかし信号２１４は、基準信号として処理回路２１８に送られ、２つの光源１６２及び１６４の光源波長及び／又は光源パワーの安定化のために使用される。これにより検知機能が安定化／制御機能から分離される。一実施形態では、２つの処理回路２１８及び７０を１つの処理回路に合成させることがある。当業者であれば同様のスキームを図２、４及び６の単一光源構成の場合に用いることができることを理解されよう。しかしこれらの構成では、必ずしも光結合器１６６を必要としないことがある。光源の波長又はパワーを制御する同様の別のスキームも本問合わせシステムの趣旨域内にあることに留意すべきである。
【００３８】
図１２は、圧力センサに対する問合わせの工程を表した流れ図２２０である。工程２２２では圧力センサのファブリ・ペローキャビティギャップに単一又は複数の光信号が提供される。一実施形態ではその光信号は、ＬＥＤなどの光源によって提供され光ファイバを通してキャビティギャップに送られることがある。工程２２４では、キャビティギャップから反射された信号が光結合器によって受け取られる。圧力センサ内のキャビティギャップは石英サブストレート製のダイアフラムによって形成される。このダイアフラムは加えられた圧力に応答し、キャビティギャップ距離に変化を生じさせる。キャビティギャップからの反射信号は、キャビティギャップ距離の変化に従って変化する。工程２２６では、光結合器が反射信号を２つの部分（すなわち、第１の信号と第２の信号）に分割する。その信号は、工程２２８において任意選択でフィルタ処理されることがある。次いで、得られた信号を解析しファブリ・ペローキャビティ内の屈曲が、したがって圧力２３０が決定される。一実施形態では、２つの信号に関する光強度の比をとることによって圧力が決定される。別の実施形態では、２つの信号の強度の差し引きによって圧力が決定される。
【００３９】
本発明のある種の特徴についてのみ本明細書において図示し説明してきたが、当業者によって多くの修正や変更がなされるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲が本発明の真の精神の範囲に属するこうした修正や変更のすべてを包含させるように意図したものであることを理解されたい。
【技術分野】
【０００１】
本発明は全般的には光センサに関し、またさらに詳細には広いバンド幅レンジにわたって高温で静圧及び動圧を計測するためのファブリ・ペロー型光学式圧力センサに関する問合わせ（interrogation）方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧力センサは工業用途及び民生用途の広い範囲で使用されている。ブルドン管型圧力センサ、ダイアフラム式圧力センサ及びシリコン又はＳＯＩ（silicon on insulator）式ピエゾ抵抗圧力センサなど様々なタイプの圧力センサを用いて、大きさが多様に異なる圧力を計測することができる。ダイアフラム式圧力センサの幾つかの変形形態は、カンチレバー式圧力センサ、光学読み取り式圧力センサなどによって様々な範囲の圧力の計測に利用されてきた。
【０００３】
ファブリ・ペローキャビティを利用した光ファイバセンサはその高い感度のゆえに、温度、歪み、圧力及び変位の計測にとって魅力的であることが実証されている。従来の電気式センサに対する光ファイバセンサの利点の幾つかには、電磁気的干渉（ＥＭＩ）に対する耐性、過酷な環境に対する抵抗性、形状因子（form factor）の低減、並びに多重化の可能性が含まれる。
【０００４】
幾つかの例ではファブリ・ペローキャビティは圧力を受けて屈曲するダイアフラムによって形成される。このキャビティは可視光源又は赤外光源によって照射されており、この光は様々な量でダイアフラムによる反射及びダイアフラムの透過の両方を生じる。この光が光源に向かって戻るように反射されると、この光がファブリ・ペローキャビティの長さに関する入射ビーム特性とで強め合うかつ／又は弱め合う干渉が生じる。加えられる圧力、力、応力又は歪みなど計測しようとする量（本明細書では、計測量と呼ぶ）の結果としてダイアフラムが屈曲したとき、ファブリ・ペローキャビティの長さが変化するためにその干渉挙動が変化する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／０１０６７４５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ダイアフラム屈曲を使用可能な線形出力に変換する際の主要な問題点としては、センサ自体のゆらぎ以外のあらゆるゆらぎにシステムが影響されないようにしながら受信器におけるノイズを克服するように適当な光信号レベルを維持することを含む。典型的なゆらぎには、問合わせ用光源の強度ゆらぎ、光学経路内部にある機械的ゆらぎ、システム内の温度誘導性ゆらぎが含まれる可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の例示的な一実施形態では、光学式圧力センサ問合わせシステムを提供する。本システムは、光学式圧力センサに光信号を提供するための光源と、該光学式圧力センサから反射された信号を受け取るための光結合器と、を含む。この光結合器はさらに、反射された信号を分割し、この反射信号の第１の部分を第１の光検出器に提供する。本システムはさらに、反射信号の第２の部分信号を受け取りフィルタ処理した信号を第２の光検出器に提供するためのフィルタと、第１及び第２の光検出器出力信号の光強度に関する除算又は減算に基づいて圧力を取得するように構成された処理回路と、を含む。この処理回路はさらに、光信号の波長を制御するために光源に対してフィードバック信号を提供するように構成される。
