JP2005291946A - 光ファイバセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 波長分散型分光器を用い、迅速な測定ができる光ファイバセンサを提供する。【解決手段】 白色光源５から成るインコヒーレント光を、カップラ４を介してダイヤフラムセンサ部３へ入射するセンサ系１０と、ダイヤフラムセンサ部３からの戻り光がカップラ４を介して入射する波長分散型分光器３０と、戻り光信号が入力される信号処理系４０とを含む光ファイバセンサ１であって、戻り光信号からダイヤフラムセンサ部３への圧力，力，温度，流速の何れかを測定する。戻り光信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ４２及び圧力値を表示するＤ／Ａコンバータ４３ーが、電子計算機４１とシリアル又はパラレルインターフェースにより接続されていれば、圧力や力を高速で、かつ、高分解能で測定できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、血圧や力などの測定に使用できる光ファイバセンサに関する。

従来、血圧測定などに用いられている光ファイバセンサは、センサ部にミラーを兼ねたダイヤフラムを用いた圧力センサ（特許文献１参照）と、ハロゲンランプなどの低コヒーレンス光源と、光検知器などとから構成されている。
圧力センサとなるダイヤフラムを、所謂ファブリペロー干渉計として用いる場合には、２つの測定方法が知られている。
従来の第１の測定方法は、上記圧力センサの干渉計と同等の干渉計を検出器側に設け、この干渉計を構成する２つのミラーのうち１つを機械的に走査し、時間領域の縞を形成して光路長差を求め、圧力を求める方法である。この機械的走査のためには、圧電素子などを用いたアクチュエータが使用されていた（例えば、非特許文献１参照）。

従来の第２の測定方法は、ダイヤフラムの圧力による変位を空間的な縞として検出する方法である。この空間的な縞を光ファイバセンサに設けたカップラーを介して戻り光として分光器に入力し、ファブリペロー共振器のキャビティ長を測定する。そして、キャビティ長から圧力を求めることができる（例えば、非特許文献２，３参照）。

特開２０００−３５３６９号公報（図１） K. Fritsch, R. N. Poorman,"Fiber-linked interferometric pressure sensor", (1987), Rev. Sci. Instrum., Vol.58, No.9, pp.1655-1659 V. Bhatia 他３名, "Wavelength-tracked white lightinterferometry for highly sensitive strain and temperature measurements",(1996), ELECTRONICS LETTERS, Vol.32, No.3, pp.247-249 Roger A. Wolthuis 他５名, "Development of MedicalPressure and Temperature Sensors Employing Optical Spectrum Modulation",(1991), IEEE TRANSACTION ON BIOMEDICAL ENGINEERING, Vol.38, No.10, pp.974-981

しかしながら、従来の第１の時間領域での測定方法は、比較的高速なサンプリングが可能であるが、機械的にミラーを走査する必要があり、精度や長期の安定性に課題がある。

また、従来の第２の空間領域での測定方法は、ミラー自体の機械的な走査を用いずにダイヤフラムに印加される圧力による変位を検知できる。このため、ダイヤフラムを用いた圧力、力、速度などの検出システムとして精度が高く、長期的に安定ではあるが、分光器を用いることから高速のサンプリングが困難であるという課題がある。

本発明は以上の点に鑑み、波長分散型分光器を用い、かつ、迅速な測定ができる光ファイバセンサを提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の光ファイバセンサは、センサ系と波長分散型分光器と信号処理系とを有し、センサ系は、白色光源とこの白色光源に接続されるカップラとこのカップラに接続される光ファイバとこの光ファイバの先端に配設されるダイヤフラムセンサ部とから構成され、上記ダイヤフラムセンサ部は、ダイヤフラムユニットとスペーサー部と上記光ファイバの先端面に設けられたハーフミラー層とダイヤフラムユニットの内面に設けられた全反射層とからなり、光ファイバの先端面に対して内部空間を備え、上記信号処理系は電子計算機とＡ／Ｄコンバータとを有し、電子計算機とＡ／Ｄコンバータとがシリアル又はパラレルインターフェースにて接続されて成り、白色光源からカップラを介して光ファイバに入射する光によるハーフミラー層及び全反射層での反射光の位相ずれによる戻り光を波長分散型分光器に入射し、この戻り光信号を波長分散型分光器から信号処理系に出力し、信号処理系が、ダイヤフラムセンサ部への外部圧力で発生する変位による該戻り光信号の干渉特性に基づいてダイヤフラムセンサ部の変位を検出し、この変位から圧力、力、温度の何れかを測定するようにしたことを特徴とするものである。
この構成によれば、ダイヤフラムセンサ部からの戻り光を波長分散型分光器に入射させて、信号処理系で圧力，力，温度の何れかを高速に検出することができる。

