光学式検出センサ
【課題】伝送路の曲げによる影響を受けず、光源の波長スペクトルが変化することによる光ファイバＮＡの変化によって変動する測定値を抑制し、精度良く測定することのできる光学式検出センサを提供する。
【解決手段】光源から出力された出射光を第１光ファイバの端面から相対距離離して配置された被測定物に照射し、第２及び第３光ファイバでこの反射光を受光して被測定物の変位量を算出する光学式検出センサであって、第１光ファイバの長手方向と被測定物の照射面に対する法線とが角度θとなるように配置され、第２及び第３光ファイバは、平行配置され、且つこの第２及び第３光ファイバの長手方向と被測定物の照射面に対する法線とが角度θとなるように配置され、第１光ファイバと、第２及び第３光ファイバは、法線を介して対向配置され、第１乃至第３光ファイバは、光源の出力波長に対してｄＮＡ/ｄλが４×１０-５以下の特性を有する。
【解決手段】光源から出力された出射光を第１光ファイバの端面から相対距離離して配置された被測定物に照射し、第２及び第３光ファイバでこの反射光を受光して被測定物の変位量を算出する光学式検出センサであって、第１光ファイバの長手方向と被測定物の照射面に対する法線とが角度θとなるように配置され、第２及び第３光ファイバは、平行配置され、且つこの第２及び第３光ファイバの長手方向と被測定物の照射面に対する法線とが角度θとなるように配置され、第１光ファイバと、第２及び第３光ファイバは、法線を介して対向配置され、第１乃至第３光ファイバは、光源の出力波長に対してｄＮＡ/ｄλが４×１０-５以下の特性を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光強度の変化を測定することにより圧力や温度などの物理量を検出する光学式検出センサに関し、特に、変位量を高精度検出する光学式検出センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被測定物の変位、温度、圧力等の物理量を測定するセンサとして電気式センサが一般に良く知られている。しかしこの場合は、測定信号（電気信号）を電線により遠隔地に伝送するため、電磁雑音の影響を受け易く、測定誤差の要因になるという問題を有していた。これに対して光学式センサでは、測定信号を光信号に変換し、光ファイバで遠隔地に伝送するため、電磁雑音の影響を受けることなく信号伝送することが可能であり、測定誤差も少なく、非常に高精度な測定が可能となるという利点を有している。
【０００３】
このような光式物理量センサとしては、圧力によってひずむ機構を有する起歪体（例えば、ブルドン管など）を用い、圧力変化をひずみ変化に変換し、このひずみをファイバグレーティング（ＦＢＧ）で検知するものなどがある。また、光ファイバ端面に、圧力によって位置変動する反射板（ダイアフラムなど）を対向配置させて固定し、光ファイバ端面からの出射光が反射板で反射する反射光を測定することで位置変動を検知し、その位置から圧力を検出するものなどがある。
【０００４】
この位置変動量の検出方法として、複数の反射光による干渉状態や、ビート周波数を検出するもの（例えば、特許文献１参照）や、反射板に振動子を固定し、その振動子の共振周波数を検出するもの（例えば、特許文献２参照）などがあるが、これらは信号処理が困難であり、複雑な演算処理が必要となる。
【０００５】
これに対し、シンプルな構造で測定可能な方法として、反射光の強度変化測定法がある。この方法であれば、測定装置が安価な材料や部品で構成することが可能であり、測定した信号処理も非常に容易に行うことができる。その一方で光強度を測定していることから、反射板の位置変動以外の要因、例えば伝送損失などによる強度変化が測定誤差となり測定値に重畳するという問題があるが、伝送損失変化を非常に小さくするか、若しくは複数の反射光強度による比をとり補償することで測定精度を高めることが可能である。
【０００６】
例えば特許文献３においては、コア径、コア部屈折率分布、開口数（ＮＡ）などのいずれかのパラメータが異なる第１、第２の２種類の光ファイバを並列に固定し、光ファイバ端面を反射板の反射面に対向させ、光ファイバ長手方向と反射面に対する法線が平行になるように設置する構成となっている。これにより第１の光ファイバ端面から出射され反射板で反射した光を、第２の光ファイバによって受光し、かつ第２の光ファイバから出射され反射板で反射した光を、第１の光ファイバで受光することができ、それぞれ受光した反射光を光分岐器によって分岐し、光電変換器で測定された２つの光強度の比をとることで伝送損失の影響を補償することが可能となる。
【０００７】
また上述の測定方法に加え、それぞれの光ファイバから出射し反射板で反射した光の戻り光も測定する方法や、同種光ファイバを出射用２本と受光用２本の４本使用し、光分岐器を使用せず、それぞれの強度比をとる方法などがある。
【０００８】
また、特許文献４及び特許文献５には、発光ダイオード光源との結合が容易で、且つコア径が大きいために光強度を大きくとることができるマルチモードファイバを用い、測定対象である液面の法線に対して角度Φ（０°≦Φ≦５°）で複数本の光ファイバを固定し、液面の変位を検出するという技術が開示されている。
【特許文献１】特許第３３０４６９６号公報（第１５頁、第２図）
【特許文献２】特開２００３−２１４９６６号公報（第４頁、第１−４図）
【特許文献３】特公平６−８７２４号公報（第３−４頁、第１−２図）
【特許文献４】米国特許第４９９６４１８号明細書（第１図、第１５図、第１６図）
【特許文献５】米国特許第５０６８５２７号明細書（第１図）
【特許文献６】米国特許第６４３３３５０号明細書
【特許文献７】米国特許第４４７９７１７号明細書
【特許文献８】仏国特許発明第２３９９０００号明細書
【特許文献９】特開平１０−９８１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献３記載の技術では光ファイバ長手方向と反射面に対する法線が平行になっているため、光ファイバと反射板との距離変化に対する反射光強度変化量（測定感度）を変更する場合、パラメータが異なる特殊光ファイバを作製する必要があり、測定感度を容易に選択することは困難である。また、光ファイバ端面が長手方向に対して直角なため、光ファイバ端面と空気層の境界でフレネル反射が発生し、受光強度の変動や、出射光の強度損失の増加などによって測定精度が悪化する。さらに、ファイバ端面と反射板との間で多重反射が発生し易く、それにより測定精度が悪化する。
【００１０】
また、以前では光強度変化を利用する方式において、光強度が大きくとれることは重要であり、特許文献４及び特許文献５などのようにマルチモードファイバを使用することは有用であった。しかし、マルチモードファイバは曲げに弱いという問題があり、曲げによりモードの伝搬状態が変化するためＮＡが容易に変化し、かつ損失も変化する。また、光源として発光ダイオード（ＬＥＤ：light-emitting diode）を使用することは価格および偏波依存性の観点から有利であるが、ＬＥＤは温度変化によって強度スペクトルが変化する温度依存性をもっており、温度が上昇すると光強度は減衰し、ピーク波長は長波側にシフトする。よって波長依存性のある光カップラや光フィルタを使用すると測定値が変動してしまい測定誤差が大きくなる。また、ＮＡの波長依存性の大きい光ファイバを使用すると、ＬＥＤの波長変動によってＮＡが大きく変化し、出射光のビーム形状や、反射光の受光量が変化するため、反射面による結合効率が変化する。この結合効率の変動は補償することができないため、そのまま測定精度の悪化につながってしまう。また光通信などデジタルで使用する場合では曲げ損失は余り影響ないが、このようにアナログ伝送に利用する場合には、曲げによる損失の影響は非常に大きく、測定精度が悪化してしまう。
【００１１】
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、伝送路の曲げによる影響を受けず、光源の波長スペクトルが変化することによる光ファイバＮＡの変化によって変動する測定値を抑制し、精度良く測定することのできる光学式検出センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１記載の発明は、光源と、光源から出力された出射光を導光する第１光ファイバと、第１光ファイバの端面から相対距離離して配置された被測定物に出射光を照射し、この被測定物で反射した反射光を受光する第２及び第３光ファイバと、第２及び第３光ファイバ内を導光した反射光をそれぞれ受光して電気信号に変換する第１及び第２受光素子と、第１及び第２受光素子で変換された電気信号の比率を基に被測定物の変位量を算出する演算処理手段を少なくとも備え、第１光ファイバは、この第１光ファイバの長手方向と被測定物の照射面に対する法線とが角度θとなるように配置され、第２及び第３光ファイバは、平行配置され、且つこの第２及び第３光ファイバの長手方向と被測定物の照射面に対する法線とが角度θとなるように配置され、第１光ファイバと、第２及び第３光ファイバは、法線を介して対向配置され、第１乃至第３光ファイバは、光源の出力波長に対してｄＮＡ/ｄλが４×１０-５以下の特性を有するものであることを要旨とする。