【０００８】
本発明の別の例示的実施形態では、別の光学式圧力センサ問合わせシステムを提供する。本システムは、光学式圧力センサに光信号を提供するための光源と、該光学式圧力センサから反射された信号を受け取るための光結合器と、を含む。この光結合器はさらに、反射された信号を分割すると共に、反射信号の第１の部分を高域通過フィルタに提供しかつ反射信号の第２の部分を低域通過フィルタに提供する。本システムはさらに、高域通過フィルタから第１のフィルタ処理済み信号を受け取りフィルタ処理済み信号を第２の光検出器に提供するための第１の光検出器と、低域通過フィルタから第２のフィルタ処理済み信号を受け取るための第２の光検出器と、該第１及び第２の光検出器出力信号の光強度同士の関係に基づいて圧力を取得するように構成された処理回路と、を含む。
【０００９】
本発明の例示的な一実施形態では、光学式圧力センサ問合わせシステムを提供する。本システムは、光学式圧力センサに光信号を提供するための光源と、該光学式圧力センサから反射された信号を受け取るための３ポートフィルタと、を含む。この光結合器はさらに、反射された信号を分割しこの反射信号の低域通過フィルタ処理済み信号を第１の光検出器に提供する。本システムはさらに、３ポートフィルタから反射信号の高域通過フィルタ処理済み信号を受け取るための第２の光検出器と、該第１及び第２の光検出器出力信号の光強度同士の関係に基づいて圧力を取得するように構成された処理回路と、を含む。
【００１０】
本発明の別の例示的実施形態では、光学式圧力センサ問合わせシステムを提供する。本システムは、第１の光信号及び第２の光信号を提供するための第１の光源及び第２の光源と、該第１及び第２の光信号を受け取りかつ光学式圧力センサに結合させた信号を提供するための第１の光結合器と、を含む。本システムはさらに、該光学式圧力センサから反射された信号を受け取り、該反射信号を分割し、該反射信号の第１の部分を第１の光検出器に提供しかつ該反射信号の第２の部分を第２の光検出器に提供するための第２の光結合器を含む。本システムはさらに、該第１及び第２の光検出器出力信号の光強度同士の関係に基づいて圧力を取得するように構成された処理回路を含む。この処理回路はさらに、第１及び第２の光信号の波長を制御するために第１及び第２の光源にフィードバック信号を提供するように構成される。
【００１１】
本発明のさらに別の例示的実施形態では、光学式圧力センサを問合わせる方法を提供する。本方法は、光学式圧力センサに光信号を提供する工程と、該光学式圧力センサから反射された信号を第１の信号と第２の信号に分割する工程と、を含む。本方法はさらに、第１及び第２の光検出器出力信号の光強度同士の減算に基づいて圧力を取得するためにフィルタ処理した第１の信号と第２の信号とを解析する工程を含む。
【００１２】
本発明に関するこれらの特徴、態様及び利点、並びにその他の特徴、態様及び利点については、同じ参照符号が図面全体を通じて同じ部分を表している添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによってより理解が深まるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態による外部型ファブリ・ペロー干渉計型の圧力センサシステムを表した概要図である。
【図２】本発明の一実施形態による圧力センサの問合わせシステムを表した概要図である。
【図３】未フィルタ処理信号、フィルタ処理済み信号、並びにフィルタ処理済み信号に対する未フィルタ処理信号の比を表したグラフである。
【図４】本発明の一実施形態による２つのフィルタを利用する問合わせシステムを表した概要図である。
【図５】ＬＥＤスペクトルを表したグラフである。
【図６】本発明の一実施形態による３ポートフィルタを利用する問合わせシステムを表した概要図である。
【図７】低域通過フィルタ処理済み信号、高域通過フィルタ処理済み信号、並びに高域通過フィルタ処理済み信号に対する低域通過処理済み信号の比を表したグラフである。
【図８】本発明の一実施形態による２つの光源を利用する問合わせシステムを表した概要図である。
【図９】２つの光信号の反射並びにこれら２つの反射の比を表したグラフである。
【図１０】本発明の一実施形態による光源波長制御を利用する問合わせシステムを表した概要図である。
【図１１】本発明の一実施形態による別の光源波長制御システムを表した概要図である。
