物理量計測システム
【課題】多点計測時の異常検出を低コストで行うことを実現した物理量計測システムを提供することを目的とする。
【解決手段】温度計測システム１０は、ＦＢＧ２１〜３０が設けられた光ファイバ１１、光ファイバ１１に接続される計測装置１２、及び光ファイバ１１に入射光を出力する光源を備えている。ＦＢＧ２１〜３０は、全て同様に加工されたものであり、互いに同一となる反射帯域を有している。また、光源１４は、ＦＢＧ２１〜３０の反射帯域を含む広帯域の光を光ファイバ１１に出力する。計測装置１２は、ＦＢＧ２１〜３０からの反射光の全体的なスペクトルの総光量を検出しており、この総光量に基づいて、各ＦＢＧ２１〜３０が配置されている電池セルＶ１〜Ｖ１０の異常判別が行われる。
【解決手段】温度計測システム１０は、ＦＢＧ２１〜３０が設けられた光ファイバ１１、光ファイバ１１に接続される計測装置１２、及び光ファイバ１１に入射光を出力する光源を備えている。ＦＢＧ２１〜３０は、全て同様に加工されたものであり、互いに同一となる反射帯域を有している。また、光源１４は、ＦＢＧ２１〜３０の反射帯域を含む広帯域の光を光ファイバ１１に出力する。計測装置１２は、ＦＢＧ２１〜３０からの反射光の全体的なスペクトルの総光量を検出しており、この総光量に基づいて、各ＦＢＧ２１〜３０が配置されている電池セルＶ１〜Ｖ１０の異常判別が行われる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は物理量計測システムに係り、特に、複数のＦＢＧが設けられた光ファイバを利用して多点の物理量計測を行う物理量計測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、熱や応力あるいは圧力等の物理量を計測するためのセンサとして、ＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）が設けられた光ファイバが利用される。ＦＢＧとは、光ファイバのコアの屈折率を軸方向に沿った所定の長さ周期（グレーティング周期）で変化させた回折格子であって、光ファイバへの入射光に対し、グレーティング周期に応じた特定の波長（ブラッグ波長）の光を反射し、残りの光を透過するという特性を有している。物理量の変化に応じてＦＢＧが伸縮すると、それに伴ってグレーティング周期が変化する。ブラッグ波長は、グレーティング周期の変化に対して線形にシフトするため、ブラッグ波長のシフト量に基づいて物理量を計測することが可能となる。また、一本の光ファイバに複数のＦＢＧを設ければ、複数箇所の物理量を計測する多点計測が可能となる。
【０００３】
このような光ファイバを利用して多点計測を行う物理量計測システムの一例として、特許文献１に記載の温度計測システムが挙げられる。この温度計測システムは、高温の液体または気体が熱媒体として流通する配管に光ファイバを敷設するとともに配管の複数の計測対象部位にＦＢＧを配置し、光ファイバ温度計測装置から光ファイバにレーザパルスを入射して各計測対象部位の温度を計測するものである。尚、各計測対象部位の温度は、光ファイバの光路に発生する散乱光強度と温度との間の相関、すなわち、ＦＢＧのブラッグ波長のシフト量と温度変化量との相関に基づいて、光ファイバ温度計測装置が算出する。ある計測対象部位に亀裂等が生じて熱媒体が漏洩すると、その計測対象部位における温度上昇の勾配が他の計測対象部位における勾配に対して大きくなる。光ファイバ温度計測装置は、傾きが大きくなった計測対象部位における温度の異常上昇を検出し、その部位で熱媒体の漏洩が発生していると判断する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−７１４７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載されているような温度計測システムの用途の一例として、ＥＶ（電気自動車）等に用いられる電池の異常温度検出が挙げられる。通常、このような電池は数個から数十個の複数の電池セルを有しており、正常動作時における複数の電池セルの温度は略均一となる。このような電池において、少なくとも一つの電池セルの温度が異常となった場合、他の電池セルの温度が正常であるかどうかに関わらず電池全体の使用を中止することが求められる。つまり、このような用途に用いられる温度計測システムでは各電池セルの温度をそれぞれ計測する必要及び異常が発生している電池セルを特定する必要はなく、異常温度となっている電池セルが存在するかどうかだけを検出できればよい。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の温度計測システムは、温度変化の勾配を算出するため及び熱媒体の漏洩箇所を特定するために各被計測部の温度をそれぞれ算出している。この場合、複数のＦＢＧが互いに異なる特性を有するような加工、具体的には各ＦＢＧの反射帯域が互いに異なるようにする加工が必要となるため、同じ特性を有する複数のＦＢＧを加工する場合と比較して、光ファイバの製造コストは高くなる。すなわち、少なくとも一箇所で異常が発生した場合に装置全体の使用や動作を停止させるような用途に特許文献１に記載の温度計測システムを適用する場合、温度計測システムを低コストで構築することが困難であるという問題点を有していた。尚、特許文献１に記載の温度計測システムを、応力や圧力等の温度以外の物理量計測に適用する場合においても上記の問題点は共通である。
【０００７】
この発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、多点計測時の異常検出を低コストで行うことを実現した物理量測定システム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】
【０００８】
