JPS60142226A - 圧力モニタ及び温度補償された圧力測定システム - 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】 技術分野 本発明は、光による圧力測定のシステム、一層詳細には
、応力誘起複屈折（この用５１１は゛圧力により誘起さ
れる複屈折″を意味する）を生じて導波路ループ内の共
振周波数に偏移を生じさぼるダイアフラムを有するガラ
ス材料から製作された圧力ドランスデューサに係る。

背狽技Ｍｉ 圧力トランスデユーサは圧力の変化をモニタηるために
用いられる装置である。圧力トランスデ：Ｌ−りは圧力
測定システムの一体部分であり、受圧位置に配置される
。圧力ドランスデユー１ノは、トランスデューりの位置
で圧力変化を通信する電気、空気圧、油圧又は光信号に
よりモニタ又はインターロゲー（−される。先導波路の
使用の劇的な増大に伴い、あらゆる形式の先代センリ−
が提案されてきた。例えば多重コア圧力応答性光フアイ
バ導波路が″ファイバオプティックひずみセンサ″とい
う名称の１９８１年１０月２０日イ；）米国特許第４，
２９５，７３８号明細出に開示されている。

光導波路に作用するひずみ変化がコアから放射する光の
相対的強さを測定でることにより測定される。

特に関心が持たれるものとしてｐ　ｒｏｃｅｅｄｉｎｇ
ｓｏｆ　５ＰｒＥ　（１９８３）、Ｖｏ１４１２、Ｆｉ
ｂｅｒｏｐＮｃ　ａｌｌｄ　１−ａｓｅｒ３ｅｎＳＯ１
’Ｓ中のＣｌ１ｆｆｏｒｄ　Ｇ、　Ｗａｌｋｅｒの論文
”　Ｐ　ｈｏｔｏｅｌａｓｔｉｃ　ａ旧１ｆｑ　１ｅｃ
ｔｒｏ　−Ｑ　ｐｔｉｃ　５ｅｎｓｏｒｓ”　（光弁４
９＆び電気光学式セン＋Ｊ）に記載されている受動的レ
ーザー加重１１がある。この論文の第１図に、リング共
振器を含んでいるレーザー加速度計が示されている。非
常に狭いスペクトル線幅を右Ｊるレーリ゛−源の出力ビ
ームが２つの別々のビーフ）に分割されて、別々にブラ
ッグ・セルに通される１、ｆｌ−光子が一つのビームを
９０度回転さけ、そのビームが次いでリング共振器に与
えられる９、リンク′ＪＬ振器に作用する応力が、周波
数差を追跡することにより測定され得る。しかし、この
論文により示唆されている先代センサは、高品質の光学
的月利から形成されたダイアフラムの圧力作用下の変形
と結びつけられる応力誘起複屈折の変化を測定づ−るた
めの広帯域非干渉性の光エネルギ源を示唆しではいない
。発明の開示 本発明の目的は、腐食Ｆ＋気体及び液体内のような苛酷
な環境で広い温度範囲に亙り正確且再現可ｆ１に１．＞
圧力測定を行ない得るように、光学材料から製作された
圧力ドランスデューサを有する圧力測定システムを提供
することである。

本発明による先代圧力センナの一つの特徴は、ダイアフ
ラムがイの周縁で一体に形成されたリムにより剛固に保
持されて圧力ドランスデューサの中心に配置され−Ｃい
ることである。一つの面にヂ「川りる圧ノＪによるダイ
アフラムの一変形が導波路ループ内に応力誘起複屈折を
生じさけ、従ってＪ、Ｉζ、スーパーラジアント・ダイ
オードのような比較的広いスペクトル線幅の光源からの
光エネルギにより誘導される共振周波数に相応の変化を
生じさぜる。

本発明による先代圧ノノセンリ−の他の特徴は、丈夫で
耐久性に富む低損失カラスから製作された圧ツノトラン
スデユーサが圧力変化を測＞：：　４−るのに用いられ
ていることである。ダイアフラムの一つの面上の導波路
ループが応力誘起複層１１ｉを生じ、イーれが閉ループ
内を伝搬する光」丁ネルキの成分に相対的位相差を生じ
さける。この位相差に比例する出力信号が、共振光１ネ
ルギの一部分を出力導波路と光エネルギのスペクトル成
分を分析する光検出器とに結合することにより形成され
る。