【図１２】本発明の一実施形態による圧力センサの問合わせに関する各工程を表した流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本明細書において詳細に検討するように、本発明の実施形態は、外部型ファブリ・ペロー干渉計（ＥＦＰＩ）の原理に基づいた高温光センサ向けの問合わせ方法を含む。
【００１５】
一実施形態におけるこれに対処するための方式は同相モード（common-mode）システムノイズを減算除去するような差分式技法を使用することである。ＬＥＤなどの光源や薄膜フィルタなどの構成要素が低コストで利用可能であるため、周波数（又は、波長）領域における差分式技法は特に魅力的である。この領域ではその膜の動きが、圧力と共にその波長応答が変動するような可変の光学フィルタのようにそのセンサを振る舞わせる。適当な低コストの問合わせ器アーキテクチャは、この応答を線形振幅応答に変換することが可能である。
【００１６】
図１はＥＦＰＩ式圧力センサ１０の斜視図である。光ファイバ１２はフェルール１４の内部で固定される。光ファイバ−フェルール構造の一方の側面１６は、標準のファイバ研磨処理を用いて磨かれる。この研磨によって、サブストレート２０を装着するための平らな表面が保証される。この光ファイバ−フェルール構造を外側金属ケーシング１８が囲繞している。ダイアフラムの役割をするサブストレート２０は、キャビティギャップ内に真空をトラップするように真空接合（vacuum bonding）処理を通じて光ファイバ−フェルール構造の表面１６に取り付けられる。一実施形態ではその真空接合処理には、レーザー融解処理や表面活性化接合処理が含まれる。一実施形態ではそのサブストレート２０に使用する材料は、シリコン、ガラス、石英、又はサファイアを含む。ファブリ・ペローキャビティ２４がサブストレート２０内に規定されており、これがさらにダイアフラムの外径を規定している。一実施形態では、サブストレート２０のうちファブリ・ペローキャビティの半分を規定している内側表面は反射性の薄い金属薄膜（図示せず）でコーティングされることがある。一実施形態ではその金属薄膜に使用する材料は、白金、金、チタン、クロム、銀あるいは高温対応の別の任意の金属を含む。
【００１７】
ファイバ１２の中に入射光信号２６を通過させ、これがキャビティギャップ２４を通ってサブストレート２０に伝えられる。一実施形態では、その光信号を発光ダイオード（ＬＥＤ）によって発生させることがある。光信号２６はサブストレート２０で反射され、反射信号２８としてファイバ１２内に戻される。図１の矢印の方向で光の伝播を示している。反射された光は光検出器（図示せず）によって検出され、この光検出器においてキャビティギャップ２４の距離計測値を生成するように信号が復調される。キャビティギャップ２４はダイアフラムの上に加えられた圧力によって変化するため、当該距離に関する復調信号によって圧力が決定される。
【００１８】
図２は、図１に示した圧力センサなどの圧力センサ４２に関する問合わせシステム４０の全体を表した概要図である。発光ダイオード（ＬＥＤ）４４によって光信号４６を発生させると共に、この光信号４６を光ファイバ４８によって光結合器４７に送っている。光結合器４７はそのビームをセンサ４２に送る。一実施形態ではそのＬＥＤの中心波長は１５５０ｎｍである。光学式圧力センサ４２から反射された信号５０は、光学式問合わせ器検出器システム５２に対してその信号を分割している光結合器４７を通って戻される。検出器回路５２は、反射信号５０を２つの等しい信号（第１の信号５６と第２の信号５８）に分割している光結合器５４を含む。第１の信号５６はブロードバンド信号を検出する第１の光検出器６０に直接渡される。第２の信号５８はナローバンドフィルタ６４を通り、ナローバンド信号を検出する第２の光検出器６２に渡される。一実施形態ではその光検出器６２及び６０はフォトダイオードである。光検出器６０及び６２の出力信号６６及び６８は次いで、圧力信号を出力するように処理回路７０によって解析される。処理回路６４は、プロセッサ、メモリ、及び付属の回路（例えば、コンピュータシステム）を含むことがある。
【００１９】
センサ４２が３つの材料からなるスタックで構成されると仮定すると、その反射率はセンサ４２からの波長λの関数として次式で与えられる。
【００２０】
【数１】
【００２１】
その光源が離散的な波長（レーザーなど）になく連続した波長を成す（ＬＥＤやＳＬＥＤなど）ような実施形態では、センサ４２から出力される光強度Ｉは次式で与えられる。
【００２２】
【数２】
【００２３】
式中、Ｇ（λ）は光源のスペクトル出力密度分布であり、ｆ（λ）は受信器内のインラインフィルタの応答である。光検出器と一緒に使用されるフィルタが存在しないような場合には、その第１の信号５６は「ブロードバンド」信号であると共に、ｆ（λ）＝１である。他方、光検出器６２の波長応答を狭めるためにスペクトルフィルタ６４が使用される場合には、その第２の信号５８は「ナローバンド」信号となる。上記の式において、スペクトル出力密度分布Ｇ（λ）は概ね次式で与えられる。
【００２４】
【数３】
【００２５】