この発明に係る物理量計測システムは、複数のＦＢＧが設けられた光ファイバと、光ファイバに入射光を出力する光源と、入射光に対する複数のＦＢＧからの反射光または透過光が入力される計測装置とを備えた物理量計測システムにおいて、複数のＦＢＧは互いに同一となる反射帯域を有しており、光源は、ＦＢＧの反射帯域より広帯域の光を入射光として出力しており、計測装置は、複数のＦＢＧからの反射光の総光量または複数のＦＢＧからの透過光の総光量に基づいて、ＦＢＧが配置された箇所である被計測部における物理量の変化を判別することを特徴とするものである。
【０００９】
被計測部に配置されたＦＢＧの反射スペクトルは、被計測部から印加された物理量に応じてシフトする。また、光源から光ファイバに出力される光は、ＦＢＧの反射帯域より広帯域の光であるため、この入射光に対するＦＢＧの反射光のスペクトルは、ＦＢＧの反射スペクトルと同一形状のものとなる。ここで、各ＦＢＧの反射帯域は互いに同一であるため、被計測部から各ＦＢＧに印加される物理量が略均一である場合、各ＦＢＧの反射スペクトルも略同一の形状となる。より具体的に説明すると、各ＦＢＧから計測装置に入力される反射光の全体的なスペクトルは、１つのピーク値を有する略放物線状となる。一方、例えば、ある１つのＦＢＧに印加される物理量が他のＦＢＧに印加される物理量とは異なる場合、計測装置に入力される反射光の全体的なスペクトルは、２つのピーク値を有するとともに帯域幅が広がった形状に変化する。
【００１０】
この場合、各ＦＢＧに印加される物理量が略同一である場合と比較すると、反射光の総光量が大きくなる。すなわち、複数のＦＢＧからの反射光の総光量を計測装置で計測すれば、各ＦＢＧに印加される物理量が略均一であるかどうかが分かるため、各ＦＢＧが配置された部位に異常が生じているかどうかを判別することが可能となる。尚、ＦＢＧからの透過光を利用する場合、透過光のスペクトルは入射光のスペクトルからＦＢＧの反射スペクトルを除いた形状となり、この形状の変化に基づいて物理量の変化を判別できる。上述したように、互いに異なる反射帯域を有する複数のＦＢＧを設ける必要がないため、光ファイバの製造コストが低減される。また、計測装置は、各ＦＢＧからの反射光全体のスペクトルまたは透過光全体のスペクトルの形状の変化のみを監視していればよいため、複雑な信号処理を必要としない。したがって、多点計測を行う物理量計測システムにおいて、異常検出を低コストで行うことが可能となる。
【００１１】
計測装置は、所定の波長における複数のＦＢＧからの反射光の強度、または所定の波長における複数のＦＢＧからの透過光の強度を計測可能であってもよい。各ＦＢＧにおける物理量の変化に異常がない場合、各ＦＢＧに印加される物理量を計測することができる。また、あるＦＢＧにおける物理量の変化に異常が生じて反射光全体のスペクトルまたは透過光全体のスペクトルに形状変化が生じた場合、正常時におけるスペクトルのピーク位置、異常発生時におけるスペクトルのピーク位置、及び正常時に計測された物理量に基づいて、異常となっている被計測部における物理量を計測することもできる。
尚、物理量は、熱、応力または圧力のいずれかであってもよい。また、被計測部は複数設けられ、複数のＦＢＧは被計測部にそれぞれ配置されてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、多点計測を行う物理量計測システムにおいて、異常検出を低コストで行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の実施の形態に係る物理量計測システムの構成を示す概略図である。
【図２】実施の形態に係る物理量計測システムにおけるＦＢＧの構成を示す概略図である。
【図３】実施の形態に係る物理量計測システムを用いて異常検出を行う方法を説明するための図であり、（ａ）は正常時における各ＦＢＧからの反射光のスペクトルを示し、（ｂ）は異常発生時における各ＦＢＧからの反射光のスペクトルを示す。
【図４】実施の形態に係る物理量計測システムを用いて異常検出を行う方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、この発明の実施の形態について添付図に基づいて説明する。
この実施の形態に係る物理量計測システムの構成について、例えばＥＶ（電気自動車）で用いられる電池Ｖの温度計測システム１０として適用した場合を例として、図１、２に基づいて説明する。尚、電池Ｖは、被計測部としての１０個の電池セルＶ１〜Ｖ１０を有するものであり、温度計測システム１０は、これらの電池セルＶ１〜Ｖ１０の温度変化を判別し、それにより、電池セルＶ１〜Ｖ１０における異常の有無を判別するものである。
【００１５】
図１に示すように、温度計測システム１０は一本の光ファイバ１１と計測装置１２とを備えており、光ファイバ１１の一端１１ａ及び他端１１ｂが計測装置１２にそれぞれ接続されている。また、光ファイバ１１の一端１１ａ側には光サーキュレータ１３を介して光源１４が接続されており、光源１４から出力された光が、矢印Ａ１で示されるように他端１１ｂ側に向かって光ファイバ１１内を伝播する。さらに、光ファイバ１１の途中には、１０個のＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）２１〜３０が設けられており、これらのＦＢＧ２１〜３０が電池セルＶ１〜Ｖ１０にそれぞれ固定されている。後述するように、ＦＢＧ２１〜３０は、入射光に対してブラッグ波長と呼ばれる特定の波長の光を反射するとともに残りの光を透過するものである。これらのＦＢＧ２１〜３０からの反射光は、矢印Ａ２で示される方向に光サーキュレータ１３によって導かれ、計測装置１２に入力されるようになっている。尚、計測装置１２は、ＦＢＧ２１〜３０からの反射光に基づいて各電池セルＶ１〜Ｖ９における温度の計測や異常判別を行うための演算装置１５を有している。
【００１６】
次に、図２に示されるＦＢＧ２１を参照して、その構成について説明する。