【００１３】
また本発明の請求項２記載の発明は、請求項１記載の光学式検出センサであって、第１乃至第３光ファイバのコアが同一平面上に配置されるように形成された第１乃至第３Ｖ溝を有するＶ溝アレイ基板を備え、Ｖ溝に配置固定された第１乃至第３光ファイバの端面と、Ｖ溝アレイ基板の端面は同一面上に位置し、且つ該端面は前記法線に対して垂直方向に形成されていることを要旨とする。
【００１４】
更に本発明の請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の光学式検出センサであって、 第１光ファイバと法線がなす角度θ、及び第２及び第３光ファイバと法線がなす角度θは、５°＜θ≦１０°であることを要旨とする。
【００１５】
また更に本発明の請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学式検出センサであって、光源として発光ダイオードを適用する場合は、光源と第１光ファイバの間に、透過中心波長がこの発光ダイオードの０℃における光強度スペクトルのピーク波長より長波側に位置し、且つ帯域幅が１ｎｍ以上２０ｎｍ以下を有するバンドパスフィルタを設けることを要旨とする。
【００１６】
また本発明の請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学式検出センサであって、第１乃至第３光ファイバは、光源の出力波長における開口数ＮＡが０．１以上０．１５以下であることを要旨とする。
【００１７】
更に本発明の請求項６記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学式検出センサであって、第１乃至第３光ファイバは、光源の出力波長におけるモードフィールド径が７．９μｍ以上９．３μｍ以下であることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、伝送路の曲げによる影響を受けず、光源の波長スペクトルが変化することによる光ファイバＮＡの変化によって変動する測定値を抑制し、精度良く測定することのできる光学式検出センサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を用いて、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施の形態に係る光学式検出センサの構成図である。図２は、図１に示した測定部Ａの拡大図である。
【００２１】
図１に示すように本発明の光学式検出センサ１は、反射面２ａを有し光ファイバ端面との相対距離Ｄが圧力や温度などの物理量に応じて変化する反射板（被測定物）２と、光源３からの光を反射板２に伝送する第１光ファイバ４（出射ポートとして機能する）と、反射面２ａで反射した光を第１及び第２受光部５及び６にそれぞれ伝送する第２及び第３光ファイバ７及び８（反射ポートとして機能する）と、第１及び第２受光部５及び６からの電気信号をそれぞれ増幅する増幅器９と、増幅された電気信号の比をとり物理量を算出する演算処理部１０から構成されており、第１光ファイバ４の端部から出射した光は反射面２ａで反射され、第２光ファイバ７と第３光ファイバ８に結合した反射光が第１及び第２受光部５及び６に伝送され演算処理部１０で反射板２の変位量を算出するものである。以下、第１、第２及び第３光ファイバ４、５及び６の端部と、これに対向配置させた反射板２の周辺部を測定部Ａと称す。
【００２２】
具体的には図２の測定部Ａ拡大図に示すように、反射面２ａに対向配置させた３本の光ファイバ端面は、光ファイバの長手方向と反射面２ａに対する法線とのなす角度θとなるように固定されている。また第２光ファイバ７と第３光ファイバ８は平行配置され、且つ第１光ファイバ４と第２及び第３光ファイバ７及び８の固定角度は反射面に対する法線を基準に対称配置されている。
【００２３】
第１〜３光ファイバ４、７、８は、ＮＡの波長依存性が小さい光ファイバを使用する。具体的には波長λに対する開口数（ＮＡ）の変化量（ｄＮＡ/ｄλ）が４×１０-５以下であることが好ましい。ＮＡの波長依存性が小さい光ファイバを使用すると曲げや波長変化によるＮＡ変化の影響を抑制することができることから変位量測定の測定精度を向上させることができる。
【００２４】
また、ＮＡ変化の小さな光ファイバの中でもシングルモードで伝搬する光ファイバを選択することが望ましい。この場合もまたＮＡ変化をより小さくすることができるため測定精度を向上させることができる。また使用波長や曲げ損を考慮するとマルチモード光ファイバを用いる場合に比べて更に測定精度を向上させることが可能になる。
【００２５】
ここで使用波長とは、使用する光源における強度スペクトルのピーク波長のことである。本実施の形態においては波長１３００nmのＬＥＤ光源を使用している。シングルモードで伝搬する光ファイバを使用すると、コア径が小さいため光強度を大きくとることが困難となるが、Ａ/Ｄ変換した後にデジタル高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行うことで精度良く測定することが可能である。このような計算処理を行うための演算処理回路、ＬＥＤ、及び受光素子としてのフォトダイオードなどは安価に手に入れることができるため材料コストの低減に寄与する。
【００２６】
次に、図３を参照して、相対距離Ｄの変化に対する光強度及び強度比の変化特性を説明する。同図において横軸は相対距離Ｄを示し、縦左軸は光強度（ｍＷ）、縦右軸は強度比を示している。
【００２７】
この特性グラフは、第１〜第３光ファイバ４、７、８の端面と反射面２ａ間の相対距離Ｄの変化に対する、第２、第３光ファイバ７、８それぞれの反射光強度Ｐ１、Ｐ２及び強度比Ｆ（Ｐ１、Ｐ２）の変化を示したものである。以下、この変化特性を距離依存性と呼ぶ。強度比Ｆの算出式は、Ｆ（Ｐ１、Ｐ２）＝（Ｐ２−Ｐ１）/（Ｐ１＋Ｐ２）とした。この距離依存性に示されているように、第２光ファイバ７の反射光強度Ｐ１と第３光ファイバ８の反射光強度Ｐ２はそれぞれピークを有する曲線となる。また強度比Ｆ（Ｐ１、Ｐ２）は、曲線Ｐ１と曲線Ｐ２の交点を通過し、ほぼ線形のスロープを有する曲線となる。物理量の測定を行う場合には、このスロープ部が使用され、より線形である方が距離変化を物理量に変換する補正関数がシンプルとなり演算処理し易く、誤差が小さいという利点がある。一方、測定感度は、スロープの傾きΔ＝ｄＦ（Ｐ１、Ｐ２）/ｄＤで表され、Δが大きい方が測定感度は高くなる。
【００２８】
ここで、図４を参照して、固定角度θをθLに変化（θ＜θL）させた場合の距離依存性の変化を説明する。固定角度θを大きくすると曲線Ｐ１、曲線Ｐ２のピーク位置は曲線Ｐ１１、曲線Ｐ２１、即ち反射面２ａに近づきスロープの傾きΔは大きくなる。一方、角度θを小さくするとピーク位置は反射面から遠くなり傾きΔも小さくなる（図示せず）。
【００２９】
このように固定角度θを変化させるとΔが変化するため、これを利用することで測定感度を容易に選択することが可能となる。また測定できる光強度においては、各光強度曲線のピーク位置により変化し、各曲線のピーク位置が近いと光強度は大きく、ピーク位置が遠いと光強度は小さくなる。
【００３０】
ここで測定範囲、すなわち距離依存性においても線形のスロープが存在する相対距離範囲は、測定感度とトレードオフの関係にあり、測定感度が大きくなると測定範囲は狭く、逆に測定感度が小さくなると測定範囲は広くなる。固定角度θ＝１０°以上になると測定範囲は６０μmでほぼ飽和してしまう。また光ファイバとしてシングルモードで伝搬するファイバを用いた場合、固定角度θ＝５°より小さい角度では、測定できる光強度が非常に小さくなり測定精度が悪化する。従って、固定角度は５°＜θ≦１０°であることが望ましい。
【００３１】
次に、図５及び図６を参照して、Ｖ溝アレイ石英基板１１を使用した場合の測定部Ａを示す。図５は、本発明の他の実施の形態に係る光学式検出センサの測定部Ａの拡大図である。図６は、Ｖ溝アレイ石英基板１１のＡ−Ａ線断面図である。
【００３２】
