JPH0439896B2

JPH0439896B2 -

Info

Publication number: JPH0439896B2
Application number: JP60224755A
Authority: JP
Inventors: Mitsugi Nakahara; Takao Sato
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-10-11
Filing date: 1985-10-11
Publication date: 1992-07-01
Also published as: JPS6285818A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、圧力、温度等の物流量を光学的に、
またさらに、デイジタル的に検出するデイジタル
出力光フアイバセンサに関する。

〔発明の背景〕

電気的手段による圧力あるいは温度測定装置
は、その測定信号を電気的な信号に変換して遠隔
地へ伝送することが一般的である。そのため、こ
の測定信号を伝送する途中において、電気的な誘
導雑音を受ける可能性が高い。この点、光学的手
段を用いた圧力あるいは温度測定装置は、伝送路
に光フアイバを用いることで遠隔測定が可能とな
り、対雑音性のある信号伝送が実現できる。

光学的手段として利用する光の性質には、光の
強度、位相、周波数および偏光がある。特に、光
の強度変化を測定する装置は、取り扱いが比較的
簡単であり、また信号処理が容易である点から、
種々多数の測定方法および測定装置に利用されて
いる。しかしながら、一般に、光の強度変化を利
用する測定装置においては、圧力あるいは温度の
検出部以外での光量変化、例えば光フアイバを光
の伝送路とした場合の伝送損失変化による光量変
化が測定誤差の要因となる。この伝送損失変化が
発生する原因として、光フアイバの曲がりによつ
て臨界角より大なる反射角を持つ伝送光の発生、
あるいは光フアイバ全体の振動によるマイクロベ
ンドの発生等があり、これらは光フアイバの伝送
損失を変化させる。

このようなことから、光フアイバを利用して光
の強度変化により圧力あるいは温度を測定する装
置では、測定精度を高めるために、伝送損失変化
を小さくするか、伝送損失変化を補償するか、も
しくは伝送損失変化の影響を受けにくいデイジタ
ル出力とするかのいずれかが必要となる。このデ
イジタル出力の光フアイバセンサについては、特
開昭57−131032号「光パルス出力圧センサ」があ
る。前記の文献において述べられている光パルス
出力センサの構成を第１５図に示す。

第１５図において、圧力検出部は、送光用バン
ドルフアイバ２５ｎと受光用バンドフアイバ２６
と、これらのバンドルフアイバ２５ｎ，２６の端
面と対向して配置された圧力の印加によつて変位
する反射板６１と、これらの位置関係を固定する
圧力室１１とから構成される。駆動回路を含む光
源２４からの光は、送光用バンドルフアイバ２５
ｎを構成しているｎ本あるそれぞれの光フアイバ
２５１，２５２，，…２５ｎに対し順次入射され
る。入射された光は、送光用バンドフアイバ２５
ｎを通つて、反射板６１に投射される。投射され
た光は反射板６１にて反射され、その一部が受光
用バンドルフアイバ２６にて受光され、受光ダイ
オード２７に照射される。この照射された光は、
光−電気変換回路２８にて電気信号に変換される
とともに、しきい値回路２９にてその受光量の絶
対値に応じて“Ｌ”、“Ｈ”の２値レベル信号に変
換され、パルス計数回路３０にて“Ｈ”レベルの
信号数が計数され、その計数値から圧力値が変換
される。

すなわち、圧力の測定範囲を送光用バンドルフ
アイバ２５ｎを構成している光フアイバの本数ｎ
に対応させ、そのｎ本の光フアイバに順次光を送
つた時、受光用バンドルフアイバ２６にて“Ｈ”
レベルとみなせる受光量が何回あつたかによつ
て、圧力値を算出するものである。

従つて、第１５図の様な構成とすることによ
り、受光用光フアイバ２６による受光量が、しき
い値回路２９にて２値レベル信号にデイジタル化
できる。このため、光フアイバの伝送損失変動あ
るいは光源の光量変動等の影響は、デイジタル化
されたことによつて低減され、また圧力は、しき
い値回路２９からのパルスを計数することで測定
できる。