図２に示すように、光ファイバ１１は、光源１４（図１参照）から入力される入射光Ｌ１が伝播するコア１１ｃと、コア１１ｃの外周部を覆うクラッド１１ｄとを有している。ＦＢＧ２１は、コア１１ｃの屈折率を軸方向に沿った所定の長さ周期（グレーティング周期）Λで変化させた回折格子であって、入射光Ｌ１に対し、特定の波長（ブラッグ波長）の光を反射光Ｌ２として反射し、残りの光を透過光Ｌ３として透過するという特性を有している。尚、光ファイバ１１は、例えば石英ガラス等の材料から形成されており、その熱膨張率は正の値となっている。また、一例として、各ＦＢＧ２１〜３０は、光ファイバ１１に紫外線等を照射することによって加工される。
【００１７】
グレーティング周期Λは、ＦＢＧ２１のブラッグ波長を規定する要素の１つとなっており、グレーティング周期Λの変化量に対してブラッグ波長が線形に変化するようになっている。すなわち、電池セルＶ１の温度が上昇してＦＢＧ２１が伸張すると、グレーティング周期Λも大きくなるため、それに伴ってブラッグ波長が長波長側にシフトする。したがって、ブラッグ波長のシフト量に基づいて、電池セルＶ１の温度を計測することが可能となる。尚、ＦＢＧ２１を透過した透過光Ｌ３は、入射光Ｌ１から反射光Ｌ２を除いたものとなるため、ブラッグ波長のシフト量は反射側及び透過側の双方、すなわち光ファイバ１１の一端１１ａ側及び他端１１ｂ側の双方から求めることが可能となっている（図１参照）。ここで、ＦＢＧ２１〜３０は、これらの全てが同一の構成となるように加工されている。すなわち、上述したＦＢＧ２１の構成はＦＢＧ２２〜３０においても共通であり、そのため、ＦＢＧ２１〜３０は同一の反射帯域を有するものとなる。
【００１８】
図１に戻って、光源１４は、各ＦＢＧ２１〜３０の反射帯域を帯域幅に含む広帯域の光を光ファイバ１１に出力可能となっており、例えばＡＳＥ光源等が光源１４として用いられる。一方、計測装置１２は、各ＦＢＧ２１〜３０の反射帯域を含む帯域幅の総光量を検出可能な光量検出部１２ａと、各ＦＢＧ２１〜３０からの反射光の強度を検出可能な光強度検出部１２ｂとを備えている。計測装置１２は、光ファイバ１１の一端１１ａと光量検出部１２ａとを接続する主導波路１２ｃを有しており、この主導波路１２ｃを介してＦＢＧ２１〜３０の反射光が光量検出部１２ａに入力される。
【００１９】
また、計測装置１２は、主導波路１２ｃと光強度検出部１２ｂとを接続する分岐導波路１２ｄを有しており、主導波路１２ｃから分岐されて分岐導波路１２ｄ内を伝播する反射光が光強度検出部１２ｂにも入力される。さらに、分岐導波路１２ｄの途中には、所定の波長の光のみを通過させるフィルタ１２ｅが設けられている。すなわち、光強度検出部１２ｂには、ＦＢＧ２１〜３０からの反射光のうち、所定の波長の光のみが入力されるようになっている。尚、光量検出部１２ａ及び光強度検出部１２ｂとしては、例えばフォトダイードやフォトカプラ、あるいはＣＭＯＳ等の光電気変換素子が用いられる。また、光量検出部１２ａ及び光強度検出部１２ｂは演算装置１５に電気的に接続されており、演算装置１５は、光量検出部１２ａ及び光強度検出部１２ｂが検出した光量及び光の強度に基づいて、各電池セルＶ１〜Ｖ９における温度の計測や異常判別を行う。
【００２０】
次に、この発明の実施の形態に係る温度計測システム１０を用いて電池セルＶ１〜Ｖ１０における温度の異常の有無を判別する方法について、図１〜４を用いて説明する。
図１に示すように、まず、光源１４から出力された広帯域の光が光サーキュレータ１３を介して光ファイバ１１に入射される。光源１４からの光が光ファイバ１１に入射されると、最も上流側に位置するＦＢＧ２１は、そのブラッグ波長に応じた反射光を反射し、残りの光を透過光として下流側に透過する（図２参照）。同様に、ＦＢＧ２２〜３０は、上流側のＦＢＧからの透過光に対してブラッグ波長に応じた反射光を反射し、残りの光を透過する。ＦＢＧ２１〜３０の反射光は、光サーキュレータ１３によって矢印Ａ２で示される方向に導かれて計測装置１２に入力される。計測装置１２に入力された反射光の一部は、主導波路１２ｃを介して光量検出部１２ａに導かれてその総光量を検出され、検出された総光量が演算装置１５に入力される。一方、計測装置１２に入力された反射光の残りは主導波路１２ｃから分岐導波路１２ｄに分岐され、フィルタ１２ｅを通過した所定の波長の光が光強度検出部１２ｂに入力される。光強度検出部１２ｂは、入力された光の強度を演算装置１５に入力する。
【００２１】
ここで、電池Ｖの各電池セルＶ１〜Ｖ１０の動作状態が正常である場合、これらの電池セルＶ１〜Ｖ１０の温度は略同一となる。また、各ＦＢＧ２１〜３０は同様に加工されたものであり、互いに同一の反射帯域を有している。さらに、光源１４は、各ＦＢＧ２１〜３０の反射帯域を帯域幅に含む光を光ファイバ１１に入射している。つまり、電池セルＶ１〜Ｖ１０の温度が略同一である場合、各ＦＢＧ２１〜３０の反射スペクトルは互いに共通のものとなり、計測装置１２に入力される反射光のスペクトルは、図３（ａ）に示すようにピーク値が１つである放物線状のものとなる。尚、このスペクトルは、各ＦＢＧ２１〜３０のブラッグ波長λ１である中心波長でピーク値を示すものである。
【００２２】
図３（ａ）に示される波形のスペクトルを有する反射光が光量検出部１２ａに入力されると、光量検出部１２ａはその総光量を検出し、検出した総光量を電気信号に変換して演算装置１５に出力する（図４のステップＳ１参照）。また、演算装置１５は、予め入力された総光量の閾値を内部情報として記憶しており、光量検出部１２ａから入力された総光量が閾値より小さい場合、各電池セルＶ１〜Ｖ１０の動作状態が正常である、すなわち、各電池セルＶ１〜Ｖ１０の温度が略同一であると判別する（図４のステップＳ２参照）。
【００２３】
次いで、演算装置１５は、光強度検出部１２ｂから出力される所定波長の光の強度に基づいて、各電池セルＶ１〜Ｖ９の温度を計測する（図４のステップＳ３参照）。光強度検出部１２ｂは、フィルタ１２ｅを通過した短波長λ２（図３（ａ）参照）における光の強度Ｓを検出して演算装置１５に出力する。演算装置１５は、光強度検出部１２ｂから入力された光の強度Ｓに基づいて各電池セルＶ１〜Ｖ１０の温度を算出し、算出した温度をデータとして出力する（図４のステップＳ４参照）。
【００２４】