上記構成において、好ましくは、光ファイバ及びダイヤフラムセンサ部からなる第１のセンサが支持部材内にて長手方向に沿って埋め込まれ、ダイヤフラムセンサ部が支持部材の側方に開口した窓部に臨んで配置され、さらに、支持部材内にて長手方向に沿って埋め込まれる光ファイバー及びダイヤフラムセンサ部からなる第２のセンサを備え、ダイヤフラムセンサ部が支持部材の先端に露出して配置され、第１及び第２のセンサの各ダイヤフラムセンサ部への外部圧力で発生する戻り光信号の干渉光特性に基づいて各ダイヤフラムセンサ部の変位を検出し、各変位から求まる圧力の差により流速を検出する。
この構成によれば、支持部材に２つのダイヤフラムセンサ部を配設し、ダイヤフラムセンサ部からの戻り光スペクトルを波長分散型分光器に入射させて、信号処理系において、圧力の差により流速を高速に検出することができる。

本発明の光ファイバセンサは、好ましくは、さらに、測定した圧力，力，温度，流速の何れかをアナログ信号に変換するＤ／Ａコンバータを備え、Ｄ／Ａコンバータと前記電子計算機とが、シリアル又はパラレルインターフェースにより接続される。この構成によれば、ダイヤフラムセンサ部からの戻り光スペクトルを波長分散型分光器に入射させて、信号処理系で圧力，力，温度，流速を高速に検出し、表示させることができる。

また、上記構成において、好ましくは、信号処理系が、戻り光信号のピーク波長を、ピーク波長近傍の直線補間法により計算する。この構成によれば、ピーク波長の測定を、さらに高分解能で行うことができる。したがって、ピーク波長を用いて計算される圧力，力，温度，流速の何れかの測定の分解能が向上する。

上記構成において、白色光源は、好ましくは白色ＬＥＤである。これによりハロゲンランプよりも小型軽量となり、光ファイバセンサの小型化と、低消費電力化が達成できる。また、長寿命であるので、ハロゲンランプのように電球の交換等が不要となるので利便性が向上する。

また、光ファイバセンサは、さらに好ましくは、ダイヤフラムセンサ部近傍の温度測定系を備え、測定する圧力又は力の温度補正を行う。この温度測定系は、好ましくは熱電対又は温度測定光ファイバセンサを含む。この構成によれば、ダイヤフラムセンサ部近傍の温度を正確に測定することができると共に、この温度測定により、圧力や力の測定値の正確な補正ができ、精度が向上する。

本発明によれば、波長分散型分光器を用いて、迅速な測定ができる光ファイバセンサを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
最初に、本発明による第１の実施形態に係る光ファイバセンサについて図１乃至図４により説明する。図１は本発明に係る第１の実施の形態による光ファイバセンサの構成を示す模式図である。図１において、光ファイバセンサ１は、センサ系１０と分光器３０と信号処理系４０とを具備して構成されている。

センサ系１０は、光ファイバ２と、この光ファイバの先端部に接続されるダイヤフラムセンサ部３などから成るセンサと、カップラ４と、白色光源５と、からなり、白色光源５から出射された光がカップラ４及び光ファイバ２を介して、ダイヤフラムセンサ部３に入射され、ダイヤフラムセンサ部３からの戻り光６が、分光器３０へ入射される。
白色光源５は、インコヒーレント光であり、例えばハロゲンランプを用いることができる。さらに、好ましくは白色発光ダイオード（白色ＬＥＤ）を使用する。白色ＬＥＤは、小型軽量で長寿命であるので、光ファイバセンサの小型化が可能になる。

