JPH01501731A - ファイバ光センサ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ファイバ光センサ装置 技術分野 本発明の技術分野はファイバ光学装置に関するものである。さらに詳細にいえば 、本発明はファイバ光センサ装置に関するものである。

背景技術 工場の自動化のためには、ｉ！磁的な影響を受けない信頼性の極めて高い、限界 スイッチや位置センサが必要である。また、石油化学の分野やエネルギ＠迎分野 などにおける工場では、危険性のある区域内に、本質的に安全であるスイッチ装 置を設置することが要求される。さらに、光ファイバ制御Ｉ装置を備えた航空様 や船舶を開発することに向けて、多大な努力が払われている。産業の自動化のた めにもまた、ファイバ光学Ｉｌｌがますます使われてきている。

光の強度を測定することによって、物理パラメータを測定する種々の測定装置が 、先行技術において知られている。これらの装置では、１個または複数個の光源 から放射された光を、送出光ファイバを通して光変換器に伝送し、そしてこの光 変換器は、その感知特性に比例して受け取った光の母を制御し、そしてこのＩＩ Ｉ御された光を返送光ファイバを通して返送する。この返送された光の強度を適 切な電気信号に変換するのに、光検出器装置が用いられる。光ファイバを曲げた り光ファイバを接続する接続器などによる機械的効果や、また温度や圧力などの ような環境による効果もまた、光の強度に影響を与えることがわかっている。こ れらの好ましくない効果を補償するために、多重光源や多重検出器を用いること ができる。

米国特許第４，３５６．３９６号に既に開示されているように、２つの波長の光 が発生され、そして２個の検出器が送出される光を監視し、および２個の検出器 が返送されてくる光を監視する一゛゛これらの光の波長の中の１つの波長の光は 、光ファイバと光変換器との間の鏡によって反射される。この反射された光の強 度は、補償計算のための基準強度として用いられる。変換器は第２波長の光にだ け作用する。したがって、変換器それ自身の機械的変動、または変換器それ自身 の環境条件の変動に対し、補正を行なうことができない。

複数個の波長の光に採用する光変換器もまた知られている。例えば、米国特許第 ４，５１４．８６０号および米国特許第４．３７８．４９６号では、変換器組立 体の中に２個の発光ダイオードとそれに付随する電子部品とを使用している。電 気装置に伴う障害を小さくするために、電流や電圧を使わないで動作する変換器 が要望される。

さらに、先行技術において、複数個の波長の光が変換器組立体を用いて、多重測 定が行なわれている。米国特許第４．５２３．０９２号に開示されている技術で は、変換器の機械的変動または環境条件の変動に対する補償を行っていない。

２つの波長を用いているまた別の実施例は米国特許第４．４９２．８６０Ｍに開 示されているが、そこでは単一の光ファイバが用いられており、かつ偏光を利用 することにより、送出された光を反射して検出器装置へ進めるさいの反射を制御 している。

発明の開示 本発明は、全体的にいえば、ファイバ光センサ装置に関するものである。本発明 の装置は、２つの異なる波長を中心とするスペクトル分布を有する、２つの異な るバンドの光の検出し、そしてそれらの出力光強度の比を計算する。この比の大 きさは光変換器の位置に対応する。

この比は電子信号処理装置で処理される。２つのバンドの光の光強度の検出は、 波長の異なる光源からの光をバンド幅の大きな検出器によって行なわれる、また は、バンド幅の大きな光を放射する光源からの光を波長特性の異なる検出器によ って行なわれる。換言すれば、複数個の光源と１個の検出器とによって行なうこ とにより、または１個の光源と複数個の検出器とによって行なうこととにより、 等価な結果を得ることができる。

本発明の１つの目的は、物理パラメータの離−数的検出または比例的検出のため の、すなわち、スイッチのようなディジタル動作を得るための、または位ＭＮＩ ｉ定や位置１１１！ｌのためのアナログ動作を得るための、ファイバ光センサ装 置を得ることである。

本発明のまた別の目的は、自己検定を行ない、したがって、光感度の調整を行な う必要のない、ファイバ光センサ装置を得ることである。

本発明のまた別の目的は、光学部品のいずれかが故障した時、その故障を指示す るための自己監視を行なう、ファイバ光センサ１Ａ置を得ることである。

本発明のなお別の目的は、特別の検査装置を用いないでも、光回路が機能してい るかどうかの検査を簡単に目で見て行なうことができる、ファイバ光センサ装置 を得ることである。

本発明のなお別の目的は、位置検出を行なう場所へ電流や電圧を供給することな しに、またはこの場所で電流や電圧が発生することなしに、本来的に安全である 、ファイバ光センサ装置を得ることである。

本発明のこの他の目的およびこの他の利点は、好ましい実施例についての下記の 詳細な説明からすぐにわかるであろう。これらの好ましい実施例は、波長の異な る光を発生する光源によって発生された２つのバンドの光の強度を、バンド幅の 大きな検出器によって検出することにより、本発明を実施するものである。

本発明によるファイバ光センサｉｉＮは、入力端部と出力端部とを有する送出光 ファイバと、入力端部と出力端部とを有する返送光ファイバとを有する。この装 置はまた、第１波長を中心とするスペクトル分布を有する第１光を発生する第１ 光源と、第２波長を中心とするスペクトル分布を有する第２光を発生する第２光 源とを有する。

第１波長と第２波長とは波長が異なる。これら２つの光源は２重カラー発生ｉ＋ ｉの一部分であることができる。

これらの２１！光源は交互に動作することができ、そしてそれぞれの光ビームを 送出光ファイバの入力端部に向けて進める適切な光学素子を有する。その結果、 第１光ビームおよび第２光ビームは、送出光ファイバの入力端部から出力端部へ 伝送される。

このＩｔは、送出光ファイバの出力端部と返送光ファイバの入力端部との間に配 置された、光変換器をさらに有する。この変換器は配置装置と、この配置装置を 移動させる作動器とを有する。この光変換器は、返送光ファイバの入力端部にお ける第１光と第２光との強度を、配ＷＩ装置の位置の変動の関数として、興った 方式で変える。