図５及び図６に示すように、第１〜第３光ファイバ４、７、８を固定角度θで固定する場合、予めＶ溝加工が施されたアレイ石英基板１１を用いることで精度良く光ファイバを固定することができる。固定方法としては、Ｖ溝に沿って光ファイバを仮留めし、上部からＶ溝加工なしの光ファイバ押え蓋１２で挟んだ状態で樹脂によって固定する。これにより３本の第１〜第３光ファイバコア部４ａ、７ａ、８ａは、同一平面上に精度良く固定することができ、高さばらつきによる強度変動を抑制し測定精度の悪化を防止することができる。ここでＶ溝アレイ基板に使用される材料は石英に限定されず、Ｖ溝形成が可能な材料であれば材料は問わない。
【００３３】
また図６に示すように、Ｖ溝アレイ石英基板１１の端面部での各光ファイバの間隔は、より大きな光強度を得るためにできるだけ近い方が望ましい。しかし、第１光ファイバ４と第２光ファイバ７の間では、斜めに挿入された光ファイバ同士がぶつからないように考慮する必要があり、Ｖ溝加工の精度と光ファイバの作製精度を考えると、コア部の間隔Ｌ１は、１４０μｍ以上２６５μｍ以下とすることが望ましい。また第２光ファイバ７と第３光ファイバ８は平行配置されているため、コア間隔Ｌ２は１２７μｍ以上２５２μｍ以下が望ましい。
【００３４】
また、光ファイバを固定後にアレイ石英基板１１の端面を研磨することで全光ファイバの端面が斜めにカットされるので、光ファイバ端面によるフレネル反射が低減されることに加え、ファイバ端面と反射板との間での多重反射が発生するのを抑制することができ、その結果、測定精度が改善することができる。
【００３５】
一方、光源としてＬＥＤを使用する場合には温度依存性による波長シフトの問題があるが、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ：Band Pass Filter）を挿入することで出射光の波長および強度変化を抑制することができる。特に、波長依存性を有する光ファイバのＮＡなどによる測定誤差を小さくすることができる。ここで挿入するＢＰＦの光学特性として、透過中心波長が、０℃におけるＬＥＤのスペクトルのピーク波長より長波で、且つ帯域幅は１ｎｍ以上、２０ｎｍ以下であることが望ましい。また、ＬＥＤとＢＰＦを組合せた光源と、上記に述べたＮＡの波長依存性が小さな光ファイバを使用し、更に使用波長や曲げ損を考慮すると測定精度をさらに良くすることが可能となる。波長λの変化に対する強度比Ｆ（Ｐ１、Ｐ２）の変化であるｄＦ（Ｐ１、Ｐ２）/ｄλは、光ファイバのＮＡが変化することで変動する。このｄＦ（Ｐ１、Ｐ２）/ｄλの変動は直接測定誤差につながるため、センサ全体の測定誤差を考慮すると、ｄＦ（Ｐ１、Ｐ２）/ｄλが２．５×１０-４以下であることが望ましく、そのためには波長λの変化に対するＮＡ変化であるｄＮＡ/ｄλが４×１０-５以下である必要がある。
【００３６】
従って、本発明によれば、ＮＡの波長依存性が小さい光ファイバを選択すると共に、望ましくは波長依存性が４×１０-５以下の光ファイバを使用する。またＮＡの波長依存性が小さい光ファイバの具体例としてはシングルモード光ファイバを用いる。これによりＮＡ変動や曲げ損変動を抑制し、ひいては測定精度を向上させることができる。
【００３７】
また、Ｖ溝アレイ石英基板１１を用いて光ファイバを固定し、基板端面と光ファイバ端面を同一面とするように端面研磨を行うことで、３本のコアの高さばらつきを小さくし、且つ光ファイバ端面でのフレネル反射や反射面との多重反射を抑制できるため、更に測定精度が改善することができる。
【００３８】
更に、光ファイバの固定角度θを調整することにより、測定範囲・感度を容易に選択することが可能になり、この調整により測定精度を向上させることができる。
【００３９】
また更に、光源をＬＥＤとした場合に、ＬＥＤとバンドパスフィルタを組合せることでＬＥＤの温度依存性を抑制することができる。更に光ファイバＮＡの波長依存性も抑えることができるので両者の相乗効果により更に測定精度を改善することができる。
【００４０】
（実施例１）
次に、本発明に係る光学式検出センサの第１実施例を説明する。
【００４１】
本実施例では、光ファイバ固定角度θが、４°、５°、６°、８°、１０°を有するＶ溝アレイ石英基板１１をそれぞれ用意し、各アレイ端面に反射板２を対向配置させ、他の部材構成は図５の構成と同様にした。そして第１光ファイバ４から出力された出射光を反射面２ａに照射し、反射した反射光を第２及び第３光ファイバ７及び８で受光し、それぞれの光強度Ｐ１とＰ２から比率を算出し、相対距離Ｄが変化したときの強度比の変化を測定した。ここで光強度比Ｆの算出式はＦ（Ｐ１、Ｐ２）＝（Ｐ２‐Ｐ１）/（Ｐ１+Ｐ２）に基づいて算出した。
【００４２】
図７に相対距離Ｄの変化に対する光強度比Ｆの測定結果を示す。同図において横軸は相対距離Ｄを示し、縦軸は強度比を示している。
【００４３】
図７に示すように、いずれも相対距離Ｄが大きくなるに従って、強度比は増加する傾向にある。線形のスロープ部においては、固定角度θが大きくなるにつれて、傾きΔが大きくなるので測定感度は高くなり、測定範囲は小さくなる。また固定角度θが大きくなると、強度比のスロープの立ち上がる相対距離が小さくなる。これは固定角度θが大きなものの方が、相対距離の小さい位置に光強度のピークがあるためで、これにより測定できる光強度の絶対値も大きくなる。
【００４４】
これらの結果から、固定角度θと測定範囲の関係を求めたものを図８に示す。同図において横軸は相対距離Ｄを示し、縦軸は測定範囲を示している。同図によれば、固定角度θ＝１０°より大きくなると測定範囲は６０μｍでほぼ飽和してしまう。一方、これ以上大きくしても測定感度はほとんど変化がない。また固定角度θ＝４°で測定範囲は４００μｍであり、これより小さい角度では測定範囲は広くなるが、測定感度は非常に小さくなり、光強度が非常に小さくなるため測定が非常に困難であり測定精度悪化の原因となるため、実際に使用するには５°より大きな角度であることが望ましい。以上のことを鑑みると、固定角度θは５°＜θ≦１０°が最適範囲と言える。
【００４５】
（実施例２）
次に、本発明に係る光学式検出センサの第２実施例を説明する。
【００４６】
本実施例では、光源にＬＥＤを使用し、ＬＥＤの温度を０℃から８０℃まで変化させた場合の光強度の変動を、ＢＰＦを挿入したときとしないときで比較し、その効果を示すものである。
【００４７】
図９にＬＥＤにＢＰＦを挿入しない場合の温度に対する強度スペクトルの変化を示す。同図において横軸は波長を示し、縦左軸は光強度、縦右軸は透過率を示している。
【００４８】
図９に示すように、強度スペクトルは温度が上昇するに従って、強度が全体的に減衰し、ピーク波長は長波側に約４０ｎｍシフトすることが確認できた（０℃のピーク値と８０℃のピーク値の差分より算出。）。
【００４９】
ここで図９に示すように、帯域幅が１０ｎｍ程度であり、中心波長が１３３０ｎｍの第１ＢＰＦ１３と１２８０ｎｍの第２ＢＰＦ１４の２種類をそれぞれ挿入した場合の光強度のばらつきを確認した。図１０に第１ＢＰＦ１３、第２ＢＰＦ１４を挿入した場合の温度変化に対する強度変動を示す。同図において横軸はＬＥＤ温度を示し、縦軸は光強度を示している。（１）ＢＰＦなしの場合、最大強度と最小強度との差が１０倍以上あるのに対し、（２）第１ＢＰＦ１３を挿入すると２倍程度に抑えることができた。しかし、（３）第２ＢＰＦ１４を挿入すると強度変化量は１００倍以上と大きくなり悪化した。 従って、ＢＰＦを挿入することにより、ＬＥＤの温度依存性による波長シフトの影響は抑制できるが、光強度変動は挿入するＢＰＦの中心波長に依存し、０℃のときのピーク波長よりも長波側に設定するのが良い。帯域幅も狭くし過ぎると光強度の絶対値が小さくなってしまい測定精度の悪化につながるため、帯域幅の下限は１ｎｍ以上であることが望ましい。また帯域幅を広くし過ぎると、強度スペクトル変化の影響を受けるため、帯域幅の上限は２０ｎｍ以下であることが望ましい。
【００５０】
（実施例３）
次に、本発明に係る光学式検出センサの第３実施例を説明する。
【００５１】
本実施例では、シングルモード（ＳＭ）で伝搬する光ファイバ（１）、（２）、（３）とマルチモード（ＭＭ）で伝搬する光ファイバ（４）を用い、それぞれのＮＡの波長依存性を測定した。本実験で使用した４種類の光ファイバの波長１３００ｎｍにおけるＮＡとモードフィールド径を図１１に示す。ここでモードフィールド径において、光ファイバ（４）はＭＭで伝搬する光ファイバであるため、一般的な評価値として用いられているコア径で表記した。図１２にこれら各光ファイバにおけるＮＡの波長依存性の測定結果を示す。同図において横軸は波長λを示し、縦軸は波長λの変化に対するＮＡ変化であるｄＮＡ／ｄλを示している。ＳＭで伝搬する光ファイバに比べ、ＭＭで伝搬する光ファイバのｄＮＡ／ｄλはばらつきが大きく、その値の再現性はない。従ってＭＭで伝搬する光ファイバを使用する場合は、波長変化によりＮＡが変動し測定精度も悪化する。またＳＭで伝搬する光ファイバでは、光ファイバ（２）がｄＮＡ／ｄλの大きさが４．８×１０-５と大きく、光ファイバ（１）と（３）は１．５×１０-５以下と小さい。従ってＳＭで伝搬する光ファイバの中でも、光ファイバ（１）や（３）のようなｄＮＡ/ｄλが小さなものを使用することで、波長変化によるＮＡ変動をより効果的に抑制でき、更に測定誤差を小さくすることが可能となる。ここで測定強度を大きくとりたい場合、ＮＡは小さい方が良いことから、光ファイバ（１）を使用するのが最適である。