しかしながらこの例では、圧力センサの測定分
解能は、明らかに送光用バンドルフアイバ２５ｎ
の光フアイバ本数ｎに依存し、分解能を高めよう
とすると光フアイバの本数の増大をきたす。ま
た、それに伴い、送光用バンドルフアイバ２５ｎ
と光源２４との光の結合が困難となる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、反射板がコードの付された面
に垂直な方向に変位する場合でも精度良く反射板
の変位を測定できるデイジタル出力光フアイバを
提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の特徴は、送光用光フアイバに接続さ
れ、送光用光フアイバにより送られてきた光を反
射板のコードが付された面に投射する第１スラブ
レンズと、反射板から反射された光を受光し、各
受光用光フアイバに接続されかつ長手方向が第１
スラブレンズの長手方向と直交する方向に配置さ
れた第２スラブレンズとを備えたことにある。

〔発明の実施例〕

本発明の実施例を図面に基づいて以下に詳細に
説明する。

第１図は、本発明のデイジタル出力光フアイバ
センサの検出部の一実施例を示したものである。

第１図において、送光用光フアイバ１の先端に
は、一方に一方向屈折率分布型スラブレンズ２が
装着されている。このスラブレンズ２の作用によ
り、送光用光フアイバ１からの出射光は、線状と
なり反射板６に投射される。反射板６は、圧力あ
るいは温度変化にともないZ_a，Z_b方向に変位す
る。また、反射板６には、スラブレンズ２からの
投射光があたる部分に特定の規則によつてコード
化された反射鏡５ｎが配置されている。ここで反
射鏡５ｎ以外では光は反射しない。従つて、この
コート化された反射鏡５ｎからの反射光について
も同様にコード化されることになり、ｎ個の一方
向屈折率分布型スラブレンズ３ｎによりコード化
された光は入射する。入射した光は、スラブレン
ズ３ｎによつて収光され、各スラブレンズ３１，
３２，３３，…３ｎにそれぞれ接続されている受
光用光フアイバ４１，４２，４３，…，４ｎによ
つて受光される。各スラブレンズ３ｎの長手方向
は、スラブレンズ２の長手方向（Ｘ方向）と直交
する方向（Ｙ方向）に向かつて配置される。

反射鏡５ｎによる反射光と反射板６との関係に
ついて、第２図により述べる。第２図は、コード
化された反射鏡５ｎが配置された反射板６の一部
分を示している。第１図における反射板６のZ_a，
Z_b方向への変位により、反射板６とスラブレンズ
２との相対距離が変化するため、スラブレンズ２
から投射された投射光７が反射板６上で反射する
位置は、Y_a，Y_b方向に移動する。反射鏡５ｎは、
反射板６上に均一に配置されておらず、ある特定
の規則によつてコード化された配置となつてい
る。すなわち、特定の規則に基づいた反射鏡５ｎ
の配置によつて異なる複数のコードが、反射板５
の一面にY_a，Y_b方向に付されている。このため、
反射板５が圧力または温度の変化によつてＺ方向
に変位すると、スラブレンズ２から投射された投
射光７の反射位置が上記のようにY_a，Y_b方向に
ずれるので、各スラブレンズ３ｎは今までと異な
る配置の反射鏡５ｎからの反射光を受光する。第
２図では、ある特定の規則によるコード化された
反射鏡５ｎの配置として、バイナリコードに基づ
いて配置した例について示している。すなわち、
反射鏡５ｎの最下列は反射鏡５ｎのＸ方向距離に
対し、2⁰ビツト、次の列は2¹ビツト、その次の列
は2²ビツト…となる。またこの時、反射鏡５ｎを
Ｙ方向に対し、０、１、２、３、…、ｎを示す。
従つて、反射鏡５ｎのＹ方向において、投射光７
の位置はｎであるが、このｎの値に対応したバイ
ナリコード化した反射鏡５ｎがＸ方向に配置して
ある。