光変換器は透過形であることができる。この透過形の光変換器では、配置装置は 第１光を優先的に透過する第１光フイルタと、第２光を優先的に透過する第２光 フイルタとを有する。これらのフィルタが協力して動作することにより、返送光 ファイバの中へ伝送される第１光の強度と第２光の強度との相対比が、作動の位 置と共に変化する。

これとは異って、光変換器は反射形であることもできる。この反射形の光変換器 では、配置８置は第１光を優先的に反射する第１反射器と、第２光を優先的に反 射する第２反射器とを有する。これらの反ＩＦ１！ｉが協力して動作することに より、返送光ファイバの中へ反射される第１光の強度と第２光の強度との相対比 が作動器の位置と共に変化する。

光変換器の配！！装置を移動させる作動器は、命令入力に応答して動作する。こ の命令入力は、Ｍｇ２位はや回転位置、帽り圧力、流量、流体のレベル、電流、 または電圧のような適当なパラメータによって、制御される。

この＠園はまた、返送光ファイバの出力端部に配置された、光検出器を有する。

この光検出器はこの出力端部における光の強度を測定し、そしてこの光の強度に 応答する電圧を発生する。このようにして、光検出器は、第１光に対応する返送 ファイバ出力光強度と第２光に対応する返送ファイバ出力光強度とを測定する。

光検出５Ｍ置は、波長分散効果または波長フィルタのいずれかを用いて、第１光 の強度に比例する第１検出器電圧を生じ、かつまた、第２光の強度に比例する第 ２検出器電圧を生ずる。

光強度を決定するまた別の方法は、送出光ファイバに第１光と第２光とを交互に 進め、そして光検出器が時間順序に従って、第１光の強度に比例する第１検出器 電圧を生じおよびまた第２光の強度に比例する第２検出器電圧を生ずる方法であ る。

この装置はまた、第１光に対応する検出器電圧と第２光に対応する検出器電圧と に応答する、電子信号処理装置を有する。この電子信号処理１直は、第１検出器 出力を第２検出器出力電圧で除算して、第１比を計算し、そしてまたアナログ動 作のために、この第１比に比例する大きさを有する出力信号を生ずる。その後、 この信号処理装置は、ディジタル動作のために、この第１比を第１定数に対して 検定し、かつまた、第２定数に対して検定する。もしこの第１比が第１定数より も大きいまたは等しいならば、信号出力が作動され、そしてもし第１比が第２定 数よりも小さいまたは等しいケらば、信号出力は作動されない。

この装置はまた出力制御装置を有する。この出力制御装置は、電子信号処理Ｈ’ ｌの制ａ器信号出力に応答して、作動状態と非作動状態とを有する。前記第１比 がこの信号処理Ｖｉ譚で検定される時、もし前記第１比が第１定数より小さくか つまた第２定数より大きいならば、作動器は遷移状態にあると考えられる。この 場合には、出力側ｍｉＮは作動器が遷移領域に入る前に有していた状態と反対の 状態に変えられ、それにより、状態変化のスナップ作用が得られる。

このＨｇ！はまた、電子信号処理装置の状態信号出力に応答して作動状態と非作 動状態とを有する、自己監視装置を有する。第１光発生装置と第２光発生装置と のいずれもが動作していない時、検出器は第３検出器出力電圧を生ずる。この第 ３検出器出力電圧は検出器ファイバに入ってくる迷光の量に対応する。電子信号 処理装置は、第１検出器出力電圧と節２検出器出力電圧との和をこの第３検出器 出力電圧で除尊して、第２比を計算する。このｌｉｔが正常に動作している場合 には、この第２比は２よりはるかに大きいであろう、この装置の光学部品のいず れかが故障している場合には、この第２比はほぼ２である。信号処理装置は、こ の第２比を用いて、光学部品のいずれかに故障があることを指示する状態信号を 出力する。

この明１１１１！全体において、「光」という用語は可視スペクトルの近傍のＷ ｉ電磁波指すのに用いられているが、この用語はまた赤外ｔａ領領域よび紫外線 ｆｒ４域の電磁波をも包含していることを断っておく。

図面の簡単な説明 第１図は本発明のファイバ光センサ装２の光変換器部分の１つの実施例のｌ［要 図であって、透過形の光変換器を示し、 第２図は本発明の実施例で用いられている赤色光の強度と緑色光の強度とを波長 に対して示したグラフであり、第３図は本発明の１つの好ましい実施例の概要図 であって、光変換器部分が透過形であるファイバ光センサ装■を示し、 第４図はまた別の好ましい実施例のｌｌ要図であって、光変換器部分が反射形で あるファイバ光センサ装置を示し、 第５図は置割形の代表的な位置検出、光フアイバ変換器の拡大立体図であり、 第６図は第５図の１！１６−６に沿っての垂直横断面図であり、 第７図は第６図のＷ７−７に沿っての一部分が断面図で示された正面図であり、 第８図は本発明の装置の動作の異なる代表的な条件の下における種々の時刻に生 ずる電圧波形を比較した図であり、 第９図は本発明の１ａｒ１の電子信号処ｖｉａ部分によって実行される機能の流 れ図であって、ソフトウェア・スナップ作用をそなえた比計算の時間多重化ファ イバ光学的離散位置測定アルゴリズムの実施を示し、第１０図は本発明の＠置の 第１部分概要であって、反射圧力センサとして応用された場合を示し、第１１図 は本発明の装置の第１部分概要図であって、反射形液面スイッチとして応用され た場合を示し、第１２図は本発明の装置の第３部分概要図であって、１ｍ計のた めの反射形センサとして応用された場合を示し、 第１３図は第１２図に示された２重カラー被冒板の正面図である。