本発明の上記及び他の目的、特徴及び利点は以下の好ま
しい実施例及び添（ｓｔ図１０１の説明から　層間らか
になろう。

発明を実ＩＭ−Ｊ−るための最良の形態最初に第１図を
参照覆ると、本発明による光弐斤ツノＬンυの主要なＩ
Ｍ成９．９索が簡ＩＩＩ化した形態で示されている。圧
力トランスデユーサ−１０は流体斥力の変化が測定され
るべき位置に配置されている。圧力ドランスデューサ１
０の中心部分にダイアフラム１２がリム１４と一体に形
成されており、リム１４は圧力トランスデユーサ１０の
周縁を囲繞している。一つの端面１６（第１図″ｃ見て
上側の而は）ダイアフラム１２の端面に形成された導波
路ルー１１８を含んでいる。入力導波路２０も圧力］−
ランステ゛ユーリ１０の端面１Ｇに形成されＣおり、好
ましい実施例では、導波路ループ１８に１ネルギ授受点
２４　ｔ−接りる接線又は弦とリム］４の周縁との交点
の一方２２から他方２５へ延び−Ｃいる。出ノＪ導波路
も圧力トランスデ“ｊ−リ１０の端面１６に形成されて
遺り、導波路ルーフ１８に出力側の］−ネルギ授受点２
８で接η−る接線又は弦とリム１４の周縁との交点の一
７″ｉ２７から他方３３０へ延びている。

本発明の先代圧力ヒンリは、スーパーラジｊ′ン１〜・
グイオート又はの準焦帯域分光分布の明るい）にｄＳ；
のＪζうな光源３２を含んでおり、これは光■ネルギを
入力導波路２０の端面２２を通じて結合づるぺ＜　１１
［！冒されている。周波数検出器３４も設けられｒＡ３
す、端面３０から出る光エネルギをモニタするべく配置
されている。後で・一層詳細に説明するＪ：うに、周波
数検出器３／ｌは導波路ループ１Ｂ内で共振する光１ネ
ルギのスペクトル成分を分析する装置である。所望であ
れば、光源３２ａ３よ、び周波数検出器３４は遠隔位置
に配Ｗ、１され、光導波路（図示けず）によりＨ−ノ１
１〜ランスデニ１−リ１０と接続され４ｑる。これは、
例えば高温又は腐蝕性流体に曝される苛酷な環境で圧力
変化を測定でる必要がある場合に特に望ましい。

本発明による光式圧力［ンリの特に重曹な特徴は、圧力
変化が周波数検出器３４により正６１「にモニタされ得
るようにＪ−Ｆカドランスミ’　、：ｔ−リ１０かロー
力変化に応答づる仕方である。第２図を６参照Ｊると、
圧力ドランスｉ」−ザ１０か断面図で示されている。ダ
イアフラム１２の偏位（，１、図面をねかりヤ）づくり
るため、誇張しＣ図小されている。

圧力１〜ランスデコーサ１０は、好Ｊ、シクけ、低損失
の先導波路の形成に適した光透過す２１月利か１う形成
されている。好ましい実施例ぐは、リム１／ｌは、ダイ
アフラム１２の周縁がぞのまわりで剛固に固定されるよ
うに、ダイアフラム１２よりも遥かに厚い厚みを右する
。リム１４およびタイアノラム１２は別々の要素として
製作されてｔ）よいが、一体構造とづるほうが製作工程
が少なくてすむ。

本発明の重曹な特徴は、当業者にＪ：り叩解されるよう
に、導波路ルーフ１８が光共振器として作用し、その光
共振器の共振周波数が汗カトランスデューリ１０に作用
Ｊる圧力の関数どして変化することである。一層の理解
に資づるため、続けて第１図及び第２図を参照して、本
発明による先代ＥＦ、／Ｊ　ｔンリの理論及び作動を説
１１１ｊ’ｌる。導波路ループは例えばイオン注入法の
ような公知の方法ににり例えば低１ｒ３人単−し−ド方
形導波路としで形成される。導波路ループ１８内に生り
“る共振の各共振周波数は、導波路の長辺に対して垂直
及び平行に偏光される最低次導波路モードに相当り−る
２つの狭い間隔の周波数に分割される９、これらの周波
数の曲の離隔は応力誘起複屈折ににり圧力どノ（に変化
りる。当業者により理解されるように、」（振ループは
下式のように共振周波数を中心どして一連の通過帯域を
’＃ｉ　ｉる光＝１−ムフィルタと類似のしかたで作用
する。

