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技術 ファイバーブラッグ回折格子温度センサー

出願人 行政院国家科学委員会
発明者 呉静雄曹士林
出願日 1997年7月18日 (22年5ヶ月経過) 出願番号 1997-209951
公開日 1999年2月26日 (20年9ヶ月経過) 公開番号 1999-051783
状態 特許登録済
技術分野 温度及び熱量の測定
主要キーワード 分光鏡 温度目盛 二酸化炭素成分 生体センサー デジタル演算回路 医療センサ センサー構造 クラディング
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1999年2月26日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (5)

課題

従来の温度センサーの低精度を改善した、精度の高いファイバーブラッグ回折格子温度センサーを得る。

解決手段

ファイバーブラッグ回折格子温度センサーを、レーザー光源1のレーザー、ファイバー接続器2、ファイバーブラッグ回折格子51,52、フォトディテクター61,62、マイクロプロセッサー8を含む構成とする。

概要

背景

ブラッシ(S.Bracci) らは1993年、「A: psysical 」第37巻第2期180〜186ページに「Sensor and Acturators 」を発表し、pH値光ファイバーセンサー測定方法提出した。また、ウォルチウス(R.Wolthius) らは1992年、「IEEE Trans. Biomed. Eng.」第39巻第2期185〜193ページに光ファイバーセンサーによる体内酸素量測定技術について発表している。フォックス(M.D.Fox)らは1990年、Proceeding of Northeast Conferenceの「Bioengineerin 」101〜102ページに光偏極態 (Optical porlarization state)測定方法を利用して血糖値モニターリングする方法を提出した。

最近では、ミグナニ(A.G.Mignani)らが1995年、「IEEE J.Lightwave Technol」第13巻第7期1396〜1406ページに生体内で使用する多機能光ファイバーモニタリングセンサーを発表した。これは光センサーを利用して、生体内のpH値、酸素量、二酸化炭素成分などを同時に測定できる。この研究は医学において光センサーで生体信号を測定する魅力を強調し、生体光ファイバーセンサーの統合が全光学化に邁進するのも今後の潮流である。ミグナニの提出した光ファイバーセンサーにおいて、サーモカップルを利用して体内温度を測定しているが、その他光ファイバー温度センサーで誤差修正している。我々は、その他電器医学センサーが血液で汚染された時、その他の副作用を発生し、死に至る場合があることを知っている。過去にサーモカップルを利用して体内での温度センサーとする方法は、今後光ファイバー温度センサーに取って代わられるであろう。このため、光ファイバーで製造されたセンサーは医学上での使用が適当となり、且つ柔軟性を持っている。ウォルチウスらは1991年、「IEEE Trans. Biomed. Eng.」第38巻第10期974〜981ページに生理光ファイバー温度センサーを報告した。これはシステムにおいて温度センサーを光ファイバー上に加えたため、製造上の問題がある。光ファイバーに外から加えられた温度センサーは蛍光を発することができる一種化学物質である。蛍光の生命期と温度とは関連性があり、この信号を利用して温度を測定する。その後の信号処理回路は複雑であるため、リアルタイムな測定を行うことができない。

光電子の領域において、FBGを運用したセンサーは多く研究されている。例えばアラヴィ(A.T.Alavie) らは1993年、「IEEE photon.Technol.Lett. 」第5巻第9期1112〜1114ページに、シン(M.G.Xn) らは1993年に、「Electron. Lett. 」第29巻第4期第398〜399ページにそれぞれ発表した方法は、圧力と温度を測定し、さらには即時に測量信号を処理することができる。この種のFBGは温度変化により周波数安定化が変化する。従来の技術はいずれも反射スペクトル最大値波長温度測定用に使用しているため、これらの技術は測定の精度に限界がある。測定光波長のスペクトル分析機はさらに精度の限界と不確定さがある。このため、従来の技術は実際の応用において、とくに医学の応用において大きな欠点を有する。本発明はこれらの従来の技術の欠点を改善し、容易にその他光ファイバーセンサーと合わせて、生物医学の領域に応用する。