【００５２】
（実施例４）
次に、本発明に係る光学式検出センサの第４実施例を説明する。
【００５３】
本実施例では、ＳＭで伝搬する光ファイバ（１）、（２）、（３）を用意し、波長１２００ｎｍから１６００ｎｍの範囲において、図５のＶ溝アレイ石英基板１１を使用した測定系を用いて、強度比Ｆ（Ｐ１、Ｐ２）を測定し、その変動を確認した。ここでは一例として光ファイバの固定角度θ＝５°の場合について説明するが、その他の角度においてもほぼ同等の結果が得られた。また今回使用した光ファイバの波長１３００ｎｍにおけるＮＡとモードフィールド径は図１１に示したものを使用した。相対距離Ｄは、波長１２００ｎｍにおいて距離依存性のスロープが最も線形になる位置で固定した。ここで強度比Ｆ（Ｐ１、Ｐ２）＝（Ｐ２‐Ｐ１）/（Ｐ１+Ｐ２）とした。
【００５４】
図１３に波長変化に対する強度比の変動量の関係を示す。同図において横軸は波長を示し、縦軸は強度比変動量を示している。ここで変動量とは、波長１２００ｎｍにおける強度比を基準とし、実際に使用する強度比のフルスケールに対しての変化の割合を表している。同図より、グラフのスロープが大きいほど、波長依存性が大きいことを表している。使用光源がＬＥＤの場合、温度が０℃から８０℃まで変化すると、波長は約４０ｎｍ長波側にシフトする。実際に使用する場合の許容測定誤差として、この波長シフト量４０ｎｍでの強度比変動量が±１％以下である必要があり、これを波長変化に対する強度比の変化ｄＦ（Ｐ１、Ｐ２）/ｄλに変換すると２．５×１０-４以下となる。
【００５５】
ここで図１４に波長λの変化に対するＮＡ変化（ｄＮＡ/ｄλ）とｄＦ（Ｐ１、Ｐ２）/ｄλの関係を示す。この結果より、ｄＦ（Ｐ１、Ｐ２）/ｄλ≦２．５×１０-４となるには、ｄＮＡ/ｄλ≦４×１０-５である必要があり、ＮＡ波長依存性がこの範囲内である光ファイバを使用することで、測定精度を良くすることが可能であることが示された。
【００５６】
（実施例５）
次に、本発明に係る光学式検出センサの第５実施例を説明する。
【００５７】
本実施例では、ＮＡの異なる２種類の光ファイバを用い、それぞれの曲げ損失を測定した。本実施例で使用した光ファイバの波長１３００ｎｍにおけるＮＡとモードフィールド径は図１１に示した通りである。曲げ径は２０ｍｍで行い徐々に巻数を増やしたときの曲げ損失を測定した。また測定光源には波長が１３００ｎｍ、１５５０ｎｍの２種類を使用した。
【００５８】
図１５に各光ファイバにおける曲げ損失の測定結果を示す。同図において横軸は巻数を示し、縦軸は損失変化を示している。この測定結果によれば、波長１３００ｎｍの場合、光ファイバ（１）と（２）は共に曲げ損失は小さく、巻数を増やしても損失は増加しなかった。しかし、波長１５５０ｎｍの場合、光ファイバ（２）はほとんど損失がないが、光ファイバ（１）の曲げ損失は非常に大きく、巻数６回で強度が半分にまで減少した。
【００５９】
上記測定結果より光ファイバの曲げ損失は、使用する光源の波長によって大きく異なることが示された。従って使用波長に応じて最適な光ファイバを選択する必要があり、光源と光ファイバとの組合せを適切に選択することによって測定誤差を小さくすることが可能であることが示された。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施の形態に係る光学式検出センサの構成図である。
【図２】図１に示した測定部Ａの拡大図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る光学式検出センサの相対距離Ｄの変化に対する光強度及び強度比の変化特性を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態に係る光学式検出センサの固定角度θをθLに変化（θ＜θL）させた場合の距離依存性の変化を説明するためのグラフである。
【図５】本発明の他の実施の形態に係る光学式検出センサの測定部Ａの拡大図である。
【図６】図５に示すＶ溝アレイ石英基板１１のＡ−Ａ線断面図である。
【図７】本発明の第１実施例に係る相対距離Ｄの変化に対する光強度比Ｆの測定結果を示すグラフである。
【図８】本発明の第１実施例に係る固定角度θと測定範囲の関係を示すグラフである。
【図９】本発明の第２実施例に係るＬＥＤにＢＰＦを挿入しない場合の温度に対する強度スペクトルの変化を示すグラフである。
【図１０】本発明の第２実施例に係るＢＰＦ１３、ＢＰＦ１４を挿入した場合の温度変化に対する強度変動を示すグラフである。
【図１１】本発明の第３実施例に係る４種類の光ファイバの波長１３００ｎｍにおけるＮＡとモードフィールド径をまとめた表である。
【図１２】本発明の第３実施例に係る光ファイバにおけるＮＡの波長依存性の測定結果を示すグラフである。
【図１３】本発明の第４実施例に係る波長変化に対する強度比の変動量の関係を示すグラフである。
【図１４】本発明の第４実施例に係る波長λの変化に対するＮＡ変化（ｄＮＡ/ｄλ）とｄＦ（Ｐ１、Ｐ２）/ｄλの関係を示すグラフである。
【図１５】本発明の第５実施例に係る光ファイバの曲げ損失の測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６１】
１…光学式検出センサ
２…反射板
２ａ…反射面
３…光源
４…第１光ファイバ
４ａ…第１光ファイバコア部
５…第１受光部
６…第２受光部
７…第２光ファイバ
７ａ…第２光ファイバコア部
８…第３光ファイバ
８ａ…第３光ファイバコア部
９…増幅器
１０…演算処理部
１１…Ｖ溝アレイ石英基板
１２…光ファイバ押え蓋
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光強度の変化を測定することにより圧力や温度などの物理量を検出する光学式検出センサに関し、特に、変位量を高精度検出する光学式検出センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被測定物の変位、温度、圧力等の物理量を測定するセンサとして電気式センサが一般に良く知られている。しかしこの場合は、測定信号（電気信号）を電線により遠隔地に伝送するため、電磁雑音の影響を受け易く、測定誤差の要因になるという問題を有していた。これに対して光学式センサでは、測定信号を光信号に変換し、光ファイバで遠隔地に伝送するため、電磁雑音の影響を受けることなく信号伝送することが可能であり、測定誤差も少なく、非常に高精度な測定が可能となるという利点を有している。
【０００３】
このような光式物理量センサとしては、圧力によってひずむ機構を有する起歪体（例えば、ブルドン管など）を用い、圧力変化をひずみ変化に変換し、このひずみをファイバグレーティング（ＦＢＧ）で検知するものなどがある。また、光ファイバ端面に、圧力によって位置変動する反射板（ダイアフラムなど）を対向配置させて固定し、光ファイバ端面からの出射光が反射板で反射する反射光を測定することで位置変動を検知し、その位置から圧力を検出するものなどがある。
【０００４】
この位置変動量の検出方法として、複数の反射光による干渉状態や、ビート周波数を検出するもの（例えば、特許文献１参照）や、反射板に振動子を固定し、その振動子の共振周波数を検出するもの（例えば、特許文献２参照）などがあるが、これらは信号処理が困難であり、複雑な演算処理が必要となる。
【０００５】
これに対し、シンプルな構造で測定可能な方法として、反射光の強度変化測定法がある。この方法であれば、測定装置が安価な材料や部品で構成することが可能であり、測定した信号処理も非常に容易に行うことができる。その一方で光強度を測定していることから、反射板の位置変動以外の要因、例えば伝送損失などによる強度変化が測定誤差となり測定値に重畳するという問題があるが、伝送損失変化を非常に小さくするか、若しくは複数の反射光強度による比をとり補償することで測定精度を高めることが可能である。
【０００６】