一方、電池Ｖの各電池セルＶ１〜Ｖ１０のうち、例えば電池セルＶ２の動作状態が異常となって温度が上昇した場合、電池セルＶ２に固定されているＦＢＧ２２のブラッグ波長は、温度の上昇分に応じて長波長側にシフトする。つまり、電池セルＶ１及びＶ３〜Ｖ１０の反射スペクトルが図３（ａ）に示される反射スペクトルと同様の波形を示すのに対し、電池セルＶ２の反射スペクトルは、温度の上昇分に応じて長波長側にシフトした波形となる。したがって、ＦＢＧ２１〜３０からの反射光の全体的なスペクトルは、図３（ｂ）に示されるように、ＦＢＧ２１及びＦＢＧ２３〜３０のブラッグ波長λ１においてピーク値を示す放物線状の波形と、ＦＢＧ２２のブラッグ波長λ３においてピーク値を示す放物線状の波形とが重なったものに変化する。
【００２５】
図３（ｂ）に示される波形のスペクトルを有する反射光が光量検出部１２ａに入力されると、光量検出部１２ａはその総光量を計測し、計測した総光量を電気信号に変換して演算装置１５に出力する（図４のステップＳ１参照）。ここで、図３（ｂ）に示される反射光のスペクトルは、図３（ａ）に示される反射光のスペクトル、すなわち正常時における反射光のスペクトルに対して帯域幅が広がったものとなるため、光量検出部１２ａによって検出される総光量も増加した状態となる。演算装置１５は、光量検出部１２ａから入力された総光量が閾値を超えた場合に、電池セルＶ１〜Ｖ１０の少なくとも１つの動作状態、すなわち温度が異常であると判別する（図４のステップＳ５参照）。次いで、演算装置１５は、例えば電池Ｖの作動を停止するための処理や、電池Ｖの異常を示す警告の表示等、所定の処理を行う（図４のステップＳ６参照）。尚、演算装置１５は、波長λ１と波長λ３との差分と波長λ２における反射光の強度Ｓに基づいて、異常が発生している電池セルＶ２の温度を計測することも可能となっている。
【００２６】
以上に述べたように、互いに同一の反射帯域を有する複数のＦＢＧ２１〜３０が設けられた光ファイバ１１に対して広帯域の光を入射するとともに、この入射光に対する反射光の総光量を検出するように温度計測システム１０を構成したので、各ＦＢＧ２１〜３０からの反射光の全体的なスペクトルの変化に基づいて、電池セルＶ１〜Ｖ１０の温度の異常判別を行うことが可能となる。光ファイバ１１に対し、互いに異なる反射帯域を有する複数のＦＢＧを設ける必要がないため、光ファイバ１１の製造コストが低減される。また、計測装置１２は、各ＦＢＧからの反射光全体のスペクトルのみを検出していればよいため、複雑な信号処理を必要とすることなく電池セルＶ１〜Ｖ１０の異常判別を行うことができる。したがって、多点計測を行う温度計測システム１０において、異常検出を低コストで行うことが可能となる。
【００２７】
また、計測装置１２は、ＦＢＧ２１〜３０の反射光の総光量を検出する光量検出部１２ａの他に、所定の波長λ２における反射光の強度を検出可能な光強度検出部１２ｂを有するため、異常がない場合における各電池セルＶ１〜Ｖ１０の温度、及び異常が発生した電池セルの温度を計測することが可能となる。
【００２８】
上記の実施の形態における物理量計測システムは、電池セルＶ１〜Ｖ１０の温度を計測して異常を判別するための温度計測システム１０として説明されたが、本発明における計測対象を温度に限定するものではない。ＦＢＧは、圧力や応力等、温度以外の物理量の計測用途に適用可能であり、本発明に係る物理量計測システムをそのような物理量の計測システムや異常判別システムに適用することも可能である。
また、上記の実施形態に係る温度計測システム１０は、各ＦＢＧ２１〜３０の反射光に基づいて電池セルＶ１〜Ｖ１０の温度の計測及び異常判別を行うように構成されたが、このような構成に限定するものではなく、ＦＢＧ２１〜３０の透過光利用することも可能である。ＦＢＧ２１〜３０の透過スペクトルは、光源１４が出力する光のスペクトルから各ＦＢＧの反射スペクトルを除いたものとなるため、この透過光を光ファイバ１１の端部１１ｂから計測装置１２に入力可能とすれば、温度計測システム１０と同様の効果を得ることができる。
【００２９】
上記の実施の形態に係る温度計測システム１０において、電池セルＶ１〜Ｖ１０に対応するＦＢＧ２１〜３０が光ファイバ１１に設けられたが、被計測部である電池セルの数及びＦＢＧの数を限定するものではなく、必要に応じて適宜変更可能である。尚、本発明における複数のＦＢＧは、互いに同一の反射帯域を有するように加工されたものであるため、被計測部の数が増加しても、物理量の計測及び異常判別を行うために利用する帯域幅が広がることがない。すなわち、異常の発生を示すＦＢＧを特定することができない代わりに、光ファイバに設けるＦＢＧの数が限られることがなく、利用していない入射光の帯域を他のセンサ用途等に用いることも可能である。
【符号の説明】
【００３０】
１０ 温度計測システム（物理量計測システム）、１１ 光ファイバ、１２ 計測装置、１４ 光源、２１〜３０ ＦＢＧ、Ｖ１〜Ｖ１０ 電池セル（被計測部）。
【技術分野】
【０００１】
この発明は物理量計測システムに係り、特に、複数のＦＢＧが設けられた光ファイバを利用して多点の物理量計測を行う物理量計測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、熱や応力あるいは圧力等の物理量を計測するためのセンサとして、ＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）が設けられた光ファイバが利用される。ＦＢＧとは、光ファイバのコアの屈折率を軸方向に沿った所定の長さ周期（グレーティング周期）で変化させた回折格子であって、光ファイバへの入射光に対し、グレーティング周期に応じた特定の波長（ブラッグ波長）の光を反射し、残りの光を透過するという特性を有している。物理量の変化に応じてＦＢＧが伸縮すると、それに伴ってグレーティング周期が変化する。ブラッグ波長は、グレーティング周期の変化に対して線形にシフトするため、ブラッグ波長のシフト量に基づいて物理量を計測することが可能となる。また、一本の光ファイバに複数のＦＢＧを設ければ、複数箇所の物理量を計測する多点計測が可能となる。