ｆユ、ら　・　ｌｃ／（ｈ□　５丁・）　Ｎ　二　［２
，、、、（１）ここで、ｎ　：垂直モートの位相１ｉ１
ｊｌ　４１ｉ率ｎ　ｂ　’水平モードの位相ｆｎＪ折牢
し：リングの周縁の良さ Ｎ：共振次数 ダイアフラム−１の対称４ｆ均等分布のログ１がループ
に応力を生じ、それにより通過帯域を偏移さＵ−る。

共振周波数　δｆ及びδｆの変化は半径方向ひり′み殊
及び接線方向ひｆみε。の双方により決定される。光路
長さの変化は一つにはリングの周縁の変化にＪ、り生じ
、もう一つには応力誘起複層Ｊｌｉににり生ずる。

＆−１−／ｆ　＝−（ε十δｎ／ｙ１）（２）氏　θ　
負 ＆ｆ　／ｆユニー。＋ＳＯ８／自）（３）し ここで ４＝ｆ　きモ へ　し ｎ−リ　仁ｎ へ　ｂ 屈折率の変化は下式により導波路ループの垂直光弾性定
数幅及び水平光弾＋！１定数ｐゎに関係７ｊ　＋ｊ　ｌ
られＣいる。

Ｂｎｂ／ｒ１　＝（−（（ン２）−（Ｐｂε−凡ε。）
　（５）ｉｌｌ　＃ｌ１４Ｎ理論により示されるように
、ダイアフラム１２内の表面ひずみは上式によりめられ
る。

ここで １−ダイアフラム厚み ［＝　Ａアング宇 シーポアソン比 導波路ループ内の溶融シリカに対づる光弾性定数はＦ記
の値である。

Ｐｂ＝　ρ／］ｚ Ｐａ−０，”Ｊ７ これらの値を用い、またひずみに対する式（６）及び（
７）を式（２）及び（３）に代入すると、各モードの周
波数偏移及びその結果どしての差周波数Δの１１１定１
ｆｆｊが得られる。

ここで 正規化周波数偏移Δ／（ｆＣ）が（ｒ／′ａ）の関数と
して第４図のグラフに示されている。導波路ルーフ１８
の位置及び１９み比（ｒ、’ａ）は、差動（１４波数偏
移Δが、適当なＳＮ比を与えるのになお十分に大きいコ
ームフィルタのモード次数の間の自由スペクトル範囲Δ
［、の半分を越えないように、選定されなりればならな
い。例えば、−ｂしＥ二　ｌρ４Ｘ１０　Ｐｓ＋、′Ｘ
）−〇、ノアｊ　α／モ　−４であれば、 Ｃ二京６×１０　Ｐ また 干−ＩＣ／Ｌ　ヅ３メ１０１４Ｚ（１３）ζ・あれば、 △／４ｆ　−７，’１ｘ１０−３（＆／　Ｉ　ｃｉｎ＞
（Ｙ／Ｑ’ｌＣＰ／Ｉ　ｐ５ｉ）〔１−３ｆｆＡ）’］
（１４） もしａ　＝０．５ｃｍ１ＥＩｐ　＝　１００ｐｓｉであ
れは゛、導波路ループ１８をｒ　／ａ　＜Ｑ、　９に配
置することにＪ、り必要条件１△ＩくΔ［／２が満足さ
れＩＵる。最大のＳＮ比に対して１・／ａは最大許容限
度の近くに設定されなければならない。ａ・＝　１　、
／　２ｃＪ］ｒ　／ａ　＝０．８５に対して、自由スペ
クトル範囲は８　、１９　Ｇ１−１　ｚ　（あり、また
１　００　ｐｓｉ　Ｅ（力に対する最大差動周波数偏移
は−３、０Ｇ　Ｈ／（゛ある。