例えば特許文献３においては、コア径、コア部屈折率分布、開口数（ＮＡ）などのいずれかのパラメータが異なる第１、第２の２種類の光ファイバを並列に固定し、光ファイバ端面を反射板の反射面に対向させ、光ファイバ長手方向と反射面に対する法線が平行になるように設置する構成となっている。これにより第１の光ファイバ端面から出射され反射板で反射した光を、第２の光ファイバによって受光し、かつ第２の光ファイバから出射され反射板で反射した光を、第１の光ファイバで受光することができ、それぞれ受光した反射光を光分岐器によって分岐し、光電変換器で測定された２つの光強度の比をとることで伝送損失の影響を補償することが可能となる。
【０００７】
また上述の測定方法に加え、それぞれの光ファイバから出射し反射板で反射した光の戻り光も測定する方法や、同種光ファイバを出射用２本と受光用２本の４本使用し、光分岐器を使用せず、それぞれの強度比をとる方法などがある。
【０００８】
また、特許文献４及び特許文献５には、発光ダイオード光源との結合が容易で、且つコア径が大きいために光強度を大きくとることができるマルチモードファイバを用い、測定対象である液面の法線に対して角度Φ（０°≦Φ≦５°）で複数本の光ファイバを固定し、液面の変位を検出するという技術が開示されている。
【特許文献１】特許第３３０４６９６号公報（第１５頁、第２図）
【特許文献２】特開２００３−２１４９６６号公報（第４頁、第１−４図）
【特許文献３】特公平６−８７２４号公報（第３−４頁、第１−２図）
【特許文献４】米国特許第４９９６４１８号明細書（第１図、第１５図、第１６図）
【特許文献５】米国特許第５０６８５２７号明細書（第１図）
【特許文献６】米国特許第６４３３３５０号明細書
【特許文献７】米国特許第４４７９７１７号明細書
【特許文献８】仏国特許発明第２３９９０００号明細書
【特許文献９】特開平１０−９８１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献３記載の技術では光ファイバ長手方向と反射面に対する法線が平行になっているため、光ファイバと反射板との距離変化に対する反射光強度変化量（測定感度）を変更する場合、パラメータが異なる特殊光ファイバを作製する必要があり、測定感度を容易に選択することは困難である。また、光ファイバ端面が長手方向に対して直角なため、光ファイバ端面と空気層の境界でフレネル反射が発生し、受光強度の変動や、出射光の強度損失の増加などによって測定精度が悪化する。さらに、ファイバ端面と反射板との間で多重反射が発生し易く、それにより測定精度が悪化する。
【００１０】
また、以前では光強度変化を利用する方式において、光強度が大きくとれることは重要であり、特許文献４及び特許文献５などのようにマルチモードファイバを使用することは有用であった。しかし、マルチモードファイバは曲げに弱いという問題があり、曲げによりモードの伝搬状態が変化するためＮＡが容易に変化し、かつ損失も変化する。また、光源として発光ダイオード（ＬＥＤ：light-emitting diode）を使用することは価格および偏波依存性の観点から有利であるが、ＬＥＤは温度変化によって強度スペクトルが変化する温度依存性をもっており、温度が上昇すると光強度は減衰し、ピーク波長は長波側にシフトする。よって波長依存性のある光カップラや光フィルタを使用すると測定値が変動してしまい測定誤差が大きくなる。また、ＮＡの波長依存性の大きい光ファイバを使用すると、ＬＥＤの波長変動によってＮＡが大きく変化し、出射光のビーム形状や、反射光の受光量が変化するため、反射面による結合効率が変化する。この結合効率の変動は補償することができないため、そのまま測定精度の悪化につながってしまう。また光通信などデジタルで使用する場合では曲げ損失は余り影響ないが、このようにアナログ伝送に利用する場合には、曲げによる損失の影響は非常に大きく、測定精度が悪化してしまう。
【００１１】
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、伝送路の曲げによる影響を受けず、光源の波長スペクトルが変化することによる光ファイバＮＡの変化によって変動する測定値を抑制し、精度良く測定することのできる光学式検出センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１記載の発明は、光源と、光源から出力された出射光を導光する第１光ファイバと、第１光ファイバの端面から相対距離離して配置された被測定物に出射光を照射し、この被測定物で反射した反射光を受光する第２及び第３光ファイバと、第２及び第３光ファイバ内を導光した反射光をそれぞれ受光して電気信号に変換する第１及び第２受光素子と、第１及び第２受光素子で変換された電気信号の比率を基に被測定物の変位量を算出する演算処理手段を少なくとも備え、第１光ファイバは、この第１光ファイバの長手方向と被測定物の照射面に対する法線とが角度θとなるように配置され、第２及び第３光ファイバは、平行配置され、且つこの第２及び第３光ファイバの長手方向と被測定物の照射面に対する法線とが角度θとなるように配置され、第１光ファイバと、第２及び第３光ファイバは、法線を介して対向配置され、第１乃至第３光ファイバは、光源の出力波長に対してｄＮＡ/ｄλが４×１０-５以下の特性を有するものであることを要旨とする。
【００１３】
また本発明の請求項２記載の発明は、請求項１記載の光学式検出センサであって、第１乃至第３光ファイバのコアが同一平面上に配置されるように形成された第１乃至第３Ｖ溝を有するＶ溝アレイ基板を備え、Ｖ溝に配置固定された第１乃至第３光ファイバの端面と、Ｖ溝アレイ基板の端面は同一面上に位置し、且つ該端面は前記法線に対して垂直方向に形成されていることを要旨とする。
【００１４】
更に本発明の請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の光学式検出センサであって、 第１光ファイバと法線がなす角度θ、及び第２及び第３光ファイバと法線がなす角度θは、５°＜θ≦１０°であることを要旨とする。
【００１５】
また更に本発明の請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学式検出センサであって、光源として発光ダイオードを適用する場合は、光源と第１光ファイバの間に、透過中心波長がこの発光ダイオードの０℃における光強度スペクトルのピーク波長より長波側に位置し、且つ帯域幅が１ｎｍ以上２０ｎｍ以下を有するバンドパスフィルタを設けることを要旨とする。
【００１６】
また本発明の請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学式検出センサであって、第１乃至第３光ファイバは、光源の出力波長における開口数ＮＡが０．１以上０．１５以下であることを要旨とする。
【００１７】
更に本発明の請求項６記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学式検出センサであって、第１乃至第３光ファイバは、光源の出力波長におけるモードフィールド径が７．９μｍ以上９．３μｍ以下であることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、伝送路の曲げによる影響を受けず、光源の波長スペクトルが変化することによる光ファイバＮＡの変化によって変動する測定値を抑制し、精度良く測定することのできる光学式検出センサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を用いて、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施の形態に係る光学式検出センサの構成図である。図２は、図１に示した測定部Ａの拡大図である。
【００２１】
図１に示すように本発明の光学式検出センサ１は、反射面２ａを有し光ファイバ端面との相対距離Ｄが圧力や温度などの物理量に応じて変化する反射板（被測定物）２と、光源３からの光を反射板２に伝送する第１光ファイバ４（出射ポートとして機能する）と、反射面２ａで反射した光を第１及び第２受光部５及び６にそれぞれ伝送する第２及び第３光ファイバ７及び８（反射ポートとして機能する）と、第１及び第２受光部５及び６からの電気信号をそれぞれ増幅する増幅器９と、増幅された電気信号の比をとり物理量を算出する演算処理部１０から構成されており、第１光ファイバ４の端部から出射した光は反射面２ａで反射され、第２光ファイバ７と第３光ファイバ８に結合した反射光が第１及び第２受光部５及び６に伝送され演算処理部１０で反射板２の変位量を算出するものである。以下、第１、第２及び第３光ファイバ４、５及び６の端部と、これに対向配置させた反射板２の周辺部を測定部Ａと称す。
【００２２】