概要

従来の温度センサーの低精度を改善した、精度の高いファイバーブラッグ回折格子温度センサーを得る。

ファイバーブラッグ回折格子温度センサーを、レーザー光源1のレーザー、ファイバー接続器2、ファイバーブラッグ回折格子51,52、フォトディテクター61,62、マイクロプロセッサー8を含む構成とする。

目的

本発明の主な目的は、精度の高い温度センサーを提供することで、従来の1本のFBGしか使用しない温度センサーの低精度を改善したものである。FBG温度センサーにおいて2つの異なる材質を持つFBGを採用し、反射レーザー光量により、正確に温度を計算する。本FBG温度センサーは、スペクトル(Optical spectrum) または光波長検出器が不要で、且つスペクトルまたは光波長の揺れによるセンサーの誤差を防止し、温度測定解析度と精度を高める。とくに医学上の温度測定、またはその他体内光ファイバーセンサーの目盛り決定に適用する。本発明のもう1つの目的は、過去の体内温度センサー構造を改善し、その他光ファイバーセンサーと互換性を持つ温度測定装置を提供し、有効にセンサーの体積縮小し、血管などの微小組織で生体信号を測定できるようにする。本発明の解析度は0.01℃にまで高められており、さらに一般のヒト体温である36℃の±10℃の範囲で測定でき、このため、生体センサーまたは環境高精度温度測定器として使用することができる。

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
1件

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請求項1

レーザーファイバー接続器、ファイバーブラッグ回折格子フォトディテクターマイクロプロセッサーを含むことを特徴とするファイバーブラッグ回折格子温度センサー

請求項2

レーザー光が、ファイバー接続器を通過したあと2本に分かれ、これら2本の光線は、それぞれ再びファイバー接続器を通過して2本となり、そのうち1本はそれぞれ1本のファイバーブラッグ回折格子に接続し、これら2本のファイバーブラッグ回折格子が温度センサーをなし、フォトディテクターでファイバーブラッグ回折格子の温度によるスペクトルの変化を測定し、マイクロプロセッサーで正確な温度を算出することを特徴とする請求項1に記載のファイバーブラッグ回折格子温度センサー。

請求項3

いかなるレーザー光源も、その光周波数の幅がファイバーブラッグ回折格子の穿孔または反射スペクトルの幅より小さいことを特徴とする請求項1に記載のファイバーブラッグ回折格子温度センサー。

請求項4

ファイバー接続器の提供する分光機能が、分光鏡導波管接続器その他の分光機能を持つ光学部品代替できることを特徴とする請求項1に記載のファイバーブラッグ回折格子温度センサー。

請求項5

ファイバー接続器が操作する光周波数領域において、周波数安定化が発生した場合は事前目盛り決定を行い、マイクロプロセッサー内のデータベース資料修正することを特徴とする請求項1に記載のファイバーブラッグ回折格子温度センサー。

請求項6

ファイバーブラッグ回折格子部品回折格子が、ファイバーのコア、コアのクラッディング、またはコアおよびコアのクラッディング上に形成されることを特徴とする請求項1に記載のファイバーブラッグ回折格子温度センサー。

請求項7

光ファイバー温度センサーが、2組以上の異なる熱膨張係数および熱光係数を持つファイバーブラッグ回折格子から構成されることを特徴とする請求項1に記載のファイバーブラッグ回折格子温度センサー。

請求項8

ファイバーブラッグ回折格子が異なる材料を持ち、この材料はコア、クラッディング、皮膜うち1つ、2つまたはすべて異なるよう設計したことを特徴とする請求項7に記載のファイバーブラッグ回折格子温度センサー。

請求項9

ファイバーブラッグ回折格子を異なる熱膨張係数の材料でメッキをしたことを特徴とする請求項7に記載のファイバーブラッグ回折格子温度センサー。

請求項10

ファイバーブラッグ回折格子が異なる格子間隔、または異なる格子構造を持つことを特徴とする請求項7に記載のファイバーブラッグ回折格子温度センサー。

請求項11

ファイバーブラッグ回折格子が研磨後D型光ファイバーを採用し、異なる熱膨張係数及び熱光係数を持つ回折格子導波管を平らなクラッディング面に形成したことを特徴とする請求項7に記載のファイバーブラッグ回折格子温度センサー。