図２は本発明に用いるダイヤフラムセンサ部の構造を示す断面図である。図に示すように、ダイヤフラムセンサ部３においては、光ファイバ２の先端面に対して内部空間を画成するようにダイヤフラムユニット２０とスペーサー２１が配置されている。このダイヤフラム部３の内面は後述する反射層が形成され、この内部空間がファブリペロー共振器２３となっている。
具体的には、ＳｉＯ₂ などから成る反射型ダイヤフラムユニット２０が、スペーサー２１を介して光ファイバ２の先端面に形成されたハーフミラー層２ａに接合した構造を有している。反射型ダイヤフラムユニット２０は、中央にメサ部２０ａを有し、その周辺がダイヤフラム２０ｂとなっている。また、メサ部２０ａ表面は、Ａｌ膜などによる全反射ミラー層２２が形成されている。これにより、ハーフミラー層２ａと全反射ミラー層２２との空間が上記各反射層となり、所謂ファブリペロー共振器２３となっている。
光ファイバを伝播してきた光２４は、ハーフミラー層２ａで反射する光２５と、全反射ミラー層２２で反射する光２６の干渉光が、カップラを介して、戻り光として分光器３０に入射する。ダイヤフラムセンサ部３に圧力が印加されると、メサ部２０ａに変位が生じる。この変位は、ファブリペロー共振器２３の長さであるセンサキャビティ長の変化となる。
これにより、光ファイバセンサ１において、外部圧力によるダイヤフラムセンサ部３の変形により発生する上記全反射ミラー層２２から成る反射層における反射光２６と、光ファイバ先端面の上記ハーフミラー層２ａから成る反射層での反射光２５との位相のずれによる戻り光信号の干渉光特性に基づいて、圧力を検出することができる。

次に、センサ系からの戻り光を検出する波長分散型分光器について説明する。
図３は、本発明に用いる波長分散型分光器３０の構造を模式的に示す図である。波長分散型分光器３０は、回折格子３３と、回折格子から分散された各波長の光強度を検知する光検知器３５などから構成されている。戻り光６は、カップラ４を介して光ファイバ２Ａにより分光器３０に入射し、スリット３１からコリメータ３２に入射し、回折格子３３に入光する。そして、ミラー３４を介して光検知器３５に分散される。光検知器３５は、ＣＣＤやＭＯＳ型撮像素子によるラインセンサなどを用いることができる。
このように分散された光が、上記ＣＣＤラインセンサ３５の各画素に入射し増幅されるので、各波長に対応する検知光が、戻り光６のスペクトルとして瞬時に計測される。そして、戻り光６のスペクトルは、戻り光信号３０ａとして、シリアル又はパラレルの高速のインターフェイスを介して信号処理系４０に出力される。
これにより、本発明で用いる波長分散型分光器３０においては、インコヒーレント光を瞬時に計測することができる。

制御系４０は、パーソナルコンピュータやマイクロプロセッサなどからなる制御用電子計算機４１と、分光器用Ａ／Ｄコンバータ４２と、表示用Ｄ／Ａコンバータ４３などを備えている。

分光器用Ａ／Ｄコンバータ４２は、波長分散型分光器３０から出力されるアナログ信号の戻り光信号３０ａのスペクトルａをデジタル信号に変換し、出力信号４２ａとなる。この出力信号４２ａは、信号処理時間を高速とするためにパラレルインターフェース又はパラレル信号として、マイクロプロセッサ４１に出力されることが好適である。

マイクロプロセッサ４１は、分光器用Ａ／Ｄコンバータ４２からのデジタル信号である戻り光信号３０ａのスペクトルを演算処理して、センサキャビティ長を計算し、この計算値から圧力などを計算する。このようにして求めた圧力などの値は、表示用Ｄ／Ａコンバータ４３により、実際のアナログ値として、図示しない表示装置などに出力される。この際、マイクロプロセッサ４１から表示用Ｄ／Ａコンバータ４３への出力４３ａは、表示の高速化のためには、シリアルインターフェースよりもパラレルインターフェースが好ましい。なお、センサキャビティ長及び圧力の関係は、予め測定したデータをマイクロプロセッサ４１のメモリ部に収容しておけばよい。