式中、λ0はＬＥＤの中心波長である。ブロードバンド問合わせの場合には、応答の縞構造は、ギャップが大きくなるに連れて消失する、すなわち「ウォッシュアウト（wash out）される」傾向がある。縞が消失する箇所であるギャップは、光源のバンド幅に依存するが、可視光や近赤外光の典型的なＬＥＤでは、応答の縞構造を有意にウォッシュアウトさせるには約１０〜１５の縞からなるギャップで十分となり得る。
【００２６】
ブロードバンド問合わせのレファレンスとしての使用に基づく典型的なファブリ・ペローセンサは、縞応答を「ウォッシュアウト」させるのに十分な大きさのキャビティ深度を利用している。しかし本考案の一実施形態ではそのセンサは、その深度が５縞未満など非常に小さいキャビティギャップで動作するように設計することができる。別の実施形態のセンサは深度が３縞未満で動作しており、またさらに別の実施形態のセンサは深度が２縞未満で動作している。一例ではそのセンサ素子上のギャップは、強度−キャビティ深度曲線上でその素子を動作させる位置を正確に制御する目的でギャップの厚さを正確に制御するために半導体処理技法によってウェハ規模で製作される。ギャップを小さくする程、それだけキャビティ深度の絶対誤差が小さくなりかつ強度対ギャップの伝達関数上での位置の不確定度が小さくなる。キャビティギャップに関するこの正確な「デッドレコニング（dead reckoning）」によって、極めて望ましくない製作後のトリミングやチューニングを回避することができる。
【００２７】
一実施形態では、検出器回路５２のナローバンド信号から出力される光強度（強度Ｉ1を生成）とブロードバンド信号から出力される光強度（光強度Ｉ2を生成）との比を用いて圧力を取得すると共に同相モード信号の変動を排除している。こうした同相モード信号変動は、光源、光ファイバあるいは光結合器における光信号パワー変動の変化に由来して生じることがあることに留意すべきである。別の実施形態では、ナローバンド信号とブロードバンド信号の光強度を互いに差し引きして圧力を取得すると共に、同相モード信号変動を排除している。 図３は、図２の光検出器６０及び６２のそれぞれからの未フィルタ処理信号及びフィルタ処理済み信号、並びにこれら２つの信号の比をセンサ４２内のキャビティギャップに対して表したグラフ８０である。水平軸８２はマイクロメートルを単位としたキャビティギャップを表しており、また垂直軸８４は任意単位の光強度を表している。曲線８６は図２の未フィルタ処理ブロードバンド光信号５６の実際のプロットであり、また曲線８８は図２のフィルタ処理済みナローバンド光信号５８のプロットである。曲線９０は２つの検出信号８６及び８８の比のプロットである。図２に示した一実施形態では、８５０ｎｍのＬＥＤ中心波長においてセンサは１．８マイクロメートルのキャビティギャップを有すると共に、動作スロープ９１で示したようにキャビティギャップ又はダイアフラム屈曲が１４０ｎｍだけ変化すると比の曲線９０が４単位だけ変化することになる。この比曲線９０は圧力を計測するように較正される。ブロードバンド信号８６はこの種のセンサで使用されるのが典型的な「ウォッシュアウトされた」状態に到達しておらず、またこれがセンサの応答を増幅する役割をしていることが確認できよう。
【００２８】
図２の光結合器５４からの２つの信号５６及び５８は同じ光源４４からのものであり、同じ送出経路を経ている。したがってこれらは、光源のパワーゆらぎやファイバ損失などの影響による変動が同じである。光検出器６０と６２からの出力の比（すなわち、ナローバンド対ブロードバンドの比）は、ファブリ・ペローキャビティ長さだけの関数となり、これによりこうした同相モードの誤差源が最終的な計測結果から排除される。
【００２９】
図４は、２つのフィルタを利用した問合わせシステム１００の別の実施形態を表した概要図である。問合わせ検出器システム１００は図２の問合わせシステム４０と同様であるが、その２つの分割信号５６及び５８は光検出器６０及び６２により取り込まれる前にフィルタ１０２及び１０４によりフィルタ処理を受けている。一実施形態ではそのフィルタ１０２及び１０４は、ＬＥＤのピーク波長の両側で概ね対称な波長上にその中心が来ている。別の実施形態ではそのフィルタ１０２及び１０４はそれぞれ高域通過フィルタと低域通過フィルタである。
【００３０】
図５は、図４で使用したＬＥＤ４４のスペクトルを表したＬＥＤスペクトルのグラフ１１０である。水平軸１１２はＬＥＤの波長を表しており、また垂直軸１１４はＬＥＤの相対光強度を表している。曲線１１６はＬＥＤスペクトルのプロットである。この実施形態のＬＥＤは中心波長８５０ｎｍを有する。しかし、１５５０及び１３１０ｎｍなど別の中心波長を有するＬＥＤも本発明の趣旨域内にある。上で検討したように、図４の２つのフィルタ１０２及び１０４はＬＥＤのピーク波長の両側の波長にその中心が来ている。この実施形態ではそのピーク波長又は中心波長は、基準ラベル１１８で示した８５０ｎｍである。したがって、フィルタ１０２は基準ラベル１２０で示した８００ｎｍの位置に設定されかつフィルタ１０４は基準ラベル１２２で示した９００ｎｍの位置に設定される。
【００３１】