コード化した反射鏡５ｎからの反射光は、投射
光７の反射板上での位置により異なる。このた
め、第２図の例では、各ビツトに対応した反射光
を受光するため、第１図に示すように複数のスラ
ブレンズ３ｎを反射鏡５ｎのＸ方向に対し配置す
る。すなわち、スラブレンズ３１は2⁰ビツトに対
応する反射鏡５ｎからの反射光、スラブレンズ３
２は2¹ビツトに対応する反射鏡５ｎからの反射
光、…をそれぞれ受光し、各スラブレンズ３ｎに
それぞれ接続されている受光用光フアイバ４ｎに
光を伝える。従つて、受光用光フアイバ４ｎへの
光の有無から、反射板６の変位を検出することが
できる。

本実施例は、受光用のスラブレンズ３ｎの長手
方向が投光用のスラブレンズ２の長手方向と直交
する方向を向いて配置されているので、温度また
は圧力の変化によつて反射板６がコードの付され
た面に垂直な方向に変位しても精度良く反射板の
変位を測定することができる。これは、よりもな
おさず、変化後の温度または圧力を精度良く測定
できる。また、本実施例は、実開昭60−15642号
公報の第１図に示したように、反射板６がコード
を付した面と平行な方向（本実施例におけるＹ方
向）に変位する場合にも、反射板６の変位を精度
良く測定できる。従つて、本実施例は、温度また
は圧力の測定個所の周囲の状況との兼合いで光フ
アイバ等を設置しやすいセンサの構造、すなわち
(1)反射板６をコードを付した面に垂直に変位させ
る構造、及び(2)そのコードを付した面と平行に反
射板６を変位させる構造を任意に選択することが
できる。

また、本実施例は、光フアイバの本数を減少で
きる。

以上の本実施例の効果は、以下に述べる本発明
の他の実施例においても生じる。

第３図は、第１図および第２図にて示した反射
鏡５ｎを有したデイジタル出力光フアイバセンサ
を圧力センサに適用した場合の構成図を示す。

第３図において、駆動回路８により駆動された
発光ダイオード９の光は、送光用光フアイバ１に
入射する。送光用光フアイバ１に入射した光は、
一方向屈折率分布型スラブレンズ２から出射し、
コード化された反射鏡を有する反射板６に投射さ
れる。反射鏡からの反射光は、再び複数の一方向
屈折率分布型スラブレンズ３ｎにて受光され、そ
れぞれのスラブレンズ３ｎに接続された受光用光
フアイバ４ｎによつて伝送される。また、反射板
６は、圧力変化によつて変形するベローズ１０に
取り付けられており、スラブレンズ２および３ｎ
と反射板６の位置関係を設定するため、ハウジン
グ１１でこれらは固定されている、受光用フアイ
バ４ｎにて伝送された光は、各受光用光フアイバ
４１，４２，…，４ｎに対応して反射板６の変位
をバイナリコード表現したビツト信号となるが、
これらの光信号は、各ビツトに対応した光として
フオトダイオードアレイ１２に照射される。フオ
トダイオード１２からの各ビツトに対応した光信
号は、増幅回路１３に入力された後波形整形され
デコーダの１４の入力信号となる。デコーダ１４
は、入力されたバイナリコードの信号を例えば10
進数に変換する。演算および圧力表示回路１５で
は、変換された信号を実際の圧力値と対応させる
ための演算を行い、その結果を圧力値として表示
する。

