JPS6158764B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 (a) 発明の属する技術分野の説明 本発明は、流量計又は流速計に関し、特に、光
フアイバ素子を通過する光の機械的な変調装置を
利用したカルマン渦流量計又は流速計に関する。

更に詳しくは、光の変調方法として、従来、単
結晶に電場をかけて備光面の回転を利用した電気
光学光変調方式あるいは圧電現象を利用して媒体
の屈折率を変化させる音響光学光変調方式が光通
信関係で実用化されているが、本発明は、力又は
変位等の機械的な入力で光フアイバの通過光量を
変調する純機械的な変調方式を使用した流速計ま
たは流量計に関するものである。

(b) 発明の背景の説明 第１図ａ，ｂ，ｃは従来における光フアイバの
機械的な通過光量変調方法を示している。図にお
いて、１は入力光フアイバ、２は出力光フアイ
バ、３はシヤツタを夫々示す。

第１図ａはシヤツタ３の偏位Ｌを機械的に加減
し、出力光フアイバ２の通過光量を変調する方式
である。

第１図ｂは芯ずれ型の変調方法であり、芯ずれ
量Ｌを加減して光を変調する。

第１図ｃは角度ずれ型であり、角度θを加減し
て光を変調する。

その他の方法として、同軸上に端面を向き合わ
せた光フアイバの端面間距離を加減して光を変調
する方式、又は光フアイバの曲げによる損失の増
加を利用する方法等もあるが、これらの方法は一
般に感度が悪く、それ程利用されてはいない。

第１図の入力、出力用光フアイバ１，２の代表
的寸法として、コア径100μｍ、コアよりも屈折
率の低いクラツドの径は150μｍ程度のものが多
い。コア、クラツドとして、石英を利用した無機
系のものと、アクリル樹脂等を利用した有機系の
もの、あるいは、コアに石英を利用し、クラツド
にシリコン樹脂を使用した無機、有機の組合せ型
が使用されている。また、コア内の屈折率が一定
なマルチモード・ステツプインデツクス型フアイ
バと、コアの中心ほど屈折率の大きくなつたマル
チモード・グレーテイツトインデツクス型フアイ
バとがある。これらの外に、コア径が数μｍとい
うように極端に細くなつたシングルモード型フア
イバも存在する。

本発明に使用される機械的光変調装置において
は上記のどの型のフアイバでも使用できるが、最
後のシングルモード型フアイバは光コネクタの芯
合せが困難なために、実用上難点がある。

クラツドを含めた光フアイバの外径は150μｍ
程度であるので、第１図のような変調方式を構成
する場合の光フアイバの芯合せが難しい。うまく
合つたにしても、その状態を保持するのが同様に
難しい。光フアイバの端面へのごみの付着に対し
ても弱い。端面への結露等でも障害が起きる。
又、水、その他の液体中で使用しようとすると、
水あかの発生、気泡の端面への付着等により短時
間で障害を受けてしまうのが実状である。

結局のところ、第１図ａ，ｂ，ｃに示すような
従来の方式は研究室等の好環境下で短時間だけ使
用できるに過ぎない。

本発明者は先行技術に内在する上記欠点を解消
せんとして鋭意研究、検討した結果、弾性体の細
孔内に第１及び第２の光フアイバを挿入し、該第
１及び第２の光フアイバの両端面間を一定距離だ
け離隔して光フアイバが存しない光変調空間を構
成し、該光変調空間の弾性的曲げにより通過光量
を変調することを特徴とした機械的光変調装置を
発明し、しかして、芯合せ等の厄介な操作を必要
とすることがなく、しかも悪環境下でも経年的に
劣化することのない、信頼性の高い新規な機械的
光変調装置を開発した。この光変調装置は本出願
と共願の特願昭55−154814号明細書に記載された
発明である。