【０００３】
このような光ファイバを利用して多点計測を行う物理量計測システムの一例として、特許文献１に記載の温度計測システムが挙げられる。この温度計測システムは、高温の液体または気体が熱媒体として流通する配管に光ファイバを敷設するとともに配管の複数の計測対象部位にＦＢＧを配置し、光ファイバ温度計測装置から光ファイバにレーザパルスを入射して各計測対象部位の温度を計測するものである。尚、各計測対象部位の温度は、光ファイバの光路に発生する散乱光強度と温度との間の相関、すなわち、ＦＢＧのブラッグ波長のシフト量と温度変化量との相関に基づいて、光ファイバ温度計測装置が算出する。ある計測対象部位に亀裂等が生じて熱媒体が漏洩すると、その計測対象部位における温度上昇の勾配が他の計測対象部位における勾配に対して大きくなる。光ファイバ温度計測装置は、傾きが大きくなった計測対象部位における温度の異常上昇を検出し、その部位で熱媒体の漏洩が発生していると判断する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−７１４７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載されているような温度計測システムの用途の一例として、ＥＶ（電気自動車）等に用いられる電池の異常温度検出が挙げられる。通常、このような電池は数個から数十個の複数の電池セルを有しており、正常動作時における複数の電池セルの温度は略均一となる。このような電池において、少なくとも一つの電池セルの温度が異常となった場合、他の電池セルの温度が正常であるかどうかに関わらず電池全体の使用を中止することが求められる。つまり、このような用途に用いられる温度計測システムでは各電池セルの温度をそれぞれ計測する必要及び異常が発生している電池セルを特定する必要はなく、異常温度となっている電池セルが存在するかどうかだけを検出できればよい。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の温度計測システムは、温度変化の勾配を算出するため及び熱媒体の漏洩箇所を特定するために各被計測部の温度をそれぞれ算出している。この場合、複数のＦＢＧが互いに異なる特性を有するような加工、具体的には各ＦＢＧの反射帯域が互いに異なるようにする加工が必要となるため、同じ特性を有する複数のＦＢＧを加工する場合と比較して、光ファイバの製造コストは高くなる。すなわち、少なくとも一箇所で異常が発生した場合に装置全体の使用や動作を停止させるような用途に特許文献１に記載の温度計測システムを適用する場合、温度計測システムを低コストで構築することが困難であるという問題点を有していた。尚、特許文献１に記載の温度計測システムを、応力や圧力等の温度以外の物理量計測に適用する場合においても上記の問題点は共通である。
【０００７】
この発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、多点計測時の異常検出を低コストで行うことを実現した物理量測定システム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】
【０００８】
この発明に係る物理量計測システムは、複数のＦＢＧが設けられた光ファイバと、光ファイバに入射光を出力する光源と、入射光に対する複数のＦＢＧからの反射光または透過光が入力される計測装置とを備えた物理量計測システムにおいて、複数のＦＢＧは互いに同一となる反射帯域を有しており、光源は、ＦＢＧの反射帯域より広帯域の光を入射光として出力しており、計測装置は、複数のＦＢＧからの反射光の総光量または複数のＦＢＧからの透過光の総光量に基づいて、ＦＢＧが配置された箇所である被計測部における物理量の変化を判別することを特徴とするものである。
【０００９】
被計測部に配置されたＦＢＧの反射スペクトルは、被計測部から印加された物理量に応じてシフトする。また、光源から光ファイバに出力される光は、ＦＢＧの反射帯域より広帯域の光であるため、この入射光に対するＦＢＧの反射光のスペクトルは、ＦＢＧの反射スペクトルと同一形状のものとなる。ここで、各ＦＢＧの反射帯域は互いに同一であるため、被計測部から各ＦＢＧに印加される物理量が略均一である場合、各ＦＢＧの反射スペクトルも略同一の形状となる。より具体的に説明すると、各ＦＢＧから計測装置に入力される反射光の全体的なスペクトルは、１つのピーク値を有する略放物線状となる。一方、例えば、ある１つのＦＢＧに印加される物理量が他のＦＢＧに印加される物理量とは異なる場合、計測装置に入力される反射光の全体的なスペクトルは、２つのピーク値を有するとともに帯域幅が広がった形状に変化する。
【００１０】
この場合、各ＦＢＧに印加される物理量が略同一である場合と比較すると、反射光の総光量が大きくなる。すなわち、複数のＦＢＧからの反射光の総光量を計測装置で計測すれば、各ＦＢＧに印加される物理量が略均一であるかどうかが分かるため、各ＦＢＧが配置された部位に異常が生じているかどうかを判別することが可能となる。尚、ＦＢＧからの透過光を利用する場合、透過光のスペクトルは入射光のスペクトルからＦＢＧの反射スペクトルを除いた形状となり、この形状の変化に基づいて物理量の変化を判別できる。上述したように、互いに異なる反射帯域を有する複数のＦＢＧを設ける必要がないため、光ファイバの製造コストが低減される。また、計測装置は、各ＦＢＧからの反射光全体のスペクトルまたは透過光全体のスペクトルの形状の変化のみを監視していればよいため、複雑な信号処理を必要としない。したがって、多点計測を行う物理量計測システムにおいて、異常検出を低コストで行うことが可能となる。
【００１１】
計測装置は、所定の波長における複数のＦＢＧからの反射光の強度、または所定の波長における複数のＦＢＧからの透過光の強度を計測可能であってもよい。各ＦＢＧにおける物理量の変化に異常がない場合、各ＦＢＧに印加される物理量を計測することができる。また、あるＦＢＧにおける物理量の変化に異常が生じて反射光全体のスペクトルまたは透過光全体のスペクトルに形状変化が生じた場合、正常時におけるスペクトルのピーク位置、異常発生時におけるスペクトルのピーク位置、及び正常時に計測された物理量に基づいて、異常となっている被計測部における物理量を計測することもできる。