第４図に、デコーダ１４に対する増幅回路１３
からの入力信号例を示す。バイナリコード化され
た反射鏡からの反射光は、反射板６の変位により
変化するため、デコーダ１４への入力信号は圧力
変化により変化する。また、この圧力センサの圧
力測定分解能は、バイナリコードのビツト数で定
まる。例えば、圧力測定範囲に対してその分解能
を1/64とする場合には、６ビツト必要である。こ
のため反射板６のバイナリコード化された反射
鏡、一方向屈折率分布型スラブレンズ３ｎ、受光
用光フアイバ４ｎ、およびフオトダイオードアレ
イ１２のフオトダイオードは、このビツト数に対
応した数だけあればよい。

第５図は、本発明のデイジタル出力光フアイバ
センサの検出部のその他の実施例を示したもので
ある。

第５図と第１図との異なつている点は、送先用
光フアイバ１ａおよび一方向屈折率分布型スラブ
レンズ２ａが第１図に付加されていることであ
る。

第５図において、反射板６のZ_a，Z_b方向への変
位により、スラブレンズ２，２ａからの反射板６
のコード化された反射鏡５ｎへの線状の投射光
は、Y_a，Y_b方向へと移動する。ここで、反射板
６がZ_a方向に変位した場合について述べる。この
時、送光用光フアイバ１のみ送光状態にあり、破
線で示した光は、一方向屈折率分布型スラブレン
ズ３ｎにて受光されているものとする。反射板６
のZ_b方向への変位により、反射鏡５ｎ上の線状の
投射光は、Y_b方向へ移動し、ある変位以上とな
るとスラブレンズ３ｎにてコード化された反射光
が受光されなくなる。このため、反射光が受光さ
れなくなる前に送光用光フアイ１ａに対して送先
を開始する。スラブレンズ２ａからの反射鏡５ｎ
への投射光は、実線にて示した光となり、スラブ
レンズ３ｎにて再び受光されるようになる。この
様な構成とすることにより、第１図と同一測定範
囲に対し、第５図の場合２回同一反射鏡５ｎのコ
ードを利用することから、反射鏡５ｎ、スラブレ
ンズ３ｎ、受光用光フアイバ４ｎの数を減らすこ
とが可能となる。

第６図は、第５図にて示したデイジタル出力光
フアイバセンサを圧力センサに適用した場合の構
成図を示す。

第６図において、発光ダイオード９，９ａは、
駆動回路８にて駆動され、また駆動回路８はセン
サ制御回路１６にて制御される。受光用光フアイ
バ４ｎからの光は、フオトダイオードアレイ１２
１にて光−電気変換される。このフオトダイオー
ドアレイ１２１は、センサ制御回路１６の走査信
号（クロツク信号）φにて順次走査され、その出
力を増幅回路１８へ送信する。計数回路１７は、
フオトダイオードアレイ１２１の走査のリセツト
信号を発生する。増幅回路１８からの出力は、信
号変換回路１９にて実際の圧力値と対応した信号
に変換され、圧力表示回路２０にて表示される。
また、信号変換回路１９からの出力は、センサ制
御回路１６に送信される。この信号を基に、セン
サ制御回路１６は、発光ダイオード９，９ａのい
ずれを駆動するかを決定する。さらに、送先用光
フアイバ１，１ａのいずれに送光しているかによ
つて、信号変換回路１９による圧力値への変換の
方法は異なる。すなわち、例えば送先用光フアイ
バ１ａに送先している時得られる信号変換回路１
９からの出力は、発光ダイオード９の駆動を発光
ダイオード９ａに切換えて駆動している場合に得
られるが、送光用光フアイバ１に送光している時
得られる信号変換回路１９からの出力に対し、あ
る一定値だけバイアスされた値となり、そのバイ
アスが加えられた結果が圧力表示回路２０にて表
示される。

以上本発明の一実施例として、バイナリコード
化された反射鏡を反射板上に設けた例について示
したが、例えば、ハミング距離が常に１であるグ
レゴリコード等の特定の規則のあるコードに従つ
て反射鏡を配置しても可能であることは明らかで
ある。