次に本発明の基礎となる上記機械的光変調装置
について図面を参照しながら具体的に説明しよ
う。

第２図は上記機械的光変調装置の原理的構成図
である。図において、参照番号１１は入力光フア
イバ、１２は出力光フアイバ、１４は光フアイバ
１１，１２が通る毛細管を夫々示している。入出
力光フアイバ１１，１２の端面１５，１６間には
光フアイバが存在しない。後述されるように、光
は端面１５，１６間の空間で変調されるので、以
下この空間を変調空間と定義する。毛細管１４は
金属またはプラスチツク材料等により形成され
る。入出力光フアイバ１１，１２はコアにクラツ
ドがなされているが、第２図ではクラツドは省略
されている。

今、ここで、入力光フアイバ１１を固定し、出
力光フアイバ１２を第２図の破線にて示すように
角度θだけ曲げると、変調空間が破線のように曲
り、出力フアイバ１２の通過光量が減少する。

出力光フアイバ１２の振れ角θを角周波数ωで
θ＝θmsinωｔで振動させた場合を第３図ａに
示している。この場合の通過光量を第３図ｂに示
す。

第３図ｂにおいて、曲線Ａは毛細管１４の内壁
を粗面化するか又は黒色塗料を塗つて黒化した場
合を示している。入出力フアイバ１１，１２が第
２図のように一直線上にある場合に限り光が通過
する。わずかの振れ角があると、光は毛細管内壁
で吸収されてしまい、出力光量がゼロになつてし
まうので、曲線Ａのようにシヤープなパルス状出
力になる。第３図ｂの曲線Ｂは毛細管１４の内壁
の黒化度を落した場合を示している。この場合に
は、内壁で反射した光の一部が出力光フアイバ１
２に入るので、出力光量が増加している。曲線Ｃ
は毛細管１４の内壁をほぼ鏡面にした場合を示
す。この場合には、通過光量が更に増加するが、
毛細管内壁での光の吸収が殆んどないために、光
はロスなしに通過し、曲線Ｃ中の交流成分が小さ
くなつてしまう。後述するように、本発明におい
てはこの交流成分を利用するので、曲線Ｃは好ま
しくない。従つて出力波形中の交流分を大きくす
るような適度の黒化度が必要である。

第３図ｂから明らかなように、機械的角周波数
はωであるが、出力光量中の交流分の基本波の角
周波数は２ωになる。このような振れ角変調器で
実用上重要な点は、通過光量中の交流分が大きい
こと、微小な振れ角で光量が急変することの二点
である。

一般にマルチモード・ステツプインデツクス型
フアイバを白色光源で使用すると、第２図の端面
１５から射出される光は頂角約20゜で変調空間内
をコーン状に広がつてしまう。そのために、出力
フアイバが入力フアイバと一直線上にあつても、
出力フアイバの端面１６に入る光はわずかなもの
になり、大部分は毛細管１４の内壁で吸収されて
しまう。コーン状の光の広がりを少なくするに
は、入力フアイバの端面１５に隣接して微小な集
光レンズを置くのは有効である。出力フアイバの
端面１６の直前にレンズを配置するのも亦有効で
ある。レンズと等価的な作用をするロツドレンズ
を配置するのも有効である。入出力光フアイバの
両端面間に、コアと屈折率のマツチした透明な固
体又は液体を満すのも亦効果的である。このよう
な媒体は整合剤と呼ばれる。光の広がりを防止す
ると共に端面でのフレネル反射損を減少させる。

第２図の破線１７に示すように、変調空間の毛
細管を紙面に垂直な平面により押しつぶして、光
路をせばめると、わずかの振れ角の変化で光量が
急変し、出力波形がパルス状になり、後続の波形
整形が有利になる。参照番号１７のように押しつ
ぶすと、曲げ角θにより毛細管の表面に発生する
応力が減少し、振動による毛細管の疲労破損の点
でも有利になる。押しつぶす代りに、変調空間を
引き伸して変調空間の円形断面積を小さくしても
同様な効果がある。