請求項12

D型光ファイバーブラッグ回折格子は、異なる材質、異なる格子長さ、異なるグレーティング間隔、異なるグレーティング構造、または異なる熱膨張係数のメッキ膜を持つことを特徴とする請求項11に記載のファイバーブラッグ回折格子温度センサー。

請求項13

光ファイバー温度センサーが、デジタル演算回路またはアナログ演算回路を採用して演算を行うことを特徴とする請求項1に記載のファイバーブラッグ回折格子温度センサー。

請求項14

ファイバーブラッグ回折格子センサーが、同時に温度と光源周波数を測定できることを特徴とする請求項2に記載のファイバーブラッグ回折格子温度センサー。

請求項15

各種マイクロコンピューターを採用した、請求項1に記載のマイクロコンピュータを採用したことを特徴とする請求項1に記載のファイバーブラッグ回折格子温度センサー。

請求項16

マイクロコンピューターが各種メモリ装置を含むことを特徴とする請求項15に記載のファイバーブラッグ回折格子温度センサー。

請求項17

マイクロコンピュータが周波数を測定した後、フィードバック回路を通じてレーザーの周波数を安定させることを特徴とする請求項14に記載のファイバーブラッグ回折格子温度センサー。

請求項18

ファイバーブラッグ回折格子が希土元素混合の光増幅器材料を採用したことを特徴とする請求項7に記載のファイバーブラッグ回折格子温度センサー。

請求項19

生物医学の領域で使用することを特徴とする請求項1に記載のファイバーブラッグ回折格子温度センサー。

請求項20

その他生物医学センサーを結合し、一緒に使用して、体積縮小し、集積化したことを特徴とする請求項19に記載のファイバーブラッグ回折格子温度センサー。

請求項21

温度目盛り決定および高温環境下での温度測定に使用することを特徴とする請求項1に記載のファイバーブラッグ回折格子温度センサー。

技術分野

0001

本発明のファイバーブラッグ回折格子(Fiber Bragg Grating :以下、FBGと記す。)温度センサーは、1本のFBGを採用しただけの温度センサーは精度に欠けるという欠点を改良し、その他医療用光ファイバセンサー一緒に使用し、目盛り決定の目的を達成した生物医学用品または環境温度測定器とする。1980年以来、光ファイバー温度センサーは広く研究されてきた。各種光ファイバーセンサーは多くの領域における温度測定に応用される。おもに、光ファイバーの長所は、小さくて軽く、化学的腐食に強く、電磁波の干渉を受けず、整理適応性(bio-compactibility) が高いことが挙げられる。このため、優れた生理温度センサーとして使用されている。現在医療センサーの開発において、光ファイバーと化学感応ヘッドを組み合わせて、生理信号センサーが製作されている。化学感応ヘッドスペクトルの変化により、光ファイバーは光信号の変化を対外へ伝達し、分析、測定することができる。しかし、これらのセンサーは基本的にいずれも温度の目盛り決定が必要であり、このため温度の精度は非常に重要である。

0002

本発明は、ダブルFBGを運用して正確な温度測定、目盛り決定機能を提供し、光周波数揺れの影響を受けにくく、同時に生物医学光ファイバーセンサーサーモカップル(Thermocouple) を加えた後でないと包装できないという問題を解決し、同時に光ファイバー製の温度センサーを運用し、光ファイバーセンサーを全光学化に邁進させ、且つ体積縮小したものである。

背景技術

0003

ブラッシ(S.Bracci) らは1993年、「A: psysical 」第37巻第2期180〜186ページに「Sensor and Acturators 」を発表し、pH値光ファイバーセンサーの測定方法提出した。また、ウォルチウス(R.Wolthius) らは1992年、「IEEE Trans. Biomed. Eng.」第39巻第2期185〜193ページに光ファイバーセンサーによる体内酸素量測定技術について発表している。フォックス(M.D.Fox)らは1990年、Proceeding of Northeast Conferenceの「Bioengineerin 」101〜102ページに光偏極態 (Optical porlarization state)測定方法を利用して血糖値モニターリングする方法を提出した。