発明の実施態様 本発明の光ファイバｉ装置の好ましい第１実施例、すなわち、本発明の実施態様 が第１因から第３図までの図面に示されている。

第１図および第３図において、光源光ファイバ、すなわち、送出光ファイバ２０ は、受光入力端部２１と光放射出力端部２２とを有する。光検出器光ファイバ、 すなわち、返送光ファイバ２３は、受光入力端部２４と光放射出力端部２５どを 有する。第１波長λ１を中心としたスペクトル分布を有する第１光と、第２波長 λ２を中心としたスペクトル分布を有する第２光とを発生する、適切な光発生ｉ ｌｌが備えられる。これは、２つの波長λ１および波長λ２の光を交互に放射す るように構成された２重カラー光瀝２６として図示されている。これらは、緑色 のような第１光と赤色のような第２光とを放射する、発光ダイオード（ＬＥＤ） またはレーザであるのが典型的な場合である。前記で用いられた緑と赤のカラー の組み合わせは、また、他の任意の２つのカラーの組み合わせにすることもでき る。

光の相対強度と波長（λ）との関係を示している第２図において、緑カラーに対 する曲ｖＱ２８は、そのＬＥＤが付勢された時、５６０ナノメートル（ｎｍ）の 波長λ。

を中心とするスペクトル・バンド幅を有し、そして赤力ラーに対する曲１１２９ は、そのＬＥＤが付勢された時、６５５ｎｌの波長λ２を中心とするスペクトル ・バンド幅を有する。光［１２６で発生した第１光ビームと第２光ビームとを、 光ファイバ２ｏの入力端部２１に向けて進める１ｆｉＨが、また備えられている 。このｉｌは、第３図では、矢印付きの６３０で示されている。光ファイバ２３ の出力端部２５から放射された光は第３図では矢印付きの１１３１で表されてい るが、この光線は適切な検出固装Ｗ１３２に入射する。この検出固装＠３２は出 力端部での光の強度を検出する。

第１図と第３図に示されているように、３３で全体的に示されている適切な先妻 換器装置が、光ファイバ２゜の出力端部２２と光ファイバ２３の入力端部２４と の間に配置される。この変換器装置は位置決めを行なう配置駅留と、この変換器 装置を移動させる作動器とを有する。

この変換器装置は、図面に示されているように、−直線上に配置された第１フイ ルタ、すなわち、上フィルタ３４と、第２フイルタ、すなわち、下フィルタ３５ とを有する。これらのフィルタの突き合わさっている端部は相互に接触している 。これらのフィルタは、センサ体３６の中で、一体となって直線上を往復運動を するように配置される。このフィルタ装置は、この装置の下部に取り付けられた 適当なバネ装置によって、常に上方に押されている。このバネＩＡＭの下端部は センサ体３６の中の適当な固定表面３９に取り付けられ、そしてバネ装置の上端 部はフィルタ３５の下端部に取り付けられる。

センサ体３６にあけられた適当な開口部から、センサ体３６の外へそして上方に 突き出ている、プランジャ４０が、前記の作ｖＪ器装置である。作動器プランジ ャ４０の下端部は前記フィルタ装置の上端部に連結され、そして作動器プランジ ャ４０の上端部は外部に露出していて、外部の部品（図示されていない）に取り 付けられる。この作動器プランジャの上端部の位置が検出される。図示されてい ないこの外部部品は、第３図の矢印付きのａ４１で示されているように、作動器 プランジャ４０の上端部に下向きの力を及ぼし、プランジャ４０をセンサ体３６ の中へ押す。このことにより、フィルタＷｉＭＭがバネ３８を圧縮しながら移動 する。

上フィルタ３４はそのスペクトル・バンド幅の中心が豹５６０　ｎｓであるよう に選定される。したがって、上フィルタ３４は緑色光線を選択的に透過し、その 他の色の光線を吸収する。下フィルタ３５はそのスペクトル・バンド幅の中心が ６５５０−であるように選定される。したがって、下フィルタ３５は赤色光線を 選択的に透過し、その他の色の光線を吸収する。

作動力４１が作用していない場合には、バネ３８によって、赤フィルタ３５が、 光ファイバ２０および２３のそれぞれの対向している端部２２および２４０間に 、保持される。しかし、作動力４１が作用する場合には、第３図に示されている ように、上縁フィルタ３４が光フアイバ端部２２と光フアイバ端部２４との門に 配置し、したがって矢印付きの絵４２で表された光ビームは、このフィルタ３４ を透過する。図示はされていないが、もし赤フィルタ３５が光フアイバ端部２２ と光フアイバ端部２４との間に配置されている場合には、光ビーム４２がこのフ ィルタ３５を透過するのは明らかであろう。

４３で全体的に示された適切な電子信号処理装置が、第３図にまた示されている 。この電子信号処理装Ｗ１４３は、矢印付き線４４を通して、２重カラー光ｆｉ ２６に接続され、そしてまた、矢印付き線４５を通して、検出器３２に接続され 、そしてさらにまた、矢印付き１４６を通して、ディジタル制御出力状懸装＠４ ８に接続され、そしてさらにまた、矢印付き糠５１を通して、自己監視装置１５ ２に接続される。ディジタル制御出力状懸装ｆｉ４８は出力オン／オフ・リレー ａｔと指示器５０とを有し、自己監視装ｗ５２はオン／オフ・リレー装置５３と 指示器５４とを有する。

信号処３！ｌ！装＠４３は、単一チップのマイクロコントローラで構成される。

この信号処理［ｌ１１４３の機能は下記で説明されるが、１１ｇ！４４を通して 送る電圧Ｖ。ｕｔによって赤カラーと緑カラーの光源の順序を制御することがで き、および１１１４５を通して送られてくる電圧Ｖｉｏを測定することができる 。電圧■１ｏはおのおのの′１ｉ長の最終的な光振幅を時間順序で表し、そして 導１９４６と導線５１とに送られる電圧出力を制御して、出力状態装置４８と自 己監視装置イ る。この制御は内部に記憶されているプログラムに従って実行される。このプロ グラムは時間的に多重化された、レシオメータ光測定に対して作られたアルゴリ ズムに従って実施される。