図６は、本システムの一実施形態による３ポートフィルタ１３２を利用した問合わせシステム１３０を表した概要図である。問合わせシステム１３０は図２の問合わせシステム４０と同様である。しかし、反射された信号５０は光結合器ではなく３ポートフィルタ１３２を通過させる。３ポートフィルタ１３２は、上の実施形態で示した分割動作とフィルタ処理動作を組み合わせたものである。３ポートフィルタの一実施形態では、入力ポートによってブロードバンド光が単一の薄膜フィルタ素子と結合される。この薄膜フィルタ素子は、低波長エネルギーは通過させかつ高波長エネルギーは反射させる。通過及び反射させたエネルギーはフィルタの２つの出力ポートに結合させている。別の実施形態ではそのフィルタ素子は、１つのブロードバンド入力と低波長及び高波長エネルギー用の２つの別々の出力とを有する融合型（fused）のファイバ波長選択結合器である。この３ポートフィルタは信号５０を分割し、低域通過フィルタ処理済み信号１３４及び高域通過フィルタ処理済み信号１３６を出力する。３ポートフィルタを使用する利点は、これにより図２及び図４の構成と比較して必要とする構成要素の数を少なくできることである。存在する構成要素の数が少ないため、信号に対して（また結果として、圧力計測値に対して）ノイズを付加するような損失変動の機会が少なくなる。この構成の別の利点は、以前の構成と比較してさらに大きなギャップ距離にわたって応答が線形であること、並びにセンサの必要とする製作許容差が極端に精細ではなくてよいことである。
【００３２】
図７は、図４の光検出器６０及び６２のそれぞれからの低域通過フィルタ処理済み信号及び高域通過フィルタ処理済み信号、並びにこれら２つの信号の比をセンサ４２内のキャビティギャップに対して表したグラフ１４０である。水平軸１４１はマイクロメートルを単位としたキャビティギャップを表しており、また垂直軸１４２は任意単位の光強度を表している。曲線１４４は図４の低域通過フィルタ処理済み光信号５６のプロットであり、また曲線１４５は図４の高域通過フィルタ処理済み光信号５８のプロットである。曲線１４６は２つの検出信号１４４及び１４５の比のプロットである。図７から確認できるように、図３のプロットと比較してこのプロットの動作スロープ領域１４８はより広くかつより線形性がよい。このことは、図７ではその動作波長が図３の８００ｎｍから１３００ｎｍに上昇していること、またさらに図７のデュアルフィルタ処理方式では図３の単一フィルタ（すなわち、「ブロードバンド／ナローバンド」）方式と比較してより広くかつより線形性がよい曲線が生成されることに由来する。概ね１３００ｎｍで動作するように設計された図７に示した一実施形態では、そのセンサは１．６マイクロメートルの公称キャビティギャップを有すると共に、キャビティギャップ又はダイアフラム屈曲の４００ｎｍ変化によって比曲線１４６が０．４単位だけ変化する。その比曲線が線形に維持されるようなギャップが大きくなることによってキャビティを製造する際の許容差を緩和させることができることは当業者であれば理解されよう。例えば、その用途で要求される膜のフルスケールの屈曲が９０ｎｍであると仮定してみる。中心波長が８５０ｎｍでありかつキャビティギャップが１．８マイクロメートルであるような図３の設計では、キャビティ深度に関するその製造許容差（比曲線の線形部分の中央の両側に対称に誤差バランスが配置されると仮定）は約±１５ｎｍであった。波長が１３００ｎｍでありかつキャビティギャップが１．６マイクロメートルであるような図７の設計では、その製作許容差を約±８５ｎｍまで大きくし、要求される製作精度を５倍をやや超える率だけ低減させることができる。
【００３３】
本明細書に記載した波長値、キャビティ深度値及び縞値は例示を目的としたものであり、別の波長値、キャビティ深度値及び縞値も本センサの趣旨域内にあることに留意すべきである。さらに、処理対象の縞をどれにするかの選択は、製作許容差、比曲線のピーク対谷の深度、並びにその検出システムの所望の信号対雑音比の関数である。一実施形態では、第２又は第３の縞が典型的にはトレードオフ解析に好都合となることがある。この縞の選択はまた、図３、図７又は図９に示した選択を含め、問合わせに関してどんな方法又は波長を選択するかに大きく依存しない。
【００３４】
図８は、本システムの一実施形態による２つの光源を利用する問合わせ検出器システム１６０を表した概要図である。問合わせ検出器システム１６０は２種類の中心波長をもつ２つのＬＥＤ１６２及び１６４を含む。光結合器１６６は、この２つのＬＥＤからの２つの光信号１６８及び１７０を合成し、合成又は結合された光信号１７２を光ファイバ４８を通してセンサ４２に送っている。一実施形態ではそのＬＥＤは１３１０ｎｍと１５５０ｎｍの中心波長を有する。別々の光源１６２、１６４を用いることによって、キャビティ深度に対する感度を最適化させるような波長を選択することが可能である。間隔を広く隔てた波長を用いることによって、計測の感度が増大する。システム１６０は、低コストかつ仕様保証で大量に製作できる遠距離通信対応のレーザー又はＬＥＤ光源や入手が容易なインラインファイバ式ＷＤＭ結合器などのより低コストの構成要素を利用している。システム１６０の利点の１つは、波長の分離幅が広く、これにより精細な線源波長の選択が柔軟にできることである。