0004

最近では、ミグナニ(A.G.Mignani)らが1995年、「IEEE J.Lightwave Technol」第13巻第7期1396〜1406ページに生体内で使用する多機能光ファイバー・モニタリング・センサーを発表した。これは光センサーを利用して、生体内のpH値、酸素量、二酸化炭素成分などを同時に測定できる。この研究は医学において光センサーで生体信号を測定する魅力を強調し、生体光ファイバーセンサーの統合が全光学化に邁進するのも今後の潮流である。ミグナニの提出した光ファイバーセンサーにおいて、サーモカップルを利用して体内温度を測定しているが、その他光ファイバー温度センサーで誤差修正している。我々は、その他電器医学センサーが血液で汚染された時、その他の副作用を発生し、死に至る場合があることを知っている。過去にサーモカップルを利用して体内での温度センサーとする方法は、今後光ファイバー温度センサーに取って代わられるであろう。このため、光ファイバーで製造されたセンサーは医学上での使用が適当となり、且つ柔軟性を持っている。ウォルチウスらは1991年、「IEEE Trans. Biomed. Eng.」第38巻第10期974〜981ページに生理光ファイバー温度センサーを報告した。これはシステムにおいて温度センサーを光ファイバー上に加えたため、製造上の問題がある。光ファイバーに外から加えられた温度センサーは蛍光を発することができる一種化学物質である。蛍光の生命期と温度とは関連性があり、この信号を利用して温度を測定する。その後の信号処理回路は複雑であるため、リアルタイムな測定を行うことができない。

0005

光電子の領域において、FBGを運用したセンサーは多く研究されている。例えばアラヴィ(A.T.Alavie) らは1993年、「IEEE photon.Technol.Lett. 」第5巻第9期1112〜1114ページに、シン(M.G.Xn) らは1993年に、「Electron. Lett. 」第29巻第4期第398〜399ページにそれぞれ発表した方法は、圧力と温度を測定し、さらには即時に測量信号を処理することができる。この種のFBGは温度変化により周波数安定化が変化する。従来の技術はいずれも反射スペクトル最大値波長温度測定用に使用しているため、これらの技術は測定の精度に限界がある。測定光波長のスペクトル分析機はさらに精度の限界と不確定さがある。このため、従来の技術は実際の応用において、とくに医学の応用において大きな欠点を有する。本発明はこれらの従来の技術の欠点を改善し、容易にその他光ファイバーセンサーと合わせて、生物医学の領域に応用する。

発明が解決しようとする課題

0006

本発明の主な目的は、精度の高い温度センサーを提供することで、従来の1本のFBGしか使用しない温度センサーの低精度を改善したものである。FBG温度センサーにおいて2つの異なる材質を持つFBGを採用し、反射レーザー光量により、正確に温度を計算する。本FBG温度センサーは、スペクトル(Optical spectrum) または光波長検出器が不要で、且つスペクトルまたは光波長の揺れによるセンサーの誤差を防止し、温度測定の解析度と精度を高める。とくに医学上の温度測定、またはその他体内光ファイバーセンサーの目盛り決定に適用する。本発明のもう1つの目的は、過去の体内温度センサー構造を改善し、その他光ファイバーセンサーと互換性を持つ温度測定装置を提供し、有効にセンサーの体積を縮小し、血管などの微小組織で生体信号を測定できるようにする。本発明の解析度は0.01℃にまで高められており、さらに一般のヒト体温である36℃の±10℃の範囲で測定でき、このため、生体センサーまたは環境高精度温度測定器として使用することができる。

課題を解決するための手段

0007

本発明における高精度ダブルFBG温度センサーには温度係数が異なる2本のFBGを含み、少ないレーザー周波数安定化で高精度の温度測定効果を得ることができる。本発明は、1本のFBGを利用した温度センサーの低精度を改善するものである。本FBG温度センサーは、その他光ファイバーセンサーを一緒に使用し、目盛り決定を行うことができる。本発明は、生物医学における温度測定用品または環境における温度測定用品とすることができる。