第３図で概要図が示されている装置は、このように、透過形の離散的光フアイバ 位置センサを有している。装Ｗ４８の出力状態はスイッチ作動ＷＡ４０の物理的 運動によって定まり、そしてスイッチ作動器４０は、２カラー光源光フアイバ２ ０と検出器光ファイバ２３との光路内に配置された１対の光フイルタ装置！３４ ．３５に機械的に連結されて運動する。これらの光ファイバ２ｏおよび２３はい ずれも固定されている。作動器４ｏが移動すると、緑フィルタまたは赤フィルタ のいずれかが光源２６から放射された光ビーム３０の光路の中に配置され、そし てこれらのフィルタを通った光ビーム３１が、信号処理装置に戻ってくる。この ように、センサ３３から検出器３２に返ってくる第１光ビームと第２光ビームと の相対強度は、作動器４０の物理的位置、すなわち、「離散的」位置によって定 まる。

本発明の光フアイバ装置の好ましい第２実施例、または本発明を実施する態様が 第４図から第７図までの図面に示されている。

第４８に示されているＢＭは第３図に示したＩＩとほぼ同じであるが、光変換器 ３３１の構成と、送出光ファイバ２０１と返送光ファイバ２３１との隣接してい る端部の配置とが興っている。特に断わらなければ、この装置の動作は第３図で 説明したＷＡＷｌの動作と同じである。

したがって、第４図において、対応する部品には同じ参照番号がつけられている 。

光変換器３３１の可り装置は反射形の装置である。ここで、部品５８の上部分は 、第１光ビームを反射しかつ第２光ビームを吸収する適切なカラー材料の層５９ で被覆されている。部品５８の下部分は、第１光ビームを吸収しかつ第２光ビー ムを反射する適切なカラー材料の層６０で同様に被覆されている。忍５９とＰＪ ６０とは、境を接して端部が配置されている。第３図の実施例で説明したのと同 じように、第１光ビームが緑カラー・ビームでありそし”で第２光ビームが赤カ ラー・ビームであるならば、！！５９は緑被覆体でありモして［６０は赤被覆体 である。

カラー被覆体５９とカラー？！！ｌ覆体６０を備えた部品５８は、第３図に示さ れたフィルタ装置と同様の装置であって、下のバネ３８１と上の作動器プランジ ャ４０１とによって、垂直な直線上を上下に移動することができる。

第４図の矢印付きｔａ４１１で表された下向きの力が作動器プランジャ４０１の 上端部に加えられた時、そしてその力がバネ３８１の力よりも大きい時、カラー 被覆体５９および６０を備えた部品５８は、その上極端位Ｎ（図示されていない ）からその下極端位置（第４図に示されている）へ移動することができる。

送出光ファイバ２０１の出力端部２２１付近の端部と返送光ファイバ２３１の入 力端部２４１付近の端部とは、これらの光ファイバの端部が部品５８に向き合っ ており、かつ、互いに接近して並べて取り付けられる。光ファイバ２０１の出力 端部２２１から放射される線４２１で表された入射光ビームは、部品５８の１つ の被覆された表面の上の位置６１に当たる。光ファイバ２３１の入力端部２４１ はこの位置６１の方向を向いており、位置６１から反射された光ビーム、すなわ ち、矢印付きの線４２２で示された返送光ビームを受け取る。第４図では、入射 光ビーム４２１は部品５８上の緑カラー被覆体５９に入射して、この被覆体で返 送光ビーム４２２が反射される場合が示されている。もし部品５８がその上位置 にあって〈図示されていない）、光の当たる位＠６１が赤カラー被覆体６０の上 にあるならば、返送光ビーム４２２はこの赤カラー被覆体６０から反射されるこ とになる。

反射形光変換器３３１として適切である構造体はいくつか可能であるが、その中 の好ましい構造体が第５図〜第７図に示されている。これらの図面に示されてい るように、この変換器はブロック状の部品６２を有している。

このブロック状部品６２は、その隅のところに、取り付は用の穴６３を有してい る。、４個のこの穴が図面に示されている。これらの穴６３にはねじまたはボル トのような適当な取り付は具（図示されいない）が入るようになつでいて、この ような取り付は具により、この部品が適当な支持体（図示されていない）に取り 付けられる。部品６４はその上端部に平らな表面をもつ・一体化されたボス６４ を有する。このポス６４の上端部から下方に、この部品の主要部に向けて、細長 い垂直な空洞、すなわち、凹所６５があり、そしてこの凹所の下端は閉じた端部 になっている。この凹所６５は、その横断面において、円筒状の壁面６６を有す ることが好ましい。この凹所の中にプランジャ６８が滑動可能に配置される。こ のプランジャ６８は円柱状の心棒６９を有し、この心棒の下端付近では、中心軸 が同じで半径の小さな円柱部分７ｏがある。プランジャ６８はまた半径の大きな ヘッド部分７１を有し、このヘッド部分の上表面７２はドーム状、すなわち、丸 い形状になっており、その下側面は環状の平らな肩部品７３と接している。

部品ボス６４とプランジャ肩部分７３の対向している面の間にベロー形のバネ７ ４が配置される。このベロー形のバネ７４の側壁７５は全体的には円筒形の４１ ｔ′Ｔｉをしているが、収縮または膨張することができ、そしてこの側壁の両端 部は内側に曲がった環状の平らなフランジ７６を有する。（１ｍ壁７５は可撓性 のある薄い金属板で作成されていて、垂直方向に一定の間隔で環状の折り返しと 凹みとを交互にそなえた波状構造を有する。フランジ７６は、部品ボス６４とプ ランジャ肩部分７３との平らな表面に、適当な気密性をもって、Ｎ結される。側 壁７５の折り返し部分は、バネ７４が軸方向の荷重を受けた時、撓むすなわち曲 がり、そしてこの荷重が取り除かれた時、もとに戻る力を生ずる。バネ７４の最 も伸びている状態が第６図に示されている。前記荷重がプランジャ・ヘッド７１ に加わってそれを押し下げようとする時、バネは、その軸方向の長さが短くなろ うとするのに対する抵抗力を生ずる。