次に、本発明の第１の実施形態に係る光ファイバセンサの圧力測定について説明する。図４は、本発明の第１の実施形態に係る光ファイバセンサの圧力測定の処理内容を示すフロー図である。
先ず、ステップＳＴ１において、分光器３０の初期化、ＣＣＤ３５の露光積算時間、スムージングなどの測定パラメータの設定が行われる。そして、ステップＳＴ２において、圧力の基準値校正を行い、光ファイバセンサ１を圧力測定を行う所定の箇所に設置する。ここで、基準圧力としては、圧力が印加されていないときを零点とすることができる。

ステップＳＴ３において、ＣＣＤ３５におけるスペクトルの積算露光を開始する。そして、所定の時間経過後に、ステップＳＴ４において、ＣＣＤ３５におけるスペクトルの積算露光を終了させる。

次に、ステップＳＴ５において、分光器３０からマイクロプロセッサ４１へ戻り光６のスペクトルデータの転送を行う。

続いて、ステップＳＴ６において、スペクトルの複数のピーク波長の検出を行う。これらのピーク波長により、センサキャビティ長の算出をする。このセンサキャビティ長（ｄ）は下記の式から算出すればよい。
ｄ＝（ｍ／２ｎ）・λ₀ ＝（（ｍ−１）／２ｎ）・λ₁
ここで、ｍ，ｍ−１はスペクトルのピーク、λ₀ ，λ₁ はスペクトルピークに対応する波長、ｎはミラー間物質の屈折率である。

ステップＳＴ７において、上記センサキャビティ長から圧力値を算出し、圧力データを得る。次に、ステップＳＴ８において、圧力データを圧力表示用Ｄ／Ａコンバータ４３へ転送し、表示装置により圧力が表示される。

そして、ステップＳＴ９において、圧力測定を継続するか否かを判定する。測定を継続すると判断した場合には、ステップＳＴ２に戻り、圧力測定を行う。

これに対して、ステップＳＴ９において、圧力測定を終了したと判定したときには、圧力測定を終了する。
このようにして、光ファイバセンサ１により圧力測定を行うことができる。

これにより、本発明の光ファイバセンサ１にあっては、センサからの戻り光スペクトルを波長分散型分光器３０を用いることで取得時間の短縮ができる。また、そのデータを分光器用Ａ／Ｄコンバータ４２のパラレルインターフェースによりマイクロプロセッサに高速で転送すれば、さらに、圧力測定に要する処理時間を短くすることができる。

次に、本発明による第１の実施の形態に係る光ファイバセンサの変形例について説明する。図５は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る光ファイバセンサの圧力測定の処理内容を示すフロー図である。
この処理内容が第１の実施形態に係る光ファイバセンサの処理内容と異なるのは、図４のステップＳＴ８をステップＳＴ１１〜１３に変更した点にある。つまり、ステップＳＴ７において圧力データを得て、次にステップＳＴ１１において、キャビティ長や圧力値等の表示をモニタ上に表示する。
そして、ステップＳＴ１２において、圧力波形のグラフ表示等を、モニタリング用表示装置に出力する。続いて、ステップＳＴ１３において上記圧力値やグラフ等をメモリに記憶させる。
次のステップＳＴ９以降は、第１の実施形態に係る光ファイバセンサの処理内容と同じであるので、説明は省略する。
このような処理内容は、パーソナルコンピュータ４１を用い、そのオペレーティングシステム（ＯＳ）上で動作するソフトウェアにより行うことができる。また、マイクロプロセッサ４１を用いた場合には、上記処理内容を含むプログラムソフトウェアを直接マイクロプロセッサ４１上で動作させることにより、さらに高速に処理できる。