以上述べたデイジタル出力光フアイバセンサ
は、その複数の受光用光フアイバによる受光量に
対し重み付けがそれぞれされていると考えること
ができる。これに対し複数受光用光フアイバによ
るそれぞれの受光量への重み付けを同一とした場
合について述べる。

第７図は、本発明のデイジタル出力光フアイバ
センサの検出部のその他の実施例を示したもので
ある。送光用光フアイバ１および受光用光フアイ
バ４ｎのそれぞれの端面と、圧力あるいは温度等
の最理量変化で変位する反射板６１とが対向した
構造であり、これらの位置関係をハウジング１１
にて固定してある。この時、送光用光フアイバ１
と受光用光フアイバ４１，４２，４３，…，４ｎ
との距離はそれぞれ異なる様に配置されている。

第７図において、送光用光フアイバ１から出射
した光は、反射板６１にて反射され受光用光フア
イバ４ｎにて受光される。この反射板６１と光フ
アイバとの距離変化に対するそれぞれの受光用光
フアイバ４１，４２，４３，…４ｎの受光量S₁，
S₂，S₃…，S_oの関係を第８図に示す。

すなわち、光フアイバ１，４ｎと反射板６１と
の距離がZ₁，Z₂，Z₃…となるに従い、送光用光フ
アイバ１にて送られた光は受光用光フアイバ４
１，４２，４３，…にて受光量S₁，S₂，S₃，…と
して順次受光される。従つて、しきい値受光量
S_th以上に受光している受光用光フアイバ４ｎを
求めることで、反射板６１の変位量を求めること
ができる。

第９図は、第７図で示したデイジタル出力光フ
アイバセンサの検出部２１からの信号を処理する
ための構成を示す。

第９図において、発光ダイオード９は駆動回路
８にて駆動され、また駆動回路８はセンサ制御回
路１６にて制御される。受光用光フアイバ４ｎか
らの光はフオトダイオードアレイ１２１にて光−
電気変換される。このフオトダイオードアレイ１
２１は、センサ制御回路１６のクロツク信号φに
て順次走査され、その出力を増幅回路１８へ送信
する。増幅回路１８の出力とクロツク信号φとは
ANDゲート２３を通り、信号変換回路２２へ送
られ、信号変換回路２２への入力パルス数に対応
した圧力あるいは温度等の測定物理量の値に変換
される。この変換された値を基に表示回路２０に
て表示する。また、計数回路１７は、クロツク信
号φを計数し、フオトダイオードアレイ１２１、
信号変換回路２２のリセツト信号Ｒを発生する。

第１０図は、信号変換回路２２への入力信号例
を示したものであり、フオトダイオードアレイ１
２１の走査信号（クロツク信号）φに対応して、
信号変換回路２２への入力が検出部２１の反射板
の変位に応じて得られる。すなわち、デイジタル
出力光フアイバセンサの測定範囲を受光用光フア
イバ４ｎによりｎ分割した時、フオトダイオード
アレイ１２１を１回走査した場合に得られるパル
ス数によつて圧力、温度等による反射板の変位量
を求めることができる。

第１１図は、受光用光フアイバ４ｎを削減する
ための方法について示したものである。第１１図
において、送光用光フアイバ１ａと受光用光フア
イバ４ｎ、送光用光フアイバ１ａと受光用光フア
イバ４ｎとのそれぞれの距離は異なる様に配置さ
れる。この様な構成とすることにより、第１２図
に示す様に、第８図にて示された特性に加えて、
新たに送光用光フアイバ１ａを付加したことによ
りS_1a，S_2aが得られる。従つて、同一の反射板６
１の変位に対して、その変位の分解能が向上する
ため、第７図と同程度のセンサ分解能とした場
合、受光用フアイバ４ｎの本数の削減が可能とな
る。