【００３５】
図９は、図８の２つの光信号１６８及び１７０の反射並びに２つの反射の比を、センサ４２内のキャビティギャップに対して表したグラフ１８０である。水平軸１８１はマイクロメートルを単位としたキャビティギャップを表しており、また垂直軸１８２は任意単位の光強度を表している。曲線１８４は図８の光信号１６８の反射のプロットであり、また曲線１８５は図８の光信号１７０の反射のプロットである。曲線１８６は２つの反射信号１８４及び１８５の比のプロットである。図９から確認できるように、このプロットの動作スロープ領域１８８は図７の動作スロープ領域１４８と同様、すなわちより線形性がよくかつより幅広である。したがってこの実施形態ではさらに、キャビティ製造に関する許容差を緩和させることができる。別の実施形態では、同相モード光変動の影響を最小化するために、光源に対する閉ループ制御を使用することがある。
【００３６】
図１０は、本発明の一実施形態による光源波長制御を利用する問合わせ検出器システム２００を表した概要図である。一実施形態では、圧力変動だけを計測する（かつ、定常状態圧力を計測しない）場合、２つのフォトダイオード６０、６２により計測される定常状態光パワーを用いて光源４４の波長を安定化させることがある。線源波長は典型的には、処理回路７０からのフィードバック信号に基づいて線源電流及び／又は線源温度を調節することによって制御される。図８に示した実施形態では、２つのフォトダイオード６０、６２により計測されるパワーはそれぞれ、信号減結合器２０２及び２０４によってＡＣ及びＤＣ信号に減結合される。ＡＣ信号は、上述したように圧力変動の決定に使用される。ＤＣ信号は、光源４４に対するフィードバック信号を作成するために処理回路７０によって使用される。処理回路は、２つのフォトダイオード６０、６２により計測されるＤＣエネルギー比が一定に保たれるようにフィードバック信号を発生させている。ＤＣエネルギー比を一定に保つことによって、フィルタの遮断波長及び光源中心波長のドリフトを完全に補償することができる。さらに本システム及び処理によれば、光源に対する単独の波長又は温度制御器が不要であり、これにより線源電子回路の複雑性が大幅に軽減される。上述した光源波長制御スキームはまた、２つの光源１６２及び１６４の波長又はパワーを制御するために図８の２光源構成でも利用できることに留意すべきである。
【００３７】
図１１は、本発明の一実施形態による別の光源波長制御システム２１０を表した概要図である。システム２１０は２つの光源を利用する図８のシステム１６０と同様である。しかしこの構成では、光結合器１６６の出力信号１７２を別の光結合器２１２によって２つの等しい信号２１６及び２１４に分割している。次いで信号２１６は、図８の構成の場合と同様に圧力計測のためにセンサ４２に送られる。しかし信号２１４は、基準信号として処理回路２１８に送られ、２つの光源１６２及び１６４の光源波長及び／又は光源パワーの安定化のために使用される。これにより検知機能が安定化／制御機能から分離される。一実施形態では、２つの処理回路２１８及び７０を１つの処理回路に合成させることがある。当業者であれば同様のスキームを図２、４及び６の単一光源構成の場合に用いることができることを理解されよう。しかしこれらの構成では、必ずしも光結合器１６６を必要としないことがある。光源の波長又はパワーを制御する同様の別のスキームも本問合わせシステムの趣旨域内にあることに留意すべきである。
【００３８】
図１２は、圧力センサに対する問合わせの工程を表した流れ図２２０である。工程２２２では圧力センサのファブリ・ペローキャビティギャップに単一又は複数の光信号が提供される。一実施形態ではその光信号は、ＬＥＤなどの光源によって提供され光ファイバを通してキャビティギャップに送られることがある。工程２２４では、キャビティギャップから反射された信号が光結合器によって受け取られる。圧力センサ内のキャビティギャップは石英サブストレート製のダイアフラムによって形成される。このダイアフラムは加えられた圧力に応答し、キャビティギャップ距離に変化を生じさせる。キャビティギャップからの反射信号は、キャビティギャップ距離の変化に従って変化する。工程２２６では、光結合器が反射信号を２つの部分（すなわち、第１の信号と第２の信号）に分割する。その信号は、工程２２８において任意選択でフィルタ処理されることがある。次いで、得られた信号を解析しファブリ・ペローキャビティ内の屈曲が、したがって圧力２３０が決定される。一実施形態では、２つの信号に関する光強度の比をとることによって圧力が決定される。別の実施形態では、２つの信号の強度の差し引きによって圧力が決定される。
【００３９】