プランジャの細くなっている部分７ｏの上半分の周縁の円柱表面上に、適当な赤 カラー材料の周回リング７８がそなえられる。この赤カラー・リング７８の下に 、それに接して、適当な緑カラー材料の周回リング７９がそなえられる。この緑 カラー・リング７９はプランジャの細くなっている部分７０の下半分の周縁の円 柱表面上に配置される。これらのカラー・リング７８および７９は、このプラン ジャ部分７０の表面の上に、カラー材料を塗ることによって作成することができ る。

部品６２はまた、この部品から側方に水平に外側に突ぎ出している、ねじ突き円 柱突き出し部分８０を有する。

この突き出し部分は部品６２と一体物として作成されている。突き出し部分８ｏ には穴が貫通しており、そしてこの穴は内側円柱部分８１と外側テーバ部分８２ とを有する。この外側テーバ部分は突き出し部分の外側端に向って広がっている 。この突き出し部分の穴の中に、光ファイバ２０１と光ファイバ２３１を保持す るための細長い接続器部品８３の一部分が配置される。この接続器８３は、内側 円柱部分８４と、それに隣接するテーバ部分８５と、大きな半径の円柱中間部分 ８６と、細くなった円柱外側部分８８とを有する。接続器８３の中に縦方向に貫 通する穴８９が作成される。突き出し部分８０の内側大部分８１の中に、接続器 ８３の内側部分８４が入る。

この接続器８３の内側部分８４の長さは突き出し部分８０の内側大部分８１の軸 方向の長さよりも短いので、部品６２の中の凹所６５までの間に、隙間９ｏがあ る。接続器８３のテーバ部分８５の表面は突き出し部分８ｏのテーバ部分８２と 整合していて、そこが互いにぴったりと接触する。接続器８３の部分８６と部分 ８８との間に、環状の段差状のｎ部分９１がある。円筒状ナツト９３の折り返し フランジ端部分９２が、このナツトが締め付けられた時、肩部分９１に当たる。

このナツトは、９４で示されているように、突き出し部分８０とねじで連結され る。

接続器８３は、その中に、光ファイバ２０１と光ファイバ２３１とを並べて保持 することができる。これらの光ファイバのそれぞれの端部２２１および２４１は 、この接続器の内側端面と事実上揃うように保持される。隙間９０があるので、 これらの光ファイバの端部とカラー被覆体７８．７９の反射表面との間を、光が 往復することができる。

第５図〜第７図では、ベロー・バネ７４が十分に伸びている状態を示しており、 そのために、下側の緑カラー被覆体７９が、光ファイバ２０１および２３１のそ れぞれの端部２２１および２４１の正面に配置され、かつ、これらの端部からは 一定の距離のところに配置される。

もしその位置を検出したい何等かの物体（図示されていない）がプランジャ６８ のドーム形表面７２を下向きに押すならば、バネ７４は縮むであろう、その結果 、下側の緑リング７９が光ファイバの端部２２１および２４１の正面の位置から 下に移動し、そして上側の赤リング７８がこれらの光ファイバの端部の正面の位 置へ移動してくるであろう。このような物体がプランジャ６８の上から取り除か れた時、バネ７４は再び伸び、そしてプランジャが上昇して、光ファイバの端部 ２２１および２４１の正面の位置から赤リング７８が去り、そして緑リング７９ が移動してくるであろう。

光ファイバ・センサ装置の動作は、第８図と第９図において、最もよく説明する ことができ、かつ理解することができるであろう。

第８図は電圧を時間の関数として示したグラフである。

時刻はｔｏを時刻ゼロとし、それに続く３つの時刻ｔ１゜ｔ２およびｔ３が示さ れている。赤ＬＥＤが付勢される１［間隔は時Ｂ間隔を赤で示されている。緑Ｌ ＥＤが付勢される時間間隔は時間間１ｔｉｌ　ｔ　ｎで示されている。いずれの ＬＥＤも付勢されていない時間間隔は時間ＩＵＩＲＲｔ。

で示されている。各ＬＥＤが付勢された状態および消勢された状態は、１−付勢 および〇−消勢によって表される。

第８図に示されている６個の電圧波形は、上から下へ順に、■、ｎ、ｍ、ｒｖ、 ｖおよび■で示されている。波形工は赤ＬＥＤが消勢および付勢されている場合 を表ず・波形■は緑ＬＥＤが消勢および付勢されている場合を表す。

波形■は、光変換器において、送出光ファイバ（２０４２１）の中に赤素子が配 置されている時、時刻ｔ１゜ｔ２およびｔ３における検出器の電圧を表す。電圧 ■、１は電圧ｖｔ２よりも大きく、かつ、電圧ｖｔ３はいずれのＬＥＤも付勢さ れていないのでゼロであることがわかるであろう。

波形■は、光変換器において、送出光ファイバ（２０または２０１）から放射さ れた光の光路（４２または４２１）の中にＩ！素子が配置された時、時刻ｔ１． ｔ２およびｔ３における検出器の電圧を表す。電圧ｖｔｌは電圧Ｖ　よりも小さ く、かつ、電圧ｖｔ３はいずれのしＥＤも付勢されていないのでゼロであること がわかる。

したがって、時刻ｔ１において、ｖｔｌは、赤ＬＥＤが付勢されている時間間隔 の藺に、検出器２６にまで伝送されてきてそこで測定された光に対応する電圧の 大きさを表す０時刻ｔ２において、■ｔ２は、緑ＬＥＤが付勢されているｕ閲ａ ａ隔の間に、検出器２６にまで伝送されてきてそこで測定された光に対応する電 圧の大きさを表す。

時刻ｔ３において、■ｔ３は、赤ＬＥＤと緑しＥＤの両方が消勢されている時間 間隔において、検出８２６にまで伝送されてきてそこで測定された光に対応する 電圧の大きさを表す。