尚、物理量は、熱、応力または圧力のいずれかであってもよい。また、被計測部は複数設けられ、複数のＦＢＧは被計測部にそれぞれ配置されてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、多点計測を行う物理量計測システムにおいて、異常検出を低コストで行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の実施の形態に係る物理量計測システムの構成を示す概略図である。
【図２】実施の形態に係る物理量計測システムにおけるＦＢＧの構成を示す概略図である。
【図３】実施の形態に係る物理量計測システムを用いて異常検出を行う方法を説明するための図であり、（ａ）は正常時における各ＦＢＧからの反射光のスペクトルを示し、（ｂ）は異常発生時における各ＦＢＧからの反射光のスペクトルを示す。
【図４】実施の形態に係る物理量計測システムを用いて異常検出を行う方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、この発明の実施の形態について添付図に基づいて説明する。
この実施の形態に係る物理量計測システムの構成について、例えばＥＶ（電気自動車）で用いられる電池Ｖの温度計測システム１０として適用した場合を例として、図１、２に基づいて説明する。尚、電池Ｖは、被計測部としての１０個の電池セルＶ１〜Ｖ１０を有するものであり、温度計測システム１０は、これらの電池セルＶ１〜Ｖ１０の温度変化を判別し、それにより、電池セルＶ１〜Ｖ１０における異常の有無を判別するものである。
【００１５】
図１に示すように、温度計測システム１０は一本の光ファイバ１１と計測装置１２とを備えており、光ファイバ１１の一端１１ａ及び他端１１ｂが計測装置１２にそれぞれ接続されている。また、光ファイバ１１の一端１１ａ側には光サーキュレータ１３を介して光源１４が接続されており、光源１４から出力された光が、矢印Ａ１で示されるように他端１１ｂ側に向かって光ファイバ１１内を伝播する。さらに、光ファイバ１１の途中には、１０個のＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）２１〜３０が設けられており、これらのＦＢＧ２１〜３０が電池セルＶ１〜Ｖ１０にそれぞれ固定されている。後述するように、ＦＢＧ２１〜３０は、入射光に対してブラッグ波長と呼ばれる特定の波長の光を反射するとともに残りの光を透過するものである。これらのＦＢＧ２１〜３０からの反射光は、矢印Ａ２で示される方向に光サーキュレータ１３によって導かれ、計測装置１２に入力されるようになっている。尚、計測装置１２は、ＦＢＧ２１〜３０からの反射光に基づいて各電池セルＶ１〜Ｖ９における温度の計測や異常判別を行うための演算装置１５を有している。
【００１６】
次に、図２に示されるＦＢＧ２１を参照して、その構成について説明する。
図２に示すように、光ファイバ１１は、光源１４（図１参照）から入力される入射光Ｌ１が伝播するコア１１ｃと、コア１１ｃの外周部を覆うクラッド１１ｄとを有している。ＦＢＧ２１は、コア１１ｃの屈折率を軸方向に沿った所定の長さ周期（グレーティング周期）Λで変化させた回折格子であって、入射光Ｌ１に対し、特定の波長（ブラッグ波長）の光を反射光Ｌ２として反射し、残りの光を透過光Ｌ３として透過するという特性を有している。尚、光ファイバ１１は、例えば石英ガラス等の材料から形成されており、その熱膨張率は正の値となっている。また、一例として、各ＦＢＧ２１〜３０は、光ファイバ１１に紫外線等を照射することによって加工される。
【００１７】
グレーティング周期Λは、ＦＢＧ２１のブラッグ波長を規定する要素の１つとなっており、グレーティング周期Λの変化量に対してブラッグ波長が線形に変化するようになっている。すなわち、電池セルＶ１の温度が上昇してＦＢＧ２１が伸張すると、グレーティング周期Λも大きくなるため、それに伴ってブラッグ波長が長波長側にシフトする。したがって、ブラッグ波長のシフト量に基づいて、電池セルＶ１の温度を計測することが可能となる。尚、ＦＢＧ２１を透過した透過光Ｌ３は、入射光Ｌ１から反射光Ｌ２を除いたものとなるため、ブラッグ波長のシフト量は反射側及び透過側の双方、すなわち光ファイバ１１の一端１１ａ側及び他端１１ｂ側の双方から求めることが可能となっている（図１参照）。ここで、ＦＢＧ２１〜３０は、これらの全てが同一の構成となるように加工されている。すなわち、上述したＦＢＧ２１の構成はＦＢＧ２２〜３０においても共通であり、そのため、ＦＢＧ２１〜３０は同一の反射帯域を有するものとなる。
【００１８】
図１に戻って、光源１４は、各ＦＢＧ２１〜３０の反射帯域を帯域幅に含む広帯域の光を光ファイバ１１に出力可能となっており、例えばＡＳＥ光源等が光源１４として用いられる。一方、計測装置１２は、各ＦＢＧ２１〜３０の反射帯域を含む帯域幅の総光量を検出可能な光量検出部１２ａと、各ＦＢＧ２１〜３０からの反射光の強度を検出可能な光強度検出部１２ｂとを備えている。計測装置１２は、光ファイバ１１の一端１１ａと光量検出部１２ａとを接続する主導波路１２ｃを有しており、この主導波路１２ｃを介してＦＢＧ２１〜３０の反射光が光量検出部１２ａに入力される。
【００１９】
また、計測装置１２は、主導波路１２ｃと光強度検出部１２ｂとを接続する分岐導波路１２ｄを有しており、主導波路１２ｃから分岐されて分岐導波路１２ｄ内を伝播する反射光が光強度検出部１２ｂにも入力される。さらに、分岐導波路１２ｄの途中には、所定の波長の光のみを通過させるフィルタ１２ｅが設けられている。すなわち、光強度検出部１２ｂには、ＦＢＧ２１〜３０からの反射光のうち、所定の波長の光のみが入力されるようになっている。尚、光量検出部１２ａ及び光強度検出部１２ｂとしては、例えばフォトダイードやフォトカプラ、あるいはＣＭＯＳ等の光電気変換素子が用いられる。また、光量検出部１２ａ及び光強度検出部１２ｂは演算装置１５に電気的に接続されており、演算装置１５は、光量検出部１２ａ及び光強度検出部１２ｂが検出した光量及び光の強度に基づいて、各電池セルＶ１〜Ｖ９における温度の計測や異常判別を行う。