発明を実施するための最良の形態

0008

本発明における高精度ダブルFBG温度センサーのシステム構造図を図1に示す。レーザー光源1、ファイバー接続器(Fiber Coupler 、以下、FCと記す。)2,21,22、FBG(1)51および、FBG(2)52から構成される温度センサー5、フォトディテクター6、マイクロプロセッサー8の各ユニットを含む。本発明は、狭いスペクトルのレーザー1を光源とし、光源から発せられた光線はFC2を通った後、2本に分かれ、光ファイバー分岐(1)3の光線はFC21を通ってFBG(1)51に到着する。光ファイバー分岐(2)4の光線も別のFC22を通って、FBG(2)52に到着する。FBG(1)51とFBG(2)52は並行に配置され、温度センサー5を構成している。FBG(1)51とFBG(2)52から反射した光線は、FC21、22を通じて光電気信号転換器6に導入される。フォトディテクター(1)61及びフォトディテクター(2)62を通じてそれぞれ測定された反射光効率信号は電気信号転換され、電気ケーブル7を通じてマイクロプロセッサー8に送られ、演算を行い、正確な温度を計算する。

0009

本発明は、狭いスペクトルのレーザーを光源とし、いかなるレーザー光源についてもその光周波数の幅がFBGの穿孔または反射スペクトルより小さいものを指す。その中のFCは分光の機能を備えるものであり、分光鏡導波管接続器のような分光機能を有するいかなる光学部品でも代替することができる。スペクトル範囲の操作については、当該FCは周波数安定化の影響を受けることはなく、もし周波数安定化現象が発生したなら、先ず測量の目盛りを決定し、マイクロプロセッサー内データベース資料を修正することができる。

0010

FBGは多くの製作形態がある。図2〜4に示す通り、FBG部品回折格子は、ファイバーのコア(Core) 、コアのクラッディング(Cladding) 、またはコアおよびコアのクラッディング上に製作できる。一般に、FBGをファイバー9のコア91内に製作する。コア91は感光材料を使用し、紫外線干渉または位相フォトマスク露光(Phase mask expose)を採用し、周期性反射率(Refractiveindex) の変化を発生して、FBGを作成する。図2に示す通り、露光する前のコアの反射率をn1とする。露光した場所の反射率はn3とする。作成したFBG93のクラッディング92の反射率n2は、n1およびn3より小さい必要がある。このほか、図3に示す通り、ファイバー10のクラッディング102を感光材料で製作することができる。露光後のクラッディング101の反射率は変化せず、クラッディング反射率は周期性変化を発生し、FBG103を形成する。このように、クラディングを持つFBGを製作することができる。または、図4に示す通り、研磨によりD型FBGを備えたファイバー11を製作することができる。方法は、クラッディング112をコア111近くまで光学研磨する。さらに反射率n3およびn4とによる周期性反射率変化を持つ回折格子導波管113を製作し、光ファイバー内において光線を伝達し、FBGを効果を得ることができる。

0011

1つのブラッグ(Bragg)をFBGとした反射光効率は下の公式で表される。

0012

この係数とFBG反射率の差は△n(図2は△n=n2 −n3 )で、光周波数と関係がある。

0013

cは光速(=3×108 m/s)、δは偏離係数(detuning factor)で、以下に数式で表す。

0014

温度が△T変化した時、FBGの反射光スペクトル中心周波数反射最大値の光周波数)と温度変化△Tとの関係は以下の通りである。

0015

本発明における光ファイバー温度センサーの特徴は、2組以上の異なる熱膨張係数および光熱係数を持つFBGを利用している点である。FBG(1)およびFBG(2)のα、ζ係数が異なると、反射光の中心周波数は温度により変化する。このほか格子間隔ΛやFBGの長さLはいずれも変化するため、光反射光効率PR もまた異なる。2つのFBGの光効率の出力は簡単に周波数と温度から成る公式によって調整することができる。

0016

M1 とM2 とはそれぞれFBGの転換関数(transfer function)を示し、これらM1 とM2 の線形逆関数(Inverse function) は簡単に得ることができる。そして、計測で得た反射光効率PR1とPR2とから逆に光周波数と温度を計算することができる。