本発明による第２の実施形態に係る光ファイバセンサについて説明する。
図６は、本発明の第２の実施形態に係る光ファイバセンサに用いるピーク波長の補正方法を示す図である。図の横軸は、波長（ｎｍ）であり、縦軸は戻り光強度（任意目盛り）を示している。図では、光ファイバセンサからの戻り光６の１つのピークを示している。図示するように、ピークを折れ線近似し、ピークに近い２つの直線で補間し、その交点の波長をピーク波長として、ピーク波長の補正を行うことができる。縦軸をｙ軸、横軸をｘ軸として、補間をする２直線が、それぞれ、ｙ＝ａ₁ ｘ＋ｂ₁ 、ｙ＝ａ₂ ｘ＋ｂ₂ とした場合に、その交点であるピーク波長は、ｘ＝（ｂ₂ −ｂ₁ ）／（ａ₁ −ａ₂ ）となる。このような補正は、制御系のマイクロプロセッサ４１により、計算できる。このピーク波長の補正方法によれば、分光器の波長分解能の約１０倍程度の精度向上ができる。

次に、本発明による第３の実施形態に係る光ファイバセンサについて説明する。
本発明に係る光ファイバセンサ１は、専ら圧力センサの場合について説明したが、さらに、圧力とダイヤフラム部３の断面積との積がダイヤフラムセンサ部３に加わる力であることから、力センサとしても使用できる。これにより、光ファイバセンサにおいて、外部圧力によるダイヤフラムセンサ部３の変形により発生する反射層と光ファイバ先端面での反射光の位相のずれに基づく戻り光の干渉光の特性に基づいて、圧力からさらに力を検出することができる。

次に、本発明による第４の実施形態に係る光ファイバセンサについて説明する。
光ファイバセンサ１のダイヤフラムセンサ部３と光ファイバ２の先端面との間の内部空間が密閉されていることを利用して、この内部空間内に封入された空気等の熱膨張または熱収縮による気圧の変化を光ファイバセンサ１によって検出することにより、光ファイバセンサ１の外側の温度を知ることも可能である。このようにして、光ファイバセンサ１を温度センサとして利用することが可能になる。
これにより、光ファイバセンサにおいて、外部圧力によるダイヤフラムセンサ部の変形により発生する反射層と光ファイバ先端面での反射光の位相のずれによる戻り光の干渉光の特性に基づいて、圧力から温度を検出することができる。

次に、本発明による第５の実施形態に係る光ファイバセンサについて説明する。
図７は、本発明による光ファイバセンサの第５の実施形態を示す斜視図である。図７において、光ファイバセンサ８０は、支持部材８１内に埋め込まれている第１のセンサ８４と、第２のセンサ８６と、から成っている。
第１のセンサ８４は、上記第１の実施形態のセンサ１と同じように光ファイバ２とその先端部に配設されるダイヤフラムセンサ部３とから成り、支持部材８１内にて長手方向に沿って埋め込まれ、ダイヤフラムセンサ部３が支持部材８１の側方に開口した窓部に臨んで配置されている。また、第２のセンサ８６は、光ファイバ８２とその先端部に配設されるダイヤフラムセンサ部８３とから成り、支持部材８１内にて長手方向に沿って埋め込まれ、ダイヤフラムセンサ部３が支持部材８１の先端面に露出して配置されている。なお、支持部材８１は、ガイドワイヤやカテーテルなどに適用できる。また、第１及び第２のセンサ８４，８６に用いる光ファイバ２，８２とダイヤフラムセンサ部３，８３は、それぞれ同じものでもよい。

このような構成の光ファイバセンサ８０によれば、ガイドワイヤ８１を患者の血管内などに挿入したとき、第１及び第２のダイヤフラムセンサ部３，８３にて、血管の２箇所での血圧を同時に計測することができる。これにより、第１及び第２のダイヤフラムセンサ部３，８３により検出された各圧力の差に基づいて、当該血管内での血流速Ｖを算出することができる。即ち、第１のダイヤフラムセンサ部３による血管内圧をＰとし、血液の粘度をρとしたとき、ガイドワイヤ８１の先端面に作用する流速による圧力は、下記の式
Ｐ＋（ρＶ₂ ）／２
から求められる。
従って、第１のダイヤフラムセンサ部３及び第２のダイヤフラムセンサ部８３により検出された圧力の差に基づいて、血管内の血流速Ｖを検出することができる。このようにして、第１のダイヤフラムセンサ部３及び第２のダイヤフラムセンサ部８３を使用して、流速センサとして利用することも可能である。なお、支持部材として、ガイドワイヤ８１に代えて、カテーテルなどでも勿論構わない。