【００２０】
次に、この発明の実施の形態に係る温度計測システム１０を用いて電池セルＶ１〜Ｖ１０における温度の異常の有無を判別する方法について、図１〜４を用いて説明する。
図１に示すように、まず、光源１４から出力された広帯域の光が光サーキュレータ１３を介して光ファイバ１１に入射される。光源１４からの光が光ファイバ１１に入射されると、最も上流側に位置するＦＢＧ２１は、そのブラッグ波長に応じた反射光を反射し、残りの光を透過光として下流側に透過する（図２参照）。同様に、ＦＢＧ２２〜３０は、上流側のＦＢＧからの透過光に対してブラッグ波長に応じた反射光を反射し、残りの光を透過する。ＦＢＧ２１〜３０の反射光は、光サーキュレータ１３によって矢印Ａ２で示される方向に導かれて計測装置１２に入力される。計測装置１２に入力された反射光の一部は、主導波路１２ｃを介して光量検出部１２ａに導かれてその総光量を検出され、検出された総光量が演算装置１５に入力される。一方、計測装置１２に入力された反射光の残りは主導波路１２ｃから分岐導波路１２ｄに分岐され、フィルタ１２ｅを通過した所定の波長の光が光強度検出部１２ｂに入力される。光強度検出部１２ｂは、入力された光の強度を演算装置１５に入力する。
【００２１】
ここで、電池Ｖの各電池セルＶ１〜Ｖ１０の動作状態が正常である場合、これらの電池セルＶ１〜Ｖ１０の温度は略同一となる。また、各ＦＢＧ２１〜３０は同様に加工されたものであり、互いに同一の反射帯域を有している。さらに、光源１４は、各ＦＢＧ２１〜３０の反射帯域を帯域幅に含む光を光ファイバ１１に入射している。つまり、電池セルＶ１〜Ｖ１０の温度が略同一である場合、各ＦＢＧ２１〜３０の反射スペクトルは互いに共通のものとなり、計測装置１２に入力される反射光のスペクトルは、図３（ａ）に示すようにピーク値が１つである放物線状のものとなる。尚、このスペクトルは、各ＦＢＧ２１〜３０のブラッグ波長λ１である中心波長でピーク値を示すものである。
【００２２】
図３（ａ）に示される波形のスペクトルを有する反射光が光量検出部１２ａに入力されると、光量検出部１２ａはその総光量を検出し、検出した総光量を電気信号に変換して演算装置１５に出力する（図４のステップＳ１参照）。また、演算装置１５は、予め入力された総光量の閾値を内部情報として記憶しており、光量検出部１２ａから入力された総光量が閾値より小さい場合、各電池セルＶ１〜Ｖ１０の動作状態が正常である、すなわち、各電池セルＶ１〜Ｖ１０の温度が略同一であると判別する（図４のステップＳ２参照）。
【００２３】
次いで、演算装置１５は、光強度検出部１２ｂから出力される所定波長の光の強度に基づいて、各電池セルＶ１〜Ｖ９の温度を計測する（図４のステップＳ３参照）。光強度検出部１２ｂは、フィルタ１２ｅを通過した短波長λ２（図３（ａ）参照）における光の強度Ｓを検出して演算装置１５に出力する。演算装置１５は、光強度検出部１２ｂから入力された光の強度Ｓに基づいて各電池セルＶ１〜Ｖ１０の温度を算出し、算出した温度をデータとして出力する（図４のステップＳ４参照）。
【００２４】
一方、電池Ｖの各電池セルＶ１〜Ｖ１０のうち、例えば電池セルＶ２の動作状態が異常となって温度が上昇した場合、電池セルＶ２に固定されているＦＢＧ２２のブラッグ波長は、温度の上昇分に応じて長波長側にシフトする。つまり、電池セルＶ１及びＶ３〜Ｖ１０の反射スペクトルが図３（ａ）に示される反射スペクトルと同様の波形を示すのに対し、電池セルＶ２の反射スペクトルは、温度の上昇分に応じて長波長側にシフトした波形となる。したがって、ＦＢＧ２１〜３０からの反射光の全体的なスペクトルは、図３（ｂ）に示されるように、ＦＢＧ２１及びＦＢＧ２３〜３０のブラッグ波長λ１においてピーク値を示す放物線状の波形と、ＦＢＧ２２のブラッグ波長λ３においてピーク値を示す放物線状の波形とが重なったものに変化する。
【００２５】
図３（ｂ）に示される波形のスペクトルを有する反射光が光量検出部１２ａに入力されると、光量検出部１２ａはその総光量を計測し、計測した総光量を電気信号に変換して演算装置１５に出力する（図４のステップＳ１参照）。ここで、図３（ｂ）に示される反射光のスペクトルは、図３（ａ）に示される反射光のスペクトル、すなわち正常時における反射光のスペクトルに対して帯域幅が広がったものとなるため、光量検出部１２ａによって検出される総光量も増加した状態となる。演算装置１５は、光量検出部１２ａから入力された総光量が閾値を超えた場合に、電池セルＶ１〜Ｖ１０の少なくとも１つの動作状態、すなわち温度が異常であると判別する（図４のステップＳ５参照）。次いで、演算装置１５は、例えば電池Ｖの作動を停止するための処理や、電池Ｖの異常を示す警告の表示等、所定の処理を行う（図４のステップＳ６参照）。尚、演算装置１５は、波長λ１と波長λ３との差分と波長λ２における反射光の強度Ｓに基づいて、異常が発生している電池セルＶ２の温度を計測することも可能となっている。
【００２６】
以上に述べたように、互いに同一の反射帯域を有する複数のＦＢＧ２１〜３０が設けられた光ファイバ１１に対して広帯域の光を入射するとともに、この入射光に対する反射光の総光量を検出するように温度計測システム１０を構成したので、各ＦＢＧ２１〜３０からの反射光の全体的なスペクトルの変化に基づいて、電池セルＶ１〜Ｖ１０の温度の異常判別を行うことが可能となる。光ファイバ１１に対し、互いに異なる反射帯域を有する複数のＦＢＧを設ける必要がないため、光ファイバ１１の製造コストが低減される。また、計測装置１２は、各ＦＢＧからの反射光全体のスペクトルのみを検出していればよいため、複雑な信号処理を必要とすることなく電池セルＶ１〜Ｖ１０の異常判別を行うことができる。したがって、多点計測を行う温度計測システム１０において、異常検出を低コストで行うことが可能となる。