具体的には図２の測定部Ａ拡大図に示すように、反射面２ａに対向配置させた３本の光ファイバ端面は、光ファイバの長手方向と反射面２ａに対する法線とのなす角度θとなるように固定されている。また第２光ファイバ７と第３光ファイバ８は平行配置され、且つ第１光ファイバ４と第２及び第３光ファイバ７及び８の固定角度は反射面に対する法線を基準に対称配置されている。
【００２３】
第１〜３光ファイバ４、７、８は、ＮＡの波長依存性が小さい光ファイバを使用する。具体的には波長λに対する開口数（ＮＡ）の変化量（ｄＮＡ/ｄλ）が４×１０-５以下であることが好ましい。ＮＡの波長依存性が小さい光ファイバを使用すると曲げや波長変化によるＮＡ変化の影響を抑制することができることから変位量測定の測定精度を向上させることができる。
【００２４】
また、ＮＡ変化の小さな光ファイバの中でもシングルモードで伝搬する光ファイバを選択することが望ましい。この場合もまたＮＡ変化をより小さくすることができるため測定精度を向上させることができる。また使用波長や曲げ損を考慮するとマルチモード光ファイバを用いる場合に比べて更に測定精度を向上させることが可能になる。
【００２５】
ここで使用波長とは、使用する光源における強度スペクトルのピーク波長のことである。本実施の形態においては波長１３００nmのＬＥＤ光源を使用している。シングルモードで伝搬する光ファイバを使用すると、コア径が小さいため光強度を大きくとることが困難となるが、Ａ/Ｄ変換した後にデジタル高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行うことで精度良く測定することが可能である。このような計算処理を行うための演算処理回路、ＬＥＤ、及び受光素子としてのフォトダイオードなどは安価に手に入れることができるため材料コストの低減に寄与する。
【００２６】
次に、図３を参照して、相対距離Ｄの変化に対する光強度及び強度比の変化特性を説明する。同図において横軸は相対距離Ｄを示し、縦左軸は光強度（ｍＷ）、縦右軸は強度比を示している。
【００２７】
この特性グラフは、第１〜第３光ファイバ４、７、８の端面と反射面２ａ間の相対距離Ｄの変化に対する、第２、第３光ファイバ７、８それぞれの反射光強度Ｐ１、Ｐ２及び強度比Ｆ（Ｐ１、Ｐ２）の変化を示したものである。以下、この変化特性を距離依存性と呼ぶ。強度比Ｆの算出式は、Ｆ（Ｐ１、Ｐ２）＝（Ｐ２−Ｐ１）/（Ｐ１＋Ｐ２）とした。この距離依存性に示されているように、第２光ファイバ７の反射光強度Ｐ１と第３光ファイバ８の反射光強度Ｐ２はそれぞれピークを有する曲線となる。また強度比Ｆ（Ｐ１、Ｐ２）は、曲線Ｐ１と曲線Ｐ２の交点を通過し、ほぼ線形のスロープを有する曲線となる。物理量の測定を行う場合には、このスロープ部が使用され、より線形である方が距離変化を物理量に変換する補正関数がシンプルとなり演算処理し易く、誤差が小さいという利点がある。一方、測定感度は、スロープの傾きΔ＝ｄＦ（Ｐ１、Ｐ２）/ｄＤで表され、Δが大きい方が測定感度は高くなる。
【００２８】
ここで、図４を参照して、固定角度θをθLに変化（θ＜θL）させた場合の距離依存性の変化を説明する。固定角度θを大きくすると曲線Ｐ１、曲線Ｐ２のピーク位置は曲線Ｐ１１、曲線Ｐ２１、即ち反射面２ａに近づきスロープの傾きΔは大きくなる。一方、角度θを小さくするとピーク位置は反射面から遠くなり傾きΔも小さくなる（図示せず）。
【００２９】
このように固定角度θを変化させるとΔが変化するため、これを利用することで測定感度を容易に選択することが可能となる。また測定できる光強度においては、各光強度曲線のピーク位置により変化し、各曲線のピーク位置が近いと光強度は大きく、ピーク位置が遠いと光強度は小さくなる。
【００３０】
ここで測定範囲、すなわち距離依存性においても線形のスロープが存在する相対距離範囲は、測定感度とトレードオフの関係にあり、測定感度が大きくなると測定範囲は狭く、逆に測定感度が小さくなると測定範囲は広くなる。固定角度θ＝１０°以上になると測定範囲は６０μmでほぼ飽和してしまう。また光ファイバとしてシングルモードで伝搬するファイバを用いた場合、固定角度θ＝５°より小さい角度では、測定できる光強度が非常に小さくなり測定精度が悪化する。従って、固定角度は５°＜θ≦１０°であることが望ましい。
【００３１】
次に、図５及び図６を参照して、Ｖ溝アレイ石英基板１１を使用した場合の測定部Ａを示す。図５は、本発明の他の実施の形態に係る光学式検出センサの測定部Ａの拡大図である。図６は、Ｖ溝アレイ石英基板１１のＡ−Ａ線断面図である。
【００３２】
図５及び図６に示すように、第１〜第３光ファイバ４、７、８を固定角度θで固定する場合、予めＶ溝加工が施されたアレイ石英基板１１を用いることで精度良く光ファイバを固定することができる。固定方法としては、Ｖ溝に沿って光ファイバを仮留めし、上部からＶ溝加工なしの光ファイバ押え蓋１２で挟んだ状態で樹脂によって固定する。これにより３本の第１〜第３光ファイバコア部４ａ、７ａ、８ａは、同一平面上に精度良く固定することができ、高さばらつきによる強度変動を抑制し測定精度の悪化を防止することができる。ここでＶ溝アレイ基板に使用される材料は石英に限定されず、Ｖ溝形成が可能な材料であれば材料は問わない。
【００３３】
また図６に示すように、Ｖ溝アレイ石英基板１１の端面部での各光ファイバの間隔は、より大きな光強度を得るためにできるだけ近い方が望ましい。しかし、第１光ファイバ４と第２光ファイバ７の間では、斜めに挿入された光ファイバ同士がぶつからないように考慮する必要があり、Ｖ溝加工の精度と光ファイバの作製精度を考えると、コア部の間隔Ｌ１は、１４０μｍ以上２６５μｍ以下とすることが望ましい。また第２光ファイバ７と第３光ファイバ８は平行配置されているため、コア間隔Ｌ２は１２７μｍ以上２５２μｍ以下が望ましい。
【００３４】
また、光ファイバを固定後にアレイ石英基板１１の端面を研磨することで全光ファイバの端面が斜めにカットされるので、光ファイバ端面によるフレネル反射が低減されることに加え、ファイバ端面と反射板との間での多重反射が発生するのを抑制することができ、その結果、測定精度が改善することができる。
【００３５】
一方、光源としてＬＥＤを使用する場合には温度依存性による波長シフトの問題があるが、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ：Band Pass Filter）を挿入することで出射光の波長および強度変化を抑制することができる。特に、波長依存性を有する光ファイバのＮＡなどによる測定誤差を小さくすることができる。ここで挿入するＢＰＦの光学特性として、透過中心波長が、０℃におけるＬＥＤのスペクトルのピーク波長より長波で、且つ帯域幅は１ｎｍ以上、２０ｎｍ以下であることが望ましい。また、ＬＥＤとＢＰＦを組合せた光源と、上記に述べたＮＡの波長依存性が小さな光ファイバを使用し、更に使用波長や曲げ損を考慮すると測定精度をさらに良くすることが可能となる。波長λの変化に対する強度比Ｆ（Ｐ１、Ｐ２）の変化であるｄＦ（Ｐ１、Ｐ２）/ｄλは、光ファイバのＮＡが変化することで変動する。このｄＦ（Ｐ１、Ｐ２）/ｄλの変動は直接測定誤差につながるため、センサ全体の測定誤差を考慮すると、ｄＦ（Ｐ１、Ｐ２）/ｄλが２．５×１０-４以下であることが望ましく、そのためには波長λの変化に対するＮＡ変化であるｄＮＡ/ｄλが４×１０-５以下である必要がある。
【００３６】
従って、本発明によれば、ＮＡの波長依存性が小さい光ファイバを選択すると共に、望ましくは波長依存性が４×１０-５以下の光ファイバを使用する。またＮＡの波長依存性が小さい光ファイバの具体例としてはシングルモード光ファイバを用いる。これによりＮＡ変動や曲げ損変動を抑制し、ひいては測定精度を向上させることができる。
【００３７】
また、Ｖ溝アレイ石英基板１１を用いて光ファイバを固定し、基板端面と光ファイバ端面を同一面とするように端面研磨を行うことで、３本のコアの高さばらつきを小さくし、且つ光ファイバ端面でのフレネル反射や反射面との多重反射を抑制できるため、更に測定精度が改善することができる。
【００３８】
更に、光ファイバの固定角度θを調整することにより、測定範囲・感度を容易に選択することが可能になり、この調整により測定精度を向上させることができる。
【００３９】
また更に、光源をＬＥＤとした場合に、ＬＥＤとバンドパスフィルタを組合せることでＬＥＤの温度依存性を抑制することができる。更に光ファイバＮＡの波長依存性も抑えることができるので両者の相乗効果により更に測定精度を改善することができる。
【００４０】
（実施例１）
次に、本発明に係る光学式検出センサの第１実施例を説明する。
【００４１】