次に、本発明による第６の実施形態に係る光ファイバセンサについて説明する。
図８は、本発明の第６の実施形態に係る光ファイバセンサに用いる温度補正系の構成を示すブロック図である。図示するように、温度補正系５０は、光ファイバセンサ１のセンサ３近傍に配置される温度センサ５１と、温度センサの信号増幅回路５２と、温度センサ用Ａ／Ｄコンバータ５３と、から構成されている。他の構成は、本発明の第１の実施形態に係る光ファイバセンサ１と同じであるので、説明は省略する。
図に示す温度センサ用Ａ／Ｄコンバータ５３の出力５４は、制御系４０のマイクロプロセッサ４１に出力される。温度センサ５１は、光ファイバよりも外径の小さい熱電対などを使用することができる。なお、温度補正は、図４及び図５で示したフロー図において、ステップＳＴ７の次に行えばよい。
この構成によれば、光ファイバセンサ１のダイヤフラムセンサ部３の近傍に配置される温度センサ５１により、光ファイバセンサ１のダイヤフラムセンサ部３近傍の正確な温度が測定される。このため、温度と圧力の関係を予め測定しておくことで、温度変化に対する圧力の補正を行うことができる。

図９は、本発明の第６の実施形態に係る光ファイバセンサの別の構成を示すブロック図である。
光ファイバセンサ６０が、第１の実施形態に係る光ファイバセンサ１と異なるのは、光ファイバセンサのダイヤフラムセンサ部３の近傍に、さらに、光スイッチ６１により切り替え可能に温度測定用の光ファイバ温度センサ６２が配設される点である。光スイッチ６１は、ファイバ２のカップラ４側に挿入されている。
光スイッチ６１が、光ファイバセンサのダイヤフラムセンサ部３に接続されている場合には、第１の実施形態に係る光ファイバセンサ１の動作を行う。一方、光スイッチ６１が、光ファイバ温度センサ６２に接続されている場合には、カップラ４を介して分光器３０に入力される。分光器３０で測定される光ファイバ温度センサ６２のスペクトルは、Ａ／Ｄコンバータなどのインターフェースを介して制御系４０に接続され、マイクロプロセッサ４１で温度が計算される。
この構成によれば、光ファイバセンサのダイヤフラムセンサ部３の近傍に配置される光ファイバ温度センサ６２により、光ファイバセンサのダイヤフラムセンサ部３の正確な温度が測定される。このため、温度と圧力の関係を予め測定しておくことで、温度変化に対する圧力の補正を行うことができる。

図１０は、本発明の第６の実施形態に係る光ファイバセンサのさらに別の構成を示すブロック図である。
光ファイバセンサ７０が、図９の第６の実施形態に係る光ファイバセンサ６０と異なるのは、常時温度測定ができるように、光スイッチを６１を用いずに、さらに、光源７５と、カップラ７４と、分光器７６などを備えている点である。このため、光ファイバ温度センサ６２は、カップラ７４を介して分光器７６に常時接続される。この分光器７６で測定される光ファイバ温度センサ６２のスペクトルは、Ａ／Ｄコンバータなどのインターフェースを介して制御系４０に接続され、マイクロプロセッサ４１で常時温度が計算される。 この構成によれば、光ファイバセンサのダイヤフラムセンサ部３の近傍に配置される光ファイバ温度センサ６２により、光ファイバセンサのダイヤフラムセンサ部３の正確な温度が常時測定される。このため、温度と圧力の関係を予め測定しておくことで、温度変化に対する圧力の補正を、瞬時に行うことができる。

実施例１として、本発明による光ファイバセンサ１を製作した。図１を参照してその主要部分について説明する。
センサ系１０において、照明光源としてハロゲンランプ（米国Ocean Optics社製ＬＳ−１）または白色ＬＥＤ（日亜化学工業製、ＮＳＰＷ３００ＢＳ）を用いた。光ファイバ２の直径は１２５μｍであり、その先端をＺｎＳ又はＣｒのハーフミラー層２ａとした。ダイヤフラム部３は、ＳｉＯ₂ を材料として製作し、直径１２５μｍである。また、全反射ミラー層としてはＡｌを用いた。そして、スペーサー層２１はポリイミドにより製作し、その厚さは２μｍとした。