【００２７】
また、計測装置１２は、ＦＢＧ２１〜３０の反射光の総光量を検出する光量検出部１２ａの他に、所定の波長λ２における反射光の強度を検出可能な光強度検出部１２ｂを有するため、異常がない場合における各電池セルＶ１〜Ｖ１０の温度、及び異常が発生した電池セルの温度を計測することが可能となる。
【００２８】
上記の実施の形態における物理量計測システムは、電池セルＶ１〜Ｖ１０の温度を計測して異常を判別するための温度計測システム１０として説明されたが、本発明における計測対象を温度に限定するものではない。ＦＢＧは、圧力や応力等、温度以外の物理量の計測用途に適用可能であり、本発明に係る物理量計測システムをそのような物理量の計測システムや異常判別システムに適用することも可能である。
また、上記の実施形態に係る温度計測システム１０は、各ＦＢＧ２１〜３０の反射光に基づいて電池セルＶ１〜Ｖ１０の温度の計測及び異常判別を行うように構成されたが、このような構成に限定するものではなく、ＦＢＧ２１〜３０の透過光利用することも可能である。ＦＢＧ２１〜３０の透過スペクトルは、光源１４が出力する光のスペクトルから各ＦＢＧの反射スペクトルを除いたものとなるため、この透過光を光ファイバ１１の端部１１ｂから計測装置１２に入力可能とすれば、温度計測システム１０と同様の効果を得ることができる。
【００２９】
上記の実施の形態に係る温度計測システム１０において、電池セルＶ１〜Ｖ１０に対応するＦＢＧ２１〜３０が光ファイバ１１に設けられたが、被計測部である電池セルの数及びＦＢＧの数を限定するものではなく、必要に応じて適宜変更可能である。尚、本発明における複数のＦＢＧは、互いに同一の反射帯域を有するように加工されたものであるため、被計測部の数が増加しても、物理量の計測及び異常判別を行うために利用する帯域幅が広がることがない。すなわち、異常の発生を示すＦＢＧを特定することができない代わりに、光ファイバに設けるＦＢＧの数が限られることがなく、利用していない入射光の帯域を他のセンサ用途等に用いることも可能である。
【符号の説明】
【００３０】
１０ 温度計測システム（物理量計測システム）、１１ 光ファイバ、１２ 計測装置、１４ 光源、２１〜３０ ＦＢＧ、Ｖ１〜Ｖ１０ 電池セル（被計測部）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のＦＢＧが設けられた光ファイバと、
前記光ファイバに入射光を出力する光源と、
前記入射光に対する複数の前記ＦＢＧからの反射光または透過光が入力される計測装置と
を備えた物理量計測システムにおいて、
複数の前記ＦＢＧは互いに同一となる反射帯域を有しており、
前記光源は、前記ＦＢＧの前記反射帯域より広帯域の光を前記入射光として出力しており、
前記計測装置は、複数の前記ＦＢＧからの前記反射光の総光量または複数の前記ＦＢＧからの前記透過光の総光量に基づいて、前記ＦＢＧが配置された箇所である被計測部における物理量の変化を判別することを特徴とする物理量計測システム。
【請求項２】
前記計測装置は、所定の波長における複数の前記ＦＢＧからの前記反射光の強度、または所定の波長における複数の前記ＦＢＧからの前記透過光の強度を計測可能な請求項１に記載の物理量計測システム。
【請求項３】
前記物理量は、熱、応力または圧力のいずれかである請求項１または２に記載の物理量計測システム。
【請求項４】
前記被計測部は複数設けられ、複数の前記ＦＢＧは前記被計測部にそれぞれ配置される請求項１〜３のいずれか１項に記載の物理量計測システム。
【請求項１】
複数のＦＢＧが設けられた光ファイバと、
前記光ファイバに入射光を出力する光源と、
前記入射光に対する複数の前記ＦＢＧからの反射光または透過光が入力される計測装置と
を備えた物理量計測システムにおいて、
複数の前記ＦＢＧは互いに同一となる反射帯域を有しており、
前記光源は、前記ＦＢＧの前記反射帯域より広帯域の光を前記入射光として出力しており、
前記計測装置は、複数の前記ＦＢＧからの前記反射光の総光量または複数の前記ＦＢＧからの前記透過光の総光量に基づいて、前記ＦＢＧが配置された箇所である被計測部における物理量の変化を判別することを特徴とする物理量計測システム。
【請求項２】
前記計測装置は、所定の波長における複数の前記ＦＢＧからの前記反射光の強度、または所定の波長における複数の前記ＦＢＧからの前記透過光の強度を計測可能な請求項１に記載の物理量計測システム。
【請求項３】
前記物理量は、熱、応力または圧力のいずれかである請求項１または２に記載の物理量計測システム。
【請求項４】
前記被計測部は複数設けられ、複数の前記ＦＢＧは前記被計測部にそれぞれ配置される請求項１〜３のいずれか１項に記載の物理量計測システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−８３５９８（Ｐ２０１３−８３５９８Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２４８３９（Ｐ２０１１−２２４８３９）
【出願日】平成２３年１０月１２日（２０１１．１０．１２）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【出願人】（３０４０２８３４６）国立大学法人 香川大学 (285)
【出願人】（５０４２３７０５０）独立行政法人国立高等専門学校機構 (656)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１２日（２０１１．１０．１２）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【出願人】（３０４０２８３４６）国立大学法人 香川大学 (285)
【出願人】（５０４２３７０５０）独立行政法人国立高等専門学校機構 (656)
【Ｆターム（参考）】
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