本実施例では、光ファイバ固定角度θが、４°、５°、６°、８°、１０°を有するＶ溝アレイ石英基板１１をそれぞれ用意し、各アレイ端面に反射板２を対向配置させ、他の部材構成は図５の構成と同様にした。そして第１光ファイバ４から出力された出射光を反射面２ａに照射し、反射した反射光を第２及び第３光ファイバ７及び８で受光し、それぞれの光強度Ｐ１とＰ２から比率を算出し、相対距離Ｄが変化したときの強度比の変化を測定した。ここで光強度比Ｆの算出式はＦ（Ｐ１、Ｐ２）＝（Ｐ２‐Ｐ１）/（Ｐ１+Ｐ２）に基づいて算出した。
【００４２】
図７に相対距離Ｄの変化に対する光強度比Ｆの測定結果を示す。同図において横軸は相対距離Ｄを示し、縦軸は強度比を示している。
【００４３】
図７に示すように、いずれも相対距離Ｄが大きくなるに従って、強度比は増加する傾向にある。線形のスロープ部においては、固定角度θが大きくなるにつれて、傾きΔが大きくなるので測定感度は高くなり、測定範囲は小さくなる。また固定角度θが大きくなると、強度比のスロープの立ち上がる相対距離が小さくなる。これは固定角度θが大きなものの方が、相対距離の小さい位置に光強度のピークがあるためで、これにより測定できる光強度の絶対値も大きくなる。
【００４４】
これらの結果から、固定角度θと測定範囲の関係を求めたものを図８に示す。同図において横軸は相対距離Ｄを示し、縦軸は測定範囲を示している。同図によれば、固定角度θ＝１０°より大きくなると測定範囲は６０μｍでほぼ飽和してしまう。一方、これ以上大きくしても測定感度はほとんど変化がない。また固定角度θ＝４°で測定範囲は４００μｍであり、これより小さい角度では測定範囲は広くなるが、測定感度は非常に小さくなり、光強度が非常に小さくなるため測定が非常に困難であり測定精度悪化の原因となるため、実際に使用するには５°より大きな角度であることが望ましい。以上のことを鑑みると、固定角度θは５°＜θ≦１０°が最適範囲と言える。
【００４５】
（実施例２）
次に、本発明に係る光学式検出センサの第２実施例を説明する。
【００４６】
本実施例では、光源にＬＥＤを使用し、ＬＥＤの温度を０℃から８０℃まで変化させた場合の光強度の変動を、ＢＰＦを挿入したときとしないときで比較し、その効果を示すものである。
【００４７】
図９にＬＥＤにＢＰＦを挿入しない場合の温度に対する強度スペクトルの変化を示す。同図において横軸は波長を示し、縦左軸は光強度、縦右軸は透過率を示している。
【００４８】
図９に示すように、強度スペクトルは温度が上昇するに従って、強度が全体的に減衰し、ピーク波長は長波側に約４０ｎｍシフトすることが確認できた（０℃のピーク値と８０℃のピーク値の差分より算出。）。
【００４９】
ここで図９に示すように、帯域幅が１０ｎｍ程度であり、中心波長が１３３０ｎｍの第１ＢＰＦ１３と１２８０ｎｍの第２ＢＰＦ１４の２種類をそれぞれ挿入した場合の光強度のばらつきを確認した。図１０に第１ＢＰＦ１３、第２ＢＰＦ１４を挿入した場合の温度変化に対する強度変動を示す。同図において横軸はＬＥＤ温度を示し、縦軸は光強度を示している。（１）ＢＰＦなしの場合、最大強度と最小強度との差が１０倍以上あるのに対し、（２）第１ＢＰＦ１３を挿入すると２倍程度に抑えることができた。しかし、（３）第２ＢＰＦ１４を挿入すると強度変化量は１００倍以上と大きくなり悪化した。 従って、ＢＰＦを挿入することにより、ＬＥＤの温度依存性による波長シフトの影響は抑制できるが、光強度変動は挿入するＢＰＦの中心波長に依存し、０℃のときのピーク波長よりも長波側に設定するのが良い。帯域幅も狭くし過ぎると光強度の絶対値が小さくなってしまい測定精度の悪化につながるため、帯域幅の下限は１ｎｍ以上であることが望ましい。また帯域幅を広くし過ぎると、強度スペクトル変化の影響を受けるため、帯域幅の上限は２０ｎｍ以下であることが望ましい。
【００５０】
（実施例３）
次に、本発明に係る光学式検出センサの第３実施例を説明する。
【００５１】
本実施例では、シングルモード（ＳＭ）で伝搬する光ファイバ（１）、（２）、（３）とマルチモード（ＭＭ）で伝搬する光ファイバ（４）を用い、それぞれのＮＡの波長依存性を測定した。本実験で使用した４種類の光ファイバの波長１３００ｎｍにおけるＮＡとモードフィールド径を図１１に示す。ここでモードフィールド径において、光ファイバ（４）はＭＭで伝搬する光ファイバであるため、一般的な評価値として用いられているコア径で表記した。図１２にこれら各光ファイバにおけるＮＡの波長依存性の測定結果を示す。同図において横軸は波長λを示し、縦軸は波長λの変化に対するＮＡ変化であるｄＮＡ／ｄλを示している。ＳＭで伝搬する光ファイバに比べ、ＭＭで伝搬する光ファイバのｄＮＡ／ｄλはばらつきが大きく、その値の再現性はない。従ってＭＭで伝搬する光ファイバを使用する場合は、波長変化によりＮＡが変動し測定精度も悪化する。またＳＭで伝搬する光ファイバでは、光ファイバ（２）がｄＮＡ／ｄλの大きさが４．８×１０-５と大きく、光ファイバ（１）と（３）は１．５×１０-５以下と小さい。従ってＳＭで伝搬する光ファイバの中でも、光ファイバ（１）や（３）のようなｄＮＡ/ｄλが小さなものを使用することで、波長変化によるＮＡ変動をより効果的に抑制でき、更に測定誤差を小さくすることが可能となる。ここで測定強度を大きくとりたい場合、ＮＡは小さい方が良いことから、光ファイバ（１）を使用するのが最適である。
【００５２】
（実施例４）
次に、本発明に係る光学式検出センサの第４実施例を説明する。
【００５３】
本実施例では、ＳＭで伝搬する光ファイバ（１）、（２）、（３）を用意し、波長１２００ｎｍから１６００ｎｍの範囲において、図５のＶ溝アレイ石英基板１１を使用した測定系を用いて、強度比Ｆ（Ｐ１、Ｐ２）を測定し、その変動を確認した。ここでは一例として光ファイバの固定角度θ＝５°の場合について説明するが、その他の角度においてもほぼ同等の結果が得られた。また今回使用した光ファイバの波長１３００ｎｍにおけるＮＡとモードフィールド径は図１１に示したものを使用した。相対距離Ｄは、波長１２００ｎｍにおいて距離依存性のスロープが最も線形になる位置で固定した。ここで強度比Ｆ（Ｐ１、Ｐ２）＝（Ｐ２‐Ｐ１）/（Ｐ１+Ｐ２）とした。
【００５４】
図１３に波長変化に対する強度比の変動量の関係を示す。同図において横軸は波長を示し、縦軸は強度比変動量を示している。ここで変動量とは、波長１２００ｎｍにおける強度比を基準とし、実際に使用する強度比のフルスケールに対しての変化の割合を表している。同図より、グラフのスロープが大きいほど、波長依存性が大きいことを表している。使用光源がＬＥＤの場合、温度が０℃から８０℃まで変化すると、波長は約４０ｎｍ長波側にシフトする。実際に使用する場合の許容測定誤差として、この波長シフト量４０ｎｍでの強度比変動量が±１％以下である必要があり、これを波長変化に対する強度比の変化ｄＦ（Ｐ１、Ｐ２）/ｄλに変換すると２．５×１０-４以下となる。
【００５５】
ここで図１４に波長λの変化に対するＮＡ変化（ｄＮＡ/ｄλ）とｄＦ（Ｐ１、Ｐ２）/ｄλの関係を示す。この結果より、ｄＦ（Ｐ１、Ｐ２）/ｄλ≦２．５×１０-４となるには、ｄＮＡ/ｄλ≦４×１０-５である必要があり、ＮＡ波長依存性がこの範囲内である光ファイバを使用することで、測定精度を良くすることが可能であることが示された。
【００５６】
（実施例５）
次に、本発明に係る光学式検出センサの第５実施例を説明する。
【００５７】
本実施例では、ＮＡの異なる２種類の光ファイバを用い、それぞれの曲げ損失を測定した。本実施例で使用した光ファイバの波長１３００ｎｍにおけるＮＡとモードフィールド径は図１１に示した通りである。曲げ径は２０ｍｍで行い徐々に巻数を増やしたときの曲げ損失を測定した。また測定光源には波長が１３００ｎｍ、１５５０ｎｍの２種類を使用した。
【００５８】
図１５に各光ファイバにおける曲げ損失の測定結果を示す。同図において横軸は巻数を示し、縦軸は損失変化を示している。この測定結果によれば、波長１３００ｎｍの場合、光ファイバ（１）と（２）は共に曲げ損失は小さく、巻数を増やしても損失は増加しなかった。しかし、波長１５５０ｎｍの場合、光ファイバ（２）はほとんど損失がないが、光ファイバ（１）の曲げ損失は非常に大きく、巻数６回で強度が半分にまで減少した。
【００５９】
上記測定結果より光ファイバの曲げ損失は、使用する光源の波長によって大きく異なることが示された。従って使用波長に応じて最適な光ファイバを選択する必要があり、光源と光ファイバとの組合せを適切に選択することによって測定誤差を小さくすることが可能であることが示された。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施の形態に係る光学式検出センサの構成図である。