甲＝−スペクトルの幅δｆ′は、 により定義される共振器の゛フィネス″により決定され
る。

今１くを入力及び出力結合器のパワー結合効率、１を結
合損失、またνを導波路減衰（中位長さ当リゾジベル）
と覆ると、上記のフィネスはであり、また通過帯域の中
心に於（）るピーク透過率は である。

もしリング共振器１８内の減衰がＯｌｏ　１　ｄ　Ｂ７
ｃｍ’ｃありまたパワー結合効率及び人力／出力結合損
失が１％であり、また’−０，４Ｈｎ、１＜１％、し−
１％であれば、Ｆ−１３６１，’Ｔ’　＝　０　、１９
である１、これらのパラメータに対１する各通過帯域の
幅は約６０ＭＨｚである。零圧力１１．１のスペクトル
線の前幅は埋込まれた導波路の）１法及び開１１数の関
数である。ぞれは少な、くとちスペクトル線幅よりも大
きいＡ−ダーの人ささにされｔｉＦる７２例えば、もし
開口数が０．１ぐあり、１１導波路が２：１のアスパラ
［・レジＡをイ４８Ｊるならば、ｆニーｆｂ＝・５００
　Ｍ　ｌ−１ｚである。光源３２及び周波数検出器３４
は少なくとも最大１！ＩＪ持されるスペクトル帯問離隔
、即ら零斤カ時の離隔と１１力依存性偏移Δとの和、を
含むように十分に広セ１シ域ｒなければなｌうイ１い。

導波路ルー１１８は上記の共振スペクトル線を広帯域入
力から選択して、検出器３４に与える。

このようなスペクトル線の多くの対が非常に広帯域の源
から生じ得る。そして各列が実質的に、Ｊ−記の周波数
離隔を呈覆る。検出器３４は、入射光のスペクトル線を
混合して、この離隔周波数を含む電気釣用ノノイ５；号
を生り”るフＡトダイＡ−ド（８うつ（よい。所望であ
れば、電子式スペクトル線〜ルライ９−又は周波数８１
３５により関心のある帯域の外側の周波数成分を除去し
て、上記のように圧力に比例している離隔周波数を直接
に測定覆ることができる。

木光明の特に重要な特徴は、圧力ドランスｉ′−、：１
−リ＝１０による圧ツノ測定が温度変化により実質的に
影響されないことである。熱膨張により導波路ループ１
８の周縁長さが変化するけれども、この変化は２つの偏
光に等しく作用するので、導波路ループ１８内に生ずる
ハ振周波数はいりれも実質的に同一の大きさだ（）偏移
さＵられることＧＥＬ　’１！ｌ！解されよう。このこ
とは、ｌ動因波数ｆ編移は温度の変化により彩管されず
に、印加圧ノＪの変化に実質的に比例しでいる状態を保
つことを怠味Ｊる。１１力トランスデューリ゛１０の材
料のレンゲ串が温度の弱関数で′あることは知られ（い
るが、ｈカトランスデコーリ−１０の作動温度範囲が不
合理に広くないかぎ′す、なＪ３も受容可能な精度が保
たれ４ｒ−）イ）、。

本発明にＪ、るタイアノラム１２の製作のためには神々
の方法が知られている。ｌ）’Ｊ　ＦｉＣ！のにうに、
基板はクイ酸す１〜リウムのよう＜ｉ低損失のケイ酸ア
ルカリガラスから形成され得る。リング共娠器１８、入
力導波路２ｏ及び出力導波路２６はイＡ−ン交換法によ
り、交換窓を例外としくタイアノラム１２の交換側のフ
ォトレジスト・マス１ングを用いで形成されうる。マス
ク材料は交挽円イΔンに対して不透過性でなＧ−Ｊれば
ならず、目交４９！　？！１Ａ度（Ｊ耐えな（〕ればな
らない。萌梨型なマスク材料はアルミニウム及びニッケ
ルを含んでいる。マスクされたダイアフラム１２は所望
の陽イオンを含んでいる溶融電解質の中に浸漬されてい
る。イオン交換は、タイアノラムを含んでいる溶融電解
質の中に浸漬されている二つの′Ｌｒｉ極の間に適当な
電圧を印加することにより行なわれる。交換後にマスク
は酸の中にｉ７Ｆ解されｌ’４　Ｚｙ　。