波長分散型分光器３０（米国Ocean Optics社製ＵＳＢ２０００）は、ツェルニターナー型分光器であり、光検知器３５はＣＣＤラインセンサ（ソニー製、ＩＬＸ５１１）を用いた。そのデータ出力用インターフェースはＵＳＢ（Universal Serial Bus）を用いた。

制御系４０においては、パーソナルコンピュータ（デル社製、ＬａｔｉｔｕｄｅＣ４００）４１と、波長分散型分光器３０に内蔵された１２ビットの分光器用Ａ／Ｄコンバータ４２を用いて信号処理を行った。

次に、実施例の光ファイバセンサ１により圧力測定を行った。測定のサンプリング周期は、７０Ｈｚである。
図１１及び図１２は、実施例１による戻り光スペクトルの圧力依存性を示す図であり、それぞれ、ハロゲンランプ、白色ＬＥＤを用いている。図の横軸は波長（ｎｍ）を示し、縦軸は戻り光強度（任意目盛り）を示している。図から明らかなように、圧力を−１００ｍｍＨｇから４００ｍｍＨｇまで５０ｍｍＨｇ毎に変化させたとき、ダイヤフラムセンサ部３からの戻り光に生じている干渉縞によるピークが変化することが分かる。

図１３は、実施例１により測定されたキャビティ長と圧力の関係を示す図である。測定には、ハロゲンランプを用いた。図の横軸は圧力（ｍｍＨｇ）を示し、縦軸はキャビティ長（ｎｍ）を示している。図から明らかなように、圧力が増加するとキャビティ長が減少することが分かる。

パーソナルコンピュータ４１の代わりに２８ＭＨｚマイクロプロセッサ４１（ルネサステクノロジ製、ＳＨ／７０４５Ｆ）を用いた。また１２ビットの分光器用Ａ／Ｄコンバータ４２（アナログデバイス社製、ＡＤ９２００）及び１６ビットの表示用Ｄ／Ａコンバータ４３（バーブラウン社製、ＤＡＣ７６４４）とにより、所謂パラレル信号処理を行った。他は実施例１と同様に、本発明による光ファイバセンサ１を製作した。測定のサンプリング周期は、５００Ｈｚと実施例１の約７倍の高速動作をさせることができた。

以上の実施例及び比較例から明らかなように、本発明の光ファイバセンサによれば、従来の分光器を用いた光ファイバセンサよりも迅速に動作する。

本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。上述した実施形態においては、主として圧力センサについて説明したが、力センサ、温度センサ、流速センサなどにに利用することも可能である。

本発明に係る第１の実施の形態による光ファイバセンサの構成を示す模式図である。 本発明に用いるダイヤフラムセンサ部の構造を示す断面図である。 本発明に用いる分光器の構造を模式的に示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る光ファイバセンサの圧力測定の処理内容を示すフロー図である。 本発明の第１の実施形態の変形例に係る光ファイバセンサの圧力測定の処理内容を示すフロー図である。 本発明の第２の実施形態に係る光ファイバセンサに用いるピーク波長の補正方法を示す図である。 本発明による光ファイバセンサの第５の実施形態を示す斜視図である。 本発明の第６の実施形態に係る光ファイバセンサに用いる温度補正系の構成を示すブロック図である。 本発明の第６の実施形態に係る光ファイバセンサの別の構成を示すブロック図である。 本発明の第６の実施形態に係る光ファイバセンサのさらに別の構成を示すブロック図である。 実施例１による戻り光スペクトルの圧力依存性を示す図である。 実施例１による戻り光スペクトルの圧力依存性を示す図である。 実施例１により測定されたキャビティ長と圧力の関係を示す図である。