【図２】図１に示した測定部Ａの拡大図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る光学式検出センサの相対距離Ｄの変化に対する光強度及び強度比の変化特性を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態に係る光学式検出センサの固定角度θをθLに変化（θ＜θL）させた場合の距離依存性の変化を説明するためのグラフである。
【図５】本発明の他の実施の形態に係る光学式検出センサの測定部Ａの拡大図である。
【図６】図５に示すＶ溝アレイ石英基板１１のＡ−Ａ線断面図である。
【図７】本発明の第１実施例に係る相対距離Ｄの変化に対する光強度比Ｆの測定結果を示すグラフである。
【図８】本発明の第１実施例に係る固定角度θと測定範囲の関係を示すグラフである。
【図９】本発明の第２実施例に係るＬＥＤにＢＰＦを挿入しない場合の温度に対する強度スペクトルの変化を示すグラフである。
【図１０】本発明の第２実施例に係るＢＰＦ１３、ＢＰＦ１４を挿入した場合の温度変化に対する強度変動を示すグラフである。
【図１１】本発明の第３実施例に係る４種類の光ファイバの波長１３００ｎｍにおけるＮＡとモードフィールド径をまとめた表である。
【図１２】本発明の第３実施例に係る光ファイバにおけるＮＡの波長依存性の測定結果を示すグラフである。
【図１３】本発明の第４実施例に係る波長変化に対する強度比の変動量の関係を示すグラフである。
【図１４】本発明の第４実施例に係る波長λの変化に対するＮＡ変化（ｄＮＡ/ｄλ）とｄＦ（Ｐ１、Ｐ２）/ｄλの関係を示すグラフである。
【図１５】本発明の第５実施例に係る光ファイバの曲げ損失の測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６１】
１…光学式検出センサ
２…反射板
２ａ…反射面
３…光源
４…第１光ファイバ
４ａ…第１光ファイバコア部
５…第１受光部
６…第２受光部
７…第２光ファイバ
７ａ…第２光ファイバコア部
８…第３光ファイバ
８ａ…第３光ファイバコア部
９…増幅器
１０…演算処理部
１１…Ｖ溝アレイ石英基板
１２…光ファイバ押え蓋
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源から出力された出射光を導光する第１光ファイバと、
前記第１光ファイバの端面から相対距離離して配置された被測定物に前記出射光を照射し、該被測定物で反射した反射光を受光する第２及び第３光ファイバと、
前記第２及び第３光ファイバ内を導光した反射光をそれぞれ受光して電気信号に変換する第１及び第２受光素子と、
前記第１及び第２受光素子で変換された電気信号の比率を基に前記被測定物の変位量を算出する演算処理手段を少なくとも備え、
前記第１光ファイバは、該第１光ファイバの長手方向と前記被測定物の照射面に対する法線とが角度θとなるように配置され、
前記第２及び第３光ファイバは、平行配置され、且つ該第２及び第３光ファイバの長手方向と前記被測定物の照射面に対する法線とが角度θとなるように配置され、
前記第１光ファイバと、前記第２及び第３光ファイバは、前記法線を介して対向配置され、
前記第１乃至第３光ファイバは、前記光源の出力波長に対してｄＮＡ/ｄλが４×１０-５以下の特性を有するものであることを特徴とする光学式検出センサ。
【請求項２】
第１乃至第３光ファイバのコアが同一平面上に配置されるように形成された第１乃至第３Ｖ溝を有するＶ溝アレイ基板を備え、
前記Ｖ溝に配置固定された前記第１乃至第３光ファイバの端面と、前記Ｖ溝アレイ基板の端面は同一面上に位置し、且つ該端面は前記法線に対して垂直方向に形成されていることを特徴とする請求項１記載の光学式検出センサ。
【請求項３】
前記第１光ファイバと法線がなす角度θ、及び前記第２及び第３光ファイバと法線がなす角度θは、５°＜θ≦１０°であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式検出センサ。
【請求項４】
前記光源として発光ダイオードを適用する場合は、
前記光源と前記第１光ファイバの間に、透過中心波長が該発光ダイオードの０℃における光強度スペクトルのピーク波長より長波側に位置し、且つ帯域幅が１ｎｍ以上２０ｎｍ以下を有するバンドパスフィルタを設けることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学式検出センサ。
【請求項５】
前記第１乃至第３光ファイバは、前記光源の出力波長における開口数ＮＡが０．１以上０．１５以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学式検出センサ。
【請求項６】
前記第１乃至第３光ファイバは、前記光源の出力波長におけるモードフィールド径が７．９μｍ以上９．３μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学式検出センサ。
【請求項１】
光源と、
前記光源から出力された出射光を導光する第１光ファイバと、
前記第１光ファイバの端面から相対距離離して配置された被測定物に前記出射光を照射し、該被測定物で反射した反射光を受光する第２及び第３光ファイバと、
前記第２及び第３光ファイバ内を導光した反射光をそれぞれ受光して電気信号に変換する第１及び第２受光素子と、
前記第１及び第２受光素子で変換された電気信号の比率を基に前記被測定物の変位量を算出する演算処理手段を少なくとも備え、
前記第１光ファイバは、該第１光ファイバの長手方向と前記被測定物の照射面に対する法線とが角度θとなるように配置され、
前記第２及び第３光ファイバは、平行配置され、且つ該第２及び第３光ファイバの長手方向と前記被測定物の照射面に対する法線とが角度θとなるように配置され、
前記第１光ファイバと、前記第２及び第３光ファイバは、前記法線を介して対向配置され、
前記第１乃至第３光ファイバは、前記光源の出力波長に対してｄＮＡ/ｄλが４×１０-５以下の特性を有するものであることを特徴とする光学式検出センサ。
【請求項２】
第１乃至第３光ファイバのコアが同一平面上に配置されるように形成された第１乃至第３Ｖ溝を有するＶ溝アレイ基板を備え、
前記Ｖ溝に配置固定された前記第１乃至第３光ファイバの端面と、前記Ｖ溝アレイ基板の端面は同一面上に位置し、且つ該端面は前記法線に対して垂直方向に形成されていることを特徴とする請求項１記載の光学式検出センサ。
【請求項３】
前記第１光ファイバと法線がなす角度θ、及び前記第２及び第３光ファイバと法線がなす角度θは、５°＜θ≦１０°であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式検出センサ。
【請求項４】
前記光源として発光ダイオードを適用する場合は、
前記光源と前記第１光ファイバの間に、透過中心波長が該発光ダイオードの０℃における光強度スペクトルのピーク波長より長波側に位置し、且つ帯域幅が１ｎｍ以上２０ｎｍ以下を有するバンドパスフィルタを設けることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学式検出センサ。
【請求項５】
前記第１乃至第３光ファイバは、前記光源の出力波長における開口数ＮＡが０．１以上０．１５以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学式検出センサ。
【請求項６】
前記第１乃至第３光ファイバは、前記光源の出力波長におけるモードフィールド径が７．９μｍ以上９．３μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学式検出センサ。
【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１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００７−２４８２６（Ｐ２００７−２４８２６Ａ）
【公開日】平成１９年２月１日（２００７．２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２１１２８７（Ｐ２００５−２１１２８７）
【出願日】平成１７年７月２１日（２００５．７．２１）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月１日（２００７．２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月２１日（２００５．７．２１）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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