第２図の出力光フアイバの端面１６に反射鏡を
置けば、入力光フアイバ１１からの光が再び入力
光フアイバ１１に戻る。この戻りの光はやはり振
れ角θで変調される。戻り光は入射光から簡単に
分離できるので、この反射方式では、出力光フア
イバ１２は不要となり、入力光フアイバが出力光
フアイバを兼用し、一本のフアイバですむことに
なる。

上記説明で明らかなように、光フアイバを毛細
管中に通すことにより、その毛細管によつて入出
力光フアイバの芯が自動的に一致してしまうの
で、従来における如きわずらわしい芯合せの操作
が必要ない。一旦毛細管中に挿入された光フアイ
バの芯及び端面は毛細管１４に保護されるから、
経年的に劣化することがない。即ち、変調空間は
毛細管１４により保護されているので、ごみ又は
結露等により劣化することがなく、悪環境下でも
高い信頼性を維持することができる。また、毛細
管１４の材質の選択により、腐蝕性の気体、液体
中でも十分な信頼性を持つて動作するので、その
実用上の効果が大きい。更にまた、変調空間の領
域内における毛細管をつぶして光路をせばめるこ
とにより、わずかな振れ角の変化により光変調が
可能な点も実用上極めて有利な効果がある。

第２図は本発明に使用される機械的光変調装置
の最も簡単な一例であるが、振れ角θを大きくと
り、光スイツチの作用を持たせれば、複数個の変
調空間を直列、並列に接続することによつて、
OR回路、AND回路、その他の論理回路が構成で
きるので、複数個の機械的入力に応答する複雑な
論理回路が実現できる。このような光スイツチで
は、あらかじめ変調空間を曲げて、光を遮断状態
にしておき、機械的入力で入出力光フアイバを一
直線上になるようにして光を通過させる方式（常
閉接点）と、これの逆である機械的入力で変調空
間を曲げる方式（常開接点）とがある。

以上説明した構成例においては、説明の便宜
上、毛細管を使用したが、毛細管は不可欠のもの
ではない。例えば、細孔をうがつた弾性体内に入
出力光フアイバを対向させて変調空間を構成し、
弾性体を曲げれば、毛細管と同じように、光が変
調されることは明らかである。

尚、第２図において、出力光フアイバ１２の端
面１６を出力光フアイバ１２の中心軸に対して斜
めにカツトしておくと、振れ角θ＝θmsinωｔ
で振動させた場合の出力光の交流分の基本角周波
数を２ωではなく、ωにすることもできる。

さて、カルマン渦を利用した従来のこの種装置
として、カルマン渦を熱的に検出するもの、差圧
として検出するもの、超音波で検出するもの、渦
による尾翼振動を磁気的に検出するもの、カルマ
ン渦発生の反作用として渦発生体に作用する交番
力を圧電素子又はストレンゲージで測定するもの
等がある。これらの方式はそれぞれ一長一短があ
るが、共通的な欠点として次の(1)〜(4)があげられ
る。

(1) 概して複雑であると共に、高価である。

(2) 電気的方式を使つているために、爆発に対す
る安全性に問題がある。

(3) 上記(2)と同じ理由で、電磁気的な誘導に弱
い。

(4) 小口径の流量測定が苦手であり、内径約50mm
程度が最小である。

(c) 発明の目的の説明 本発明は先行技術の上記事情に着目し、この種
の技術に内在する上記諸欠点を解消する為になさ
れたものであり、従つて本発明の目的は、モール
ドにより一体成形を可能とし、極めて廉価に構成
することができると共に、爆発に対して本質的に
安全であり、しかも電磁気的誘導を除去された新
規な流量計又は流速計を提供することにある。