本発明の先代圧力ヒンサを一つの好ましい実施例に“つ
いＣ図示し説明し−できたが、本発明の範囲内でその形
態及び細部に種々の変更が行なわれ得ることは実業＆に
より１！Ｉ！解されよう１１例えは、ＦＦ力１−ランス
ゲ１−リ−１０の端面上の導波路ループ１Ｂはタイアノ
ラム１２上に同心に配置されているものどじで一般的に
示された。実際、導波路ループ１８は、共振周波数の測
定回１ｊヒな偏移を得るのに十分な応力誘起複屈折が生
ずるかきり、圧力トランスデコーりの端面−にの４１意
の位貯に配置され噌！１よう。導波路ループの断面形状
は図示（第２図）され−（いるようにほぼ方形Ｃある必
要はなく、導波路内の光−［ネルギ窃各独Ｓ’／の偏光
に対して共振周波数の差が存在覆るかぎり、（ｆ意の断
面形状であり得よう。導波路ループは、実際、偏光作用
のある九ファイバをダイアフラムの表面に接着りること
により形成され１４７　Ｊ：う。ざらに、入力及び出〕
ｊ光エネルギは圧ノＪトランスデＪ−リ１０の端面１６
１の弦状の人力及び出力導波路２０及び２６を通じて導
波路ルー１１８と結合される必要はなく、導波路の頂に
密接配置されたブリスムのような他の手段を通じても導
波路ループ１８と結合され得Ｊ：う。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光式圧力測定シスラムの基本的構
成要素を示づ拡大斜視図ぐあり、端面上に導波路ループ
、入力導波路及び出力導波路をイＪりる圧力トランスデ
コーサが部分的に切欠かれて示されている。 第２図は第１図中の几力Ｉ〜ランスデコーりのみのｒ祈
面図であり、ダイアフラムはハー力作川下の偏位を誇張
して図示され−Ｃいる。 第３図は圧力トランスデユーりの端面十に配置された導
波路ループ内で共振づる光、■ネル：１゛のＸＯ」周波
数偏移を承りグラフである。 第４図はｊ１現化された差動周波数偏移と１」力ｌ〜ラ
ンスデコーリ−のタイアワラム上のを波路ループの半径
どの関係を示リグラフ（゛ある。 １０・・・圧力１〜ランスデューリ−１１２・・・ダイ
アフラム、１４・・・すｌ＼、′１６・・端面、１８・
・・導波路ループ、２０・・・人力導波路、２４．．２
８・・・エネルギ授受肖、２（う・・・出力導波路、３
３２・・・光源、３４・・・周波数検出器、３５・・・
周波数ｈ１ 特ム′１出願人　二１ブイデッド・テクノ［１シース・
］−ボレイシ１ン

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧ノコモニタに於て、 一つの表面に配置された導波路ループを有し圧力の作用
   下に偏位して前記導波路ループ内に応力誘起複屈折を生
   じさけるダイアノラムを含んでいる圧ノＪ応答手段と、 光エネルギを前記導波路ループへ結合覆るため前記導波
   路ループに隣接して配置されている先入ツノ手段と、 前記導波路ループから光エネルギの一部分を結合するた
   め同じく前記導波路ループに隣接して配置され−Ｃいる
   光出力手段とを含んでおり、それにより、前記ダイアフ
   ラムに作用する圧力に比例する前記応力誘起複屈折の結
   果として、前記導波路ループ内で共振する光エネルギの
   スペクトル応答に差動周波数偏移が生ずる ことを特徴とする圧力モニタ。
2. （２）温度補償された圧力測定システムに於て、一つの
   表面に設置された導波路ループを有し表面に作用する圧
   力に応答して前記導波路ループ内に応力誘起複屈折を生
   じさせるダイアフラムを含んでいる圧力応答手段と、 光■ネルギを前記導波路ループへ結合するため前記導波
   路ループに隣接して配置されている光源手段と 前記導波路ループから結合された光」−ネルギを受ける
   べく配置されている周波数検出手段とを含んＣおり、 それにより、前記ダイアフラムに作用する圧力に比例す
   る前記応力誘起複屈折の結果として、前記導波路ループ
   内で共振１−る光］−ネルギのスペクトル応答に差動周
   波数偏移が生ずる ことを特徴とりる温麻補（ｆｔされた圧力測定システム
   。