波形■は、時刻ｔ１、ｔ２およびｔ３において、送出光ファイバ（２０または２ ０１）から放射された入射光の光路（４２または４２１）の中に、赤素子と緑素 子との藺の遷移が変換器センサの中で起きている、すなわち、赤素子と緑素子の 両方が部分的に光路の中にある時の検出器の電圧を表す、この状態の場合、電圧 ■ｔ１は電圧■ｔ２に等しく、かつ、電圧ｖｔ３より大きい、この時の電圧ｖｔ ３はゼロである。

波形■は、光ｆｆ１２６と、光ファイバ２０．２０１または２３，２３１のいず れかと、８３のような接続器と、光変換１３３または３３１と、光検出器３２と から成る光学部品のいずれかが故障した時の検出器の電圧を表す。

この時の検出器の電圧は、光ファイバが折損して雰囲気光にさらされた場合など のように、検出器に入射する迷光の良によって、時間的に変動する。

第９図は流れ図であって、離散的位置のＩＩＩｔＩＩを実行するために、および また位冒検出装歌の動作状態または故障状態の指示を実行するために、信号処理 装！４３によって実行される機能を示したものである。

ＩＩがパワー・７ツブされると、マイクロコントローラがそのブＯグラムを実行 可能であることを判定するために、診断検査がまず実行される。プログラム・メ モリとλ力／出力回路が検査される。もし機能を実行できるならば、スイッチ・ フエリア・ピットがクリアされ、そして対応するリレー出力５３と状態指示器５ ４がオンにされる。

それから光源回路が動作可能になり、そして赤ＬＥＤ２６が付勢される。短い遅 延の後、検出器または返送光ファイバ２３１に伝送された赤光ビームの量に直接 に対応する検出！ｓＴｉ圧が測定され、そして変数■ｔ１として記憶される。そ れから、赤ＬＥＤが消勢される。

緑ＬＥＤ２６が付勢され、そして第２の遅延の後、返送光ファイバ２３１に伝送 される緑光ビームの優に対応する検出Ｗ電圧が測定され、モしてｙ、２として記 憶される。そこで°また、緑ＬＥＤが消勢される。

第３の遅延の後、返送光ファイバ２３１に伝送される迷光の量に対応する検出器 電圧が測定され、モしてＶｔ３として記憶される。正常な動作状態では、この光 の量に対応するＶｔ３はｖｔｌとＶｔ２に比べて非常に小さく、それはほぼゼロ ボルトである。

この時点において、Ｖｔ１がＶｔ２によって割算され、そしてその結果が変数Ｒ ＧＲＡＴ　Ｉ　Ｏ，すなわち、（赤／緑比）として記憶される。そこで、このＲ ＧＲＡＴＩＯが検査される。もしこのＲＧＲＡＴＩＯが予め選定された定数ＯＮ Ｍ　Ｉ　Ｎ、すなわち、（光変換器Ｅオン」を考えるのに許される最小の赤／緑 比）よりも大きいまたは等しいならば、センサはオンと考えられ、そして信号処 理ｉｔの出力リレー４９とオン／オフ指示器５０とが付勢される。もしＲＧＲＡ ＴＩＯが定ＩＲＯＦＦＭＡＸ、ｆなわち、光変換器「オフ」を考えるのに許され る最大の赤／緑比）より小さいまたは等しいならば、センサはオフと考えられ、 そして信号処理装置の出力リレー４９とオン／オフ指示器５０が消勢される。

もｔ、、ＲＧＲＡＴＩＯがＯＦＦＭＡＸＪ：’）大キ＆％　カＯＮＭＥＮより小 さいならば、第２の比が計算されて、スイッチの故障があるのかどうかを判定す るために、またはスイッチが遷移状態にある、すなわち、オフとオンの中間にあ るのかどうかを判定するために、検査が行なわれな番プればならない。もし中間 の状態にあるならば、この遷移ＩＩ域に入るすぐ前の状態を反転させることが好 ましい。この時、これはスナップ作用と考えられ、そしてそれは作動器のおのお のの運動方向に対し明確で繰り返し可能なスイッチング点を与える。もし故障が 破損した光ファイバ、接！！、作ｖＪ器、光源、またはその他の光学部品による ものであるならば、直ちにこれに応答して、現在の状態の出力リレー４９と指示 器５ｏを凍結する、すなわち、保持することが好ましく、そして状態ＯＫリレー ５３と指示Ｂ５４を消勢することが好ましい。

２つの状態の間の違いは次のようにして決定される。

ＬＤＲＡＴ　１０．すなわち、（明／暗比）は、（Ｖ、＋Ｖ　）／Ｖｔ３で計算 される。正常動作の場合、ｖｔｌとＶｔ２の和は、Ｖｔ３がほぼゼロの時、常に 同じである（大きな数である）であろう、したがって、スイッチがオンであって もオフであってもまたは遷移状態であっても、ＬＤＲＡＴＩＯは大きな値であろ う、例えば、１０より大きな値であるであろう。もし光ファイバの破損のような 故障があるならば、その時には検出器は雰囲気光程度だけを測定するので”　ｔ ｌ”Ｖｔ２”Ｖｔ３である。したがって、ＬＤＲＡＴＩＯは（１＋１）／１−２ より大きくなることは決してない。

第３の予め定められた定数ＬＤＭＩＮ、すなわち、（光変換器が機能していると 考えることが許される最小の明／ａｍ比）に、例えば、１０の値が割り当てられ る。

もしＬＤＲＡＴＩＯが１０に等しいかまたは１０よりも大きいならば、そしてス ナップ作用が以前の測定サイクルにおいて起こらなかったならば、現在の出力リ レー状態は反転される、すなわち、「スナップ」される。この時、プログラムが 戻って、新しい測定サイクルを開始する。もしスナップ作用が以前のサイクルに おいて起きているならば、現在の出力状態が保持される。

もしＬＤＲＡＴＩＯがＬＤＭＩＮより小さいならば、スイッチが故障していると 考えられる。現在の出力状態リレー４９と指示２Ｉ５０はそれらの現在の状態に 保持され、そして状！ＩＯＫリレー５３と指示！Ｉ５４が消勢される。この時、 プログラムはもとに戻って、新しい測定サイクルを開始する。