本発明のある種の特徴についてのみ本明細書において図示し説明してきたが、当業者によって多くの修正や変更がなされるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲が本発明の真の精神の範囲に属するこうした修正や変更のすべてを包含させるように意図したものであることを理解されたい。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学式圧力センサ（４２）に光信号（４６）を提供するための光源（４４）と、
光学式圧力センサ（４２）から反射された信号（５０）を受け取り、該反射信号を分割し、かつ該反射信号（５０）の第１の部分（５６）を第１の光検出器（６０）に提供するための光結合器（５４）と、
前記反射信号（５０）の第２の部分（５８）を受け取り、フィルタ処理済み信号（６８）を第２の光検出器（６２）に提供するためのフィルタ（６４）と、
前記第１及び第２の光検出器出力信号の光強度同士の除算又は減算に基づいて圧力を取得するように構成された処理回路（７０）と、
を備える光学式圧力センサ問合わせシステム（４０）であって、
該処理回路（７０）はさらに光信号の波長を制御するために光源に対してフィードバック信号を提供するように構成される、光学式圧力センサ問合わせシステム（４０）。
【請求項２】
前記光学式圧力センサは、縞の約１／３未満の小さいキャビティギャップで動作するように構成される、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
光学式圧力センサ（４２）に光信号（４６）を提供するための光源（４４）と、
光学式圧力センサ（４２）から反射された信号（５０）を受け取り、該反射信号を分割し、かつ該反射信号（５０）の第１の部分（５６）は高域通過フィルタ（１０２）にまた該反射信号（５０）の第２の部分（５８）は低域通過フィルタ（１０４）に提供するための光結合器（５４）と、
前記高域通過フィルタ（１０２）から第１のフィルタ処理済み信号（５６）を受け取るための第１の光検出器（６０）と、
前記低域通過フィルタ（１０４）から第２のフィルタ処理済み信号（５８）を受け取るための第２の光検出器（６２）と、
前記第１及び第２の光検出器出力信号の光強度同士の関係に基づいて圧力を取得するように構成された処理回路（７０）と、
を備える光学式圧力センサ問合わせシステム（１００）。
【請求項４】
前記高域通過フィルタ及び低域通過フィルタは光源のピーク波長の両側に中心をもつ周波数に設定される、請求項３記載のシステム。
【請求項５】
第１と第２の光検出器の光強度同士の前記関係は減算を含む、請求項３記載のシステム。
【請求項６】
光学式圧力センサ（４２）に光信号（４６）を提供するための光源（４４）と、
光学式圧力センサ（４２）から反射された信号（５０）を受け取り、該反射信号を分割してフィルタ処理し、かつ該反射信号の低域通過フィルタ処理済み信号（１３４）を第１の光検出器（６２）に提供するための３ポートフィルタ（１３２）と、
前記３ポートフィルタ（１３２）から前記反射信号（５０）の高域フィルタ処理済み信号（１３６）を受け取るための第２の光検出器（６０）と、
前記第１及び第２の光検出器出力信号の光強度同士の関係に基づいて圧力を取得するように構成された処理（７０）回路と、
を備える光学式圧力センサ問合わせシステム（１３０）。
【請求項７】
第１の光信号（１６８）及び第２の光信号（１７０）を提供するための第１の光源（１６２）及び第２の光源（１６４）と、
前記第１の光信号（１６８）及び第２の光信号（１７１）を受け取りかつ結合させた信号（１７２）を光学式圧力センサ（４２）に提供するための第１の光結合器（１６６）と、
光学式圧力センサ（４２）から反射された信号（５０）を受け取り、該反射信号（５０）を分割し、かつ該反射信号の第１の部分（５６）は第１の光検出器（６０）にまた該反射信号の第２の部分（５８）は第２の光検出器（６２）に提供するための第２の光結合器（５４）と、
前記第１及び第２の光検出器出力信号の光強度同士の関係に基づいて圧力を取得するように構成された処理回路（７０）と、
を備える光学式圧力センサ問合わせシステム（１６０）であって、
該処理回路（７０）はさらに、第１及び第２の光信号の波長を制御するために第１及び第２の光源にフィードバック信号を提供するように構成される、光学式圧力センサ問合わせシステム（１６０）。
【請求項８】
前記処理回路は基準光信号に基づいてフィードバック信号を提供するように構成される、請求項７記載のシステム。
【請求項９】
前記基準光信号は前記結合させた信号を分割することによって生成される、請求項７記載のシステム。
【請求項１０】
光学式圧力センサに光信号を提供する工程（２２２）と、
前記光学式圧力センサから反射された信号を第１の信号と第２の信号に分割する工程（２２６）と、
第１及び第２の光検出器出力信号の光強度同士の減算に基づいて圧力を取得するためにフィルタ処理した第１の信号と第２の信号とを解析する工程（２３０）と
を含む光学式圧力センサを問合わせる方法（２２０）。
【請求項１】
光学式圧力センサ（４２）に光信号（４６）を提供するための光源（４４）と、
光学式圧力センサ（４２）から反射された信号（５０）を受け取り、該反射信号を分割し、かつ該反射信号（５０）の第１の部分（５６）を第１の光検出器（６０）に提供するための光結合器（５４）と、