符号の説明

１，６０，７０，８０：光ファイバセンサ
２，２Ａ，８２：光ファイバ
２ａ：ハーフミラー層（反射層）
３，８３：ダイヤフラムセンサ部
４，７４：カップラ
５，７５：光源
６：戻り光
１０：センサ系
２０：反射型ダイヤフラムユニット
２０ａ：メサ部
２０ｂ：ダイヤフラム部
２１：スペーサー
２２：全反射ミラー層（反射層）
２３：ファブリペロー共振器
２４：光ファイバを伝播してきた光
２５：ハーフミラー層により反射する光
２６：全反射ミラー層で反射する光
３０，７６：分光器（波長分散型分光器）
３０ａ：戻り光信号
３１：スリット
３２：コリメータ
３３：回折格子
３４：ミラー
３５：光検知器（ＣＣＤ）
４０：信号処理系
４１：制御用電子計算機（パーソナルコンピュータ、マイクロプロセッサ）
４２：分光器用Ａ／Ｄコンバータ
４２ａ：出力信号
４３：表示用Ｄ／Ａコンバータ
４３ａ：マイクロプロセッサからの出力信号
５０：温度補正系
５１：温度センサ（熱電対）
５２：信号増幅回路
５３：温度センサ用Ａ／Ｄコンバータ
５４：出力
６１：光スイッチ
６２：光ファイバ温度センサ
８１：支持部材（ガイドワイヤ）
８１ｂ：開口した窓部
８４：第１のセンサ
８５：第２のセンサ

Claims (7)

1. センサ系と波長分散型分光器と信号処理系とを有する光ファイバセンサであって、
   上記センサ系は、白色光源と、該白色光源に接続されるカップラと、該カップラに接続される光ファイバと、該光ファイバの先端に配設されるダイヤフラムセンサ部と、から構成され、
   上記ダイヤフラムセンサ部は、ダイヤフラムユニットと、スペーサー部と、上記光ファイバの先端面に設けられたハーフミラー層と、該ダイヤフラムユニットの内面に設けられた全反射層と、からなり、上記光ファイバの先端面に対して内部空間を備え、
   上記信号処理系は電子計算機とＡ／Ｄコンバータとを有し、上記電子計算機と上記Ａ／Ｄコンバータとがシリアル又はパラレルインターフェースにて接続されて成り、
   上記白色光源から上記カップラを介して上記光ファイバに入射する光による上記ハーフミラー層及び全反射層での反射光の位相ずれによる戻り光を上記波長分散型分光器に入射し、
   上記戻り光信号を上記波長分散型分光器から上記信号処理系に出力し、
   上記信号処理系が、上記ダイヤフラムセンサ部への外部圧力で発生する変位による該戻り光信号の干渉特性に基づいて上記ダイヤフラムセンサ部の変位を検出し、この変位から圧力、力、温度の何れかを測定することを特徴とする、光ファイバセンサ。
2. 前記光ファイバ及びダイヤフラムセンサ部からなる第１のセンサが、支持部材内にて長手方向に沿って埋め込まれ、該ダイヤフラムセンサ部が該支持部材の側方に開口した窓部に臨んで配置され、
   さらに、上記支持部材内にて長手方向に沿って埋め込まれる光ファイバー及びダイヤフラムセンサ部からなる第２のセンサを備え、該ダイヤフラムセンサ部が上記支持部材の先端に露出して配置され、
   第１及び第２のセンサの各ダイヤフラムセンサ部への外部圧力で発生する戻り光信号の干渉光特性に基づいて各ダイヤフラムセンサ部の変位を検出し、各変位から求まる圧力の差により流速を検出することを特徴とする、請求項１に記載の光ファイバセンサ。
3. さらに、前記測定した圧力，力，温度，流速の何れかをアナログ信号に変換するＤ／Ａコンバータを備え、該Ｄ／Ａコンバータと前記電子計算機とを、シリアル又はパラレルインターフェースにより接続することを特徴とする、請求項１に記載の光ファイバセンサ。
4. 前記信号処理系が、前記ダイヤフラムセンサ部からの戻り光信号のピーク波長を、ピーク波長近傍の直線補間法によりピーク波長を補正計算することを特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の光ファイバセンサ。
5. 前記白色光源は白色ＬＥＤであることを特徴とする、請求項１に記載の光ファイバセンサ。
6. さらに、前記ダイヤフラムセンサ部近傍の温度測定系を備え、測定する圧力の温度補正を行うことを特徴とする、請求項１〜５の何れかに記載の光ファイバセンサ。
7. 前記温度測定系が、熱電対又は温度測定光ファイバセンサを含むことを特徴とする、請求項６に記載の光ファイバセンサ。

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