0017

フォトディテクターの測定で得られた信号はマイクロプロセッサーへ送られ、データベース内の関数値によりリアルタイムの光周波数と温度が計算される。これにより、正確で、光周波数の影響を受けない温度計を提供することができる。異なる材質を本発明のFBGに採用することができる。異なる材質はそれぞれコア、クラッディング、コアおよびクラッディング上にそれぞれ使用できる。また、異なる熱膨張係数の材料をコア、クラッディング、コアおよびクラッディング上のうちの1つ、2つまたはすべてにそれぞれメッキをすることができる。FBGは異なる格子間隔(grating pitch)や異なる格子構造(grating profile)を設計できる。FBGも研磨したD型光ファイバーを採用し、異なる熱膨張係数と熱光係数の回折格子導波管を平らコア面に製作することができる。D型FBGは異なる材質、異なる格子長さ、異なる格子構造、又は異なる熱膨張率メッキ膜を持つことができる。

0018

本発明の光ファイバー温度センサーはデジタル演算回路またはアナログ演算回路を採用する。このFBGセンサーは同時に温度と光源周波数を測定できる。また、各種マイクロコンピュータを採用し測定を補助することができる。マイクロコンピュータにはメモリ装置が含まれている。マイクロコンピュータが周波数を測定した後、フィードバック回路によりレーザーの周波数を安定させる。FBGは希土類元素混合の光増幅器材料を使用する。FBG温度センサーは生物医学上使用され、かつFBG温度センサーはその他の生物医学センサーと結合し、一緒に使用することができ、体積の縮小、集積化の目的を達成できる。本発明のFBG温度センサーはまず各温度の反射光スペクトル安定化を、光周波数計測器で測定し、数学理論モデルでデータベースを確立して、その後の温度測定に使用する。光周波数計測器の商品は高い解析力を持つ。アンリツ社の「ANRITSUMF9630A型」の光周波数計測器の場合、1319nmにおける解析度は1MHZ に、精度は12MHZ に達する。実施例において解析力が0.1℃に達するには、データベースの周波数解析度が4GHZ を達成する必要がある。上記「ANRITSU MF9630A型」は0.01℃の解析力を持つデータベースを提供するのに十分である。このため、光周波数が揺れても、上記数8及び数9の数式により、本発明は正確に温度を測定できる。本発明はレーザーの周波数揺れにより、FBG精度に影響が及ぶことはない。まさに、現在の医療器材において必要とされる温度センサーといえる。

発明の効果

0019

上述した通り、本発明のFBG温度センサーは、レーザー光源、ファイバー接続器、2本の異なる熱安定化を持つFBG、フォトディテクター、マイクロプロセッサーを含み、確実に高精度の温度測定能力を有し、とくにその他の光ファイバーセンサーと併せて使用でき、血管内などで体内の生物医学信号を測定できる。さらにその解析度は0.01℃以下、操作範囲は少なくとも20℃以上であり、温度測定の精度はレーザー光周波数の変動から影響を受けることがない。従来のセンサーより正確で、その他生物医学光ファイバーセンサーの目盛り決定などの機能を持つ。その他光ファイバーセンサーと一緒に使用するのに適しており、体積を縮小することができる。

図面の簡単な説明

0020

図1本発明に係るFBG温度センサーの回路図である。
図2本発明の、コアを感光材料としたFBGを示す斜視図である。
図3本発明の、クラッディングを感光材料としたFBGを示す斜視図である。
図4本発明の、D型FBGを示す斜視図である。

--

0021

1レーザー光源
2ファイバー接続器
21 ファイバー接続器
22 ファイバー接続器
3光ファイバー分岐(1)
4 光ファイバー分岐(2)
5温度センサー
51 FBG(1)
52 FBG(2)
6光電気信号転換器
61フォトディテクター(1)
62 フォトディテクター(2)
7電気ケーブル
8マイクロプロセッサー
9 ファイバー
91コア
92クラッディング
93 FBG
10 ファイバー
101 コア
102 クラッディング
103 FBG
11 ファイバー
111 コア
112 クラッディング
113回折格子導波管

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