前記反射信号（５０）の第２の部分（５８）を受け取り、フィルタ処理済み信号（６８）を第２の光検出器（６２）に提供するためのフィルタ（６４）と、
前記第１及び第２の光検出器出力信号の光強度同士の除算又は減算に基づいて圧力を取得するように構成された処理回路（７０）と、
を備える光学式圧力センサ問合わせシステム（４０）であって、
該処理回路（７０）はさらに光信号の波長を制御するために光源に対してフィードバック信号を提供するように構成される、光学式圧力センサ問合わせシステム（４０）。
【請求項２】
前記光学式圧力センサは、縞の約１／３未満の小さいキャビティギャップで動作するように構成される、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
光学式圧力センサ（４２）に光信号（４６）を提供するための光源（４４）と、
光学式圧力センサ（４２）から反射された信号（５０）を受け取り、該反射信号を分割し、かつ該反射信号（５０）の第１の部分（５６）は高域通過フィルタ（１０２）にまた該反射信号（５０）の第２の部分（５８）は低域通過フィルタ（１０４）に提供するための光結合器（５４）と、
前記高域通過フィルタ（１０２）から第１のフィルタ処理済み信号（５６）を受け取るための第１の光検出器（６０）と、
前記低域通過フィルタ（１０４）から第２のフィルタ処理済み信号（５８）を受け取るための第２の光検出器（６２）と、
前記第１及び第２の光検出器出力信号の光強度同士の関係に基づいて圧力を取得するように構成された処理回路（７０）と、
を備える光学式圧力センサ問合わせシステム（１００）。
【請求項４】
前記高域通過フィルタ及び低域通過フィルタは光源のピーク波長の両側に中心をもつ周波数に設定される、請求項３記載のシステム。
【請求項５】
第１と第２の光検出器の光強度同士の前記関係は減算を含む、請求項３記載のシステム。
【請求項６】
光学式圧力センサ（４２）に光信号（４６）を提供するための光源（４４）と、
光学式圧力センサ（４２）から反射された信号（５０）を受け取り、該反射信号を分割してフィルタ処理し、かつ該反射信号の低域通過フィルタ処理済み信号（１３４）を第１の光検出器（６２）に提供するための３ポートフィルタ（１３２）と、
前記３ポートフィルタ（１３２）から前記反射信号（５０）の高域フィルタ処理済み信号（１３６）を受け取るための第２の光検出器（６０）と、
前記第１及び第２の光検出器出力信号の光強度同士の関係に基づいて圧力を取得するように構成された処理（７０）回路と、
を備える光学式圧力センサ問合わせシステム（１３０）。
【請求項７】
第１の光信号（１６８）及び第２の光信号（１７０）を提供するための第１の光源（１６２）及び第２の光源（１６４）と、
前記第１の光信号（１６８）及び第２の光信号（１７１）を受け取りかつ結合させた信号（１７２）を光学式圧力センサ（４２）に提供するための第１の光結合器（１６６）と、
光学式圧力センサ（４２）から反射された信号（５０）を受け取り、該反射信号（５０）を分割し、かつ該反射信号の第１の部分（５６）は第１の光検出器（６０）にまた該反射信号の第２の部分（５８）は第２の光検出器（６２）に提供するための第２の光結合器（５４）と、
前記第１及び第２の光検出器出力信号の光強度同士の関係に基づいて圧力を取得するように構成された処理回路（７０）と、
を備える光学式圧力センサ問合わせシステム（１６０）であって、
該処理回路（７０）はさらに、第１及び第２の光信号の波長を制御するために第１及び第２の光源にフィードバック信号を提供するように構成される、光学式圧力センサ問合わせシステム（１６０）。
【請求項８】
前記処理回路は基準光信号に基づいてフィードバック信号を提供するように構成される、請求項７記載のシステム。
【請求項９】
前記基準光信号は前記結合させた信号を分割することによって生成される、請求項７記載のシステム。
【請求項１０】
光学式圧力センサに光信号を提供する工程（２２２）と、
前記光学式圧力センサから反射された信号を第１の信号と第２の信号に分割する工程（２２６）と、
第１及び第２の光検出器出力信号の光強度同士の減算に基づいて圧力を取得するためにフィルタ処理した第１の信号と第２の信号とを解析する工程（２３０）と
を含む光学式圧力センサを問合わせる方法（２２０）。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−２３７２０５（Ｐ２０１０−２３７２０５Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７１２７２（Ｐ２０１０−７１２７２）
【出願日】平成２２年３月２６日（２０１０．３．２６）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２６日（２０１０．３．２６）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
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