(d) 発明の構成 上記目的を達成する為に、本発明に係るカルマ
ン渦流量計は、流体の流れに直角に配置されたカ
ルマン渦発生体と、該カルマン渦発生体の下流側
に取付けられた振動尾翼とを具備し、前記渦発生
体と振動尾翼の接続部または前記尾翼内に、弾性
体の細孔内に第１及び第２の光フアイバを挿入し
該第１及び第２の光フアイバの両端面間を一定距
離だけ離隔して光フアイバが存在しない光変調空
間を形成した光変調装置を設けて構成され、前記
尾翼の振動により前記変調空間を弾性的に変形さ
せて前記光フアイバ間の通過光量を変調すること
を特徴としている。

(e) 発明の実施例の説明 次に本発明をその好ましい一実施例について図
面を参照しながら具体的に説明する。

第４図は第２図に示した機械的光変調装置をカ
ルマン渦流量計に適用した本発明の一実施例を示
す断面図である。第５図は第４図の右側パイプを
外した場合の側面図、第６図は第４図の６−６線
に沿つて切断し矢印の方向に見た断面図、第７図
は光変調部分の拡大断面図である。

第４図〜第７図において、参照番号３０はパイ
プを示し、このパイプ３０内を流体が矢印３１の
方向に流れる。パイプ３０の端部に形成されたフ
ランジ３２によりリング状ガスケツト３３をはさ
み、ボルト３４で固定している。リング状ガスケ
ツト３３の内径はパイプ３０の内径に等しくなつ
ている。流体の流れに対して直角に且つ直径方向
にカルマン渦発生体３５が挿着されている。渦発
生体３５の両端は接続体３６により前記リング状
ガスケツト３３に固着されている。カルマン渦発
生体３５は、第６図に示されるように、断面が台
形状に形成され、あるレイノルズ数の範囲内で規
則的なカルマン渦列３７を発生する。

ここで、渦列３７の発生周波数を、パイプ３
０内の流体の平均流速をｖ、渦発生体３５の幅を
Ｄとすると、周波数は、 ＝St・ｖ／Ｄ ………(1) で表わされる。但し、Stはストローハル数と呼ば
れる無次元量であつて、約0.18の値を持つ定数で
ある。周波数と平均流速ｖは正比例関係にある
ので、周波数を測定することにより、平均流速
ｖ、すなわち、流体の流量を知ることができる。

また、逆に、流体の流量又は流れの速度を変化
させることにより、周波数、すなわち、変調周
波数が変化するから、本発明になるカルマン流量
計はそのまま光変調装置として使用し得ることは
明白である。

カルマン渦発生体３５の下流側には、尾翼３８
が取付けられている。尾翼３８と渦発生体３５の
接続部にはくびれ部３９が形成されている。カル
マン渦の発生周波数に応じた周波数で尾翼３８は
矢印４０のように振動する。窓４１があるため
に、尾翼３８の振動は更に容易になる。

入力光フアイバ１１は光コネクタ（図示せず）
を経由して渦発生体３５内を破線にて示すように
通されている。入力光フアイバ１１から入力され
た入力光はくびれ部３９で変調を受けて出力光フ
アイバ１２から外部へ取出される。

第７図はくびれ部３９の拡大断面図である。渦
発生体３５と尾翼３８間のくびれ部３９内を毛細
管１４が通されている。入力光フアイバ１１と出
力光フアイバ１２が毛細管１４内を通され、それ
らの端面間に変調空間４２を構成している。尾翼
３８の振動による変調空間４２の曲り（弾性変
形）のために、通過光量が変調される。

渦発生体３５、尾翼３８等の材質は被測定流体
で決まることになるが、金属よりもプラスチツク
の方が望ましい。第４図〜第６図から明らかなよ
うに渦発生体３５及び尾翼３８はパイプ３０の中
心軸に対して軸対称になつているので、プラスチ
ツク材料で一体成形するのが容易である。プラス
チツク材料として、ポリアセタール樹脂、ポリプ
ロピレン樹脂又は弗素樹脂等が適度の弾性係数、
耐蝕性の点で有利である。ゴム等のエラストマも
適している。ただし、渦発生体が振動するのは好
ましくないので、その場合には振動防止用リブを
挿入する必要がある。