第１３図は、第１１図に示したデイジタル出力
光フアイバセンサの検出部２１からの信号を処理
するための構成を示す。第９図と異なつている点
は、送光用光フアイバ１，１ａに時分割的に光を
送るため発光ダイオード９，９ａを設けた点であ
る。この時の信号変換回路２２への入力信号例を
第１４図に示す、発光ダイオード９，９ａを時分
割駆動しているため、フオトダイオードアレイ１
２１の走査は、反射板の圧力あるいは温度等の物
理量変化による変位測定１回に対しT₁およびT₂
の２回必要である。すなわち、フオトダイオード
アレイ１２１の２回の走査によつて得られたパル
ス数から、圧力あるいは温度等の測定物理量の値
を求めることができる。

なお、検出部の反射板上にコード化された反射
鏡を配置した実施例について述べたが、反射鏡に
対し波長選択性を持たせ、これを多層構造とする
ことにより、光フアイバの本数をさらに削減した
デイジタル出力光フアイバセンサが実現できる。

すなわち、発光波長が異なる２つの発光ダイオ
ードの光を時分割駆動し、送光フアイバにより反
射板へ投射する。反射板上には、それぞれ異なる
ようにコード化された反射鏡が２層構成に配置さ
れており、各層の反射鏡は投射光の各波長に対し
選択的に反射する波長選択性を持たせる。この
時、受光用光フアイバは、それぞれの反射鏡から
の反射光を時分割的に受光し、この受光信号から
反射板の変位を求めることができることから、反
射鏡を２層構造としない場合と比較して光フアイ
バの本数を約1/2に削減することができる。また、
受光側にて受光信号の波長分離機能を加えること
により発光ダイオードは同時駆動することができ
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば、反射板がコードを付した面に
垂直に変位する場合であつても、反射板の変位を
精度良く測定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す構成図、
第２図は本発明に用いる反射板上の反射鏡のコー
ド化の例を示した図、第３図は本発明を圧力セン
サに適用した構成図、第４図は第３図のデコーダ
入力信号例を示した図、第５図は本発明の第２の
実施例を示す構成図、第６図は第５図の実施例を
圧力センサに適用した構成図、第７図は本発明の
第３の実施例を示す図、第８図は第７図の実施例
における受光特性を示す図、第９図は第７図の実
施例を適用した光フアイバセンサの構成図、第１
０図は第９図の計数回路入力信号例を示した図、
第１１図は第４の実施例を示す図、第１２図は第
１１図の実施例における受光特性と示す図、第１
３図は第１１図の実施例を適用した光フアイバセ
ンサの構成図、第１４図は第１３図の計数回路入
力信号例を示した図、第１５図は従来のデイジタ
ル出力光フアイバセンサの構成図である。１，１ａ……送光用光フアイバ、２，２ａ，３
ｎ……一方向屈折率分布型スラブレンズ、４ｎ…
…受光用フアイバ、５ｎ……反射鏡、６，６１…
…反射板、８……駆動回路、９，９ａ……発光ダ
イオード、１２，１２１……フオトダイオードア
レイ、１３，１８……増幅回路、１４……デコー
ダ、１５，２０……表示回路、１６……センサ制
御回路、１７……計数回路、１９，２２……信号
変換回路。

Claims

【特許請求の範囲】

１表面に数値を表現したコードが付され、圧力
または温度により変位する反射板と、送光用光フ
アイバと、複数の受光用光フアイバと、前記送光
用光フアイバに接続され、前記送光用光フアイバ
により送られてきた光を前記反射板の電気コード
が付された面に投射する第１スラブレンズと、前
記反射板から反射された光を受光し、前記各受光
用光フアイバにそれぞれ接続されかつ長手方向が
前記第１スラブレンズの長手方向と直交する方向
に配置された第２スラブレンズと、前記各受光用
光フアイバによつて送られてきた光信号に基づい
て前記反射板の変位量を求める手段とを備えたこ
とを特徴とするデイジタル出力光フアイバセン
サ。