もし故障の位置が突き止められてＩＩＩ復されるならば、故障状態はオペレータ が何等かの操作をしなくても自分で直すであろう。

本発明の代表的な応用例が第１０図〜第１３図に示されている。

第１０図は第４図において３３１で示されたのと同様の反射形光変換器３３１ａ の図面である。これは圧力センサとして用いられており、その一部分だけが示さ れている。第１０図の各部品に対し、第４図の部品と対応する部品には同じ参照 番号が付けられている。ただし、添字ａを添えることによって区別されている。

作動器棒４０１ａの上端部は、可撓隔膜９４に適切に連結される。この可ｔａ隔 膜９４は、この隔膜の上に閉じ込められた流体の圧力によって、動くことができ る。この流体の圧力が変わると、緑カラー被覆体５９ａと赤カラー被覆体６０ａ とを備えた部品５８ａが上または下に移動する。！！１０図に示されている場合 では、この緑カラー被覆体が対向している光ファイバ２０１ａおよび２３１ａの 正面の位置にあり、隔膜の上の圧力が大きくて被覆された部品が押し下げられ、 そしてバネ３８ａが圧縮されていることがわかる。もし流体の圧力が十分に小さ くなるならば、バネが延びることによって赤カラー被覆体６０ａが上方に移動し て動作位置に配置される。このようにして、変換器３３１ａは圧力感知スイッチ として動作する。

第１１図は、第４図において３３１で示された光変換器と同様の、反射形光変換 器３３１ｂの図面である。これは液体のレベル・スイッチとして用いられており 、その一部分だけが示されている。第１１図の各部品に対し、第４図の部品と対 応する部品には、同じ参照番号が付けられている。ただし、添字すを添えること によって区別されている。

作動器棒４０１ｂの上端部は、腕棒９５の中間位置に、適当に回転可能に取り付 けられる。この腕棒９５の１つの端部は、９６で示されているように、適当な支 持体に回転可能に取り付けられる。この腕棒９５の他の端部は浮き９８に取り付 けられる。どの浮き９８は容器またはタンク１００の中に入っている液体９９の 液面の高さを決定する。液面の高さが予め定められた高さより低くなると、緑カ ラーｌ！Ｊ覆体５９ｋ）が光ファイバ２０１ｂａよび２３１ｂの端部に対向した 位置に配置され、その結果、弁（図示されていない）が開いて、液体がタンク１ ００の中に供給される。そして液面の高さが高くなり、浮きが上昇して赤カラー 被覆体６０ｂが光ファイバ２０１ｂおよび２３１ｂに対応した位置に配２２され た時、前記弁が閉じる。

第１２図は、第４図において３３１で示された光変換器と同様の、反射形光変換 器３３１Ｃの８面である。ただし、緑カラー被覆体５９ｃと赤カラー被覆体６０ ｃは、第４図、第１０図および第１１図に示されているように直線運動をする部 品５８．５８ａおよび５８ｂに取り付けられる代りに、回転する支持用部品５８ Ｃに取り付けられる。第１２図および第１３図に用いられている部品で、第４図 、第１０図および第１１図の部品と対応している部品には、同じ参照番号が付け られている。ただし、添字Ｃを添えることによって区別されている。

部品５８ｃが回転可能であるので、変換器３３１ｃを流量計として用いることが できる。この目的のために、図示されている部品５８Ｃは回転可能な円板であり 、そして第１３図に示されているように、この円板の半分は緑カラー被覆体５９ Ｃで′ｌ！ｉｉされており、がっ、他の半分は赤カラー被覆体６０ｃで被覆され ている。

円板５８Ｃは軸１０１に取り付けられており、そしてこの軸１０１にはまたパド ルｆｉ１０２が取り付けられている。この軸１０１は、流体入口１０４と流体出 口１゜５とを有する容器１０３の中に、軸受で支えられて配置される。流体がこ の容器の中へ流体入口から流れ込み、そして流体出口から流れ出ることにより、 パドル車１０２が回転する。パドル車１０２が回転すると、送出光ファイバ２０ １Ｃから放射された光が当たる動作位置に、赤カラー被覆体と緑カラー被覆体が 交互に現われ、そしてそこで反射された光が返送光ファイバ２３１Ｃに入射する 。一定の部門間隔の間にカラーが変わる回数を適当な装置（図示されていない） によって数えることにより、そしてそれを信号処理装置に取り入れることにより 、流量率を決定することができる。

電子信号処理装置またはセンサＩＩＩＩｌｌモジュール４３は複数個のセンサ、 例えば４個のセンサを処理するように配置することかでき、かつ、離れた位置に 配置することができる。典型的な電気出力はトランジスタ・トランジスタ論理の 場合直流＋５ボルトであり、そしてリレー装置の場合ｉＲ＋４０ボルト以上であ る。

おのおののセンサに対し、２つの電気信号が供給され、そして２個の表示器が備 えられる。１つの信号と１つの指示器は、センサ作動器（急に動作を始める、ま たは、解除する）の位置に整合する。他の信号と指示器は、光回路が機能してい る限り、オンのままである。もし光学的な連続性が失われるならば、「センサ機 能中、１指示器ＬＥＤが消勢され、そして状態信号がオフになる。

マイクロコントローラに基づくセンサ制御モジュール４３は、センサ遷移の回数 を記録するといったような機能を付加して有することができる。このことは、制 御されている実質的な寿命の確立と、おのおのの遷移の時刻の記録と、モデム・ インタフェースを与えることとに役立つ。多数のセンサを有する場合、このマイ クロコントローラ・モジュールは、センサを組み合わせて、プール論理出力を生 ずることができる。

作動器の上のカラーの領域の数を博すことによって、測定を２個以上の位置また はパラメータに拡張することができる。信号処理技術を多数個の光源とそれらに 対応するカラー領域に適用することによって、作ＷＪＢの位置がおのおののカラ ー領域のいずれにあるかを検出することができる。

これまでの説明により、本発明の光ファイバ・センサ装δの開示された実施例と 応用例によって前記目的が達成されることがわかるであろう。ｍ数的位置制御と いうディジタルな動作態様の代りに、位置測定のアナログ動作態様は横形の２重 カラー・フィルタを重ねることによって得ることができる。当業者にとって、そ の他の変更を行なうことが可能であろう。本発明の範囲は請求の範囲によって定 められる。

浄書（内容に変更なし） Ｆｉｇ、１゜ Ｆｉｇ、２゜ ５２０　５４０　５６０　５１１０　＠００　＠２０　＠４０　！Ｇｏ　＠６０ 　７００ヲ皮長（λ） 浄書（内容に変更なし） 浄書（内容に変更なし） 序言（内容に変更なし） 補正書の翻訳文提出書　（特許鵬１８４条の７組組

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. １．（イ）入力端部と出力端部とを有する送出光フアイバと、 （ロ）入力端部と出力端部とを有する返送光フアイバと、 （ハ）第１波長を中心とするスペクトル分布を有する第１光を発生する第１光発 生装置と、（ニ）第２波長を中心とするスペクトル分布を有する第２光を発生す る第２光発生装置と、（ホ）前記第１光のビームと前記第２光のビームとを前記 送出光ファイバの前記入力端部に向けて進めるための装置と、 （ヘ）前記送出光ファイバの前記出力端部と前記返送光ファイバの前記入力端部 との間に配置することが可能な配置装置を有し、かつ、前記返送光ファイバの前 記入力端部において前記第１光の強度と前記第２光の強度とを前記配置装置の位 置の変化の関数として異つた方式で変更することができる光変換器装置と、 （ト）前記返送光ファイバの前記出力端部における出力光強度を測定する検出器 装置と、 （チ）前記出力光強度の比に応答する電子信号処理装置と、 を組み合わせて有するファイバ光センサ装置。
2. ２．請求項１において、前記光変換器装置がまた前記配置装置を移動させかつ命 令入力に応答する作動器装置を有する、前記フアイバ光センサ装置。
3. ３．請求項２において、前記光変換器が透過形である、前記ファイバ光センサ装 置。
4. ４．請求項３において、前記配置装置が前記第１光を優先的に透過する第１光フ ィルタと前記第２光を優先的に透過する第２光フィルタとを有し、かつ、前記返 送光ファイバの前記入力端部の中へ透過してくる前記第１光の量と前記第２光の 量の相対値が前記作動器の位置と共に変化するように前記光フイルクが配置され ている、前記ファイバ光センサ装置。
5. ５．請求項３または請求項４において、前記検出器装置が波長フィルタ作用を用 いて前記第１光の強度に比例する第１検出器電圧を生じかつまた前記第２光の強 度に比例する第２検出器電圧を生ずる、前記フアイバ光センサ装置。
6. ６．請求項２において、前記光変換器が反射形である、前記ファイバ光センサ装 置。
7. ７．請求項６において、前記配置装置が前記第１光を優先的に反射する第１反射 器と前記第２光を優先的に反射する第２反射器とを有し、かつ、前記返送光フア イバの前記入力端部の中へ反射される前記第１光の量と前記第２光の量との相対 値が前記作動器の位置と共に変わるように前記反射器が配置されている、前記フ ァイバ光センサ装置。
8. ８．請求項６または請求項７において、前記検出器装置が波長分散を利用して前 記第１光の強度に比例する第１検出器電圧を生じおよびまた前記第２光の強度に 比例する第２検出器電圧を生ずる、前記ファイバ光センサ装置。
9. ９．請求項２において、前記第１光および前記第２光が前記送出光ファイバの前 記入力端部に交互に進み、かつ、前記検出器装置が時間的順序を利用して前記第 １光の強度に比例する第１検出器出力電圧を生じおよびまた前記第２光の強度に 比例する第２検出器出力電圧を生ずる、前記フアイバ光センサ装置。
10. １０．請求項４または請求項７において、前記信号処理装置が前記第１検出器出 力電圧を前記第２検出器出力電圧で除算を行つて第１比を計算し、およびまた前 記第１比に比例する大きさを有する出力信号を生ずる、前記ファイバ光センサ装 置。
11. １１．請求項１０において、前記信号処理装置が第１定数に対しておよびまた第 ２定数に対して前記第１比を検査し、そしてもし前記第１比が前記第１定数より も大きいまたは等しいならば前記信号出力が作動され、およひもし前記第１比が 前記第２定数より小さいまたは等しいならば前記信号出力が作動されない、前記 フアイバ光センサ装置。
12. １２．請求項１１において、前記信号出力に応答して作動された状態と作動され ない状態とを有する出力制御装置をさらに有し、前記信号処理装置が前記第１比 を検査しそしてもし前記第１比が前記第１定数より小さくかつ前記第２定数より 大きいならば前記作動器が遷移領域にあると考えられ、かつ、前記作動器が遷移 領域に入る前に有していた状態と反対の状態に前記出力制御装置が変わりそれに より状態変化のスナツプ作用が得られる、前記ファイバ光センサ装置。
13. １３．請求項１０において、状態信号に応答して作動された状態と作動されない 状態とを有する自己監視装置をさらに有し、前記第１光発生装置と前記第２光発 生装置のいずれもが動作していない時前記検出器装置が第３検出器出力電圧を生 じ、迷光の量に対応する前記第３検出器出力電圧が前記返送光ファイバを通して 返送され、前記信号処理装置が前記第１検出器出力電圧と前記第２検出器出力電 圧との和を前記第３検出器出力電圧で除算して第２比を計算し、前記第２比は正 常動作の場合には２よりはるかに大きくかつ装置の光学部品のいずれかが機能し ていない時にはほぼ２であるので前記第２比を用いて前記信号処理装置がこのよ うな光学部品のいずれかが故障していることを指示する前記状態信号を出力する 、前記ファイバ光センサ装置。
14. １４．請求項２において、２個以上の光源を用いて前記配置装置の移動範囲にわ たつての多重領域内で前記配置装置の位置が決定される、前記ファイバ光センサ 装置。