第７図の毛細管１４は不可欠ではないが、金属
毛細管にあらかじめ光フアイバを通しておいた方
がモールド作業が容易である。

第４図〜第６図はパイプ内の流速測定例を示し
ているが、変形として、渦発生体を棒状に長く形
成し、その先端に尾翼を取付ければ、大気中の風
速の測定もできる。また、長い渦発生体に複数個
の尾翼を取付ければ、流速分布の測定も可能であ
り、水路等の流速分布の測定に便利である。

カルマン渦発生体３５の断面形状は、本実施例
においては、第６図に見られるように、台形型に
形成されているが、台形型に限らず、円形、三角
形等種々の形状を採り得るものであり、要は広い
レイノルズ数範囲でカルマン渦を安定に発生する
ものであれば良い。

また、第４図〜第７図のくびれ部３９、窓４１
は不可欠のものではなく、これらは設けなくても
よい。測定範囲を広げようとすると、必然的に尾
翼３８、くびれ部３９が弱くなる。生産工程中又
は過大入力時の破損を防止するために、尾翼３８
の振動振幅を制限するストツパを必要に応じて設
置することは実用上有用である。前記説明ではこ
のストツパは省略されている。

前記した本実施例では、くびれ部３９により光
を変調したが、代りに、尾翼全体を柔らかく形成
して曲がりやすくすれば、光変調部を尾翼内で構
成しても良いことは明らかである。

また、光フアイバ、毛細管は断面形状を円形と
したが、必ずしも円形である必要はなく、だ円
形、正方形等でも作用、効果に大差はない。形の
方が入手が容易であるだけの差にすぎない。

(f) 発明の効果の説明 本発明によるカルマン渦流量計は、以上説明し
たように構成され、前記した従来の欠点を全て解
決している。即ち、モールドにより一体成形が可
能であるために、極めて廉価に構成することがで
きる。更に、光方式を使つているために、爆発に
対しては本質的に安全であり、電磁気的な誘導が
ない。また、パイプ内径10mm位までは十分に実用
化でき、パイプ内径の下限を制限する因子が少い
等の特長を有し、実用上の効果が大きい。

以上本発明をその良好な実施例について説明し
たが、それは単なる例示的なものであり、制限的
意味を有するものでないことは勿論である。従つ
て、本発明の精神から逸脱することなく、本発明
は前記した以外にも種々の変更を加えて実施し得
るが、それらの変形、変更はすべて本願発明の範
囲内に包含されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂ，ｃは従来における機械的な光の
変調方法の原理説明図、第２図は本発明に使用さ
れる機械的光変調装置の原理説明図、第３図ａ，
ｂは第２図に示した光変調装置の動作を説明する
為の図、第４図は本発明に係るカルマン渦流量計
の一実施例を示す断面図、第５図は第４図の右側
パイプを除去して示す側面図、第６図は第４図の
６−６線に沿つて切断し矢印の方向に見た断面
図、第７図は光変調部分の拡大断面図である。 １，１１……入力光フアイバ、２，１２……出
力光フアイバ、３……シヤツタ、１４……毛細
管、１５，１６……光フアイバの端面、３０……
パイプ、３２……フランジ、３３……リング状ガ
スケツト、３４……ボルト、３５……カルマン渦
発生体、３６……接続体、３７……カルマン渦、
３８……尾翼、３９……くびれ部、４１……窓、
４２……変調空間。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 流体の流れに直角に配置されたカルマン渦発
   生体と、該カルマン渦発生体の下流側に取付けら
   れた振動尾翼とを具備し、前記渦発生体と振動尾
   翼の接続部または前記尾翼内に、弾性体の細孔内
   に第１及び第２の光フアイバを挿入し該第１及び
   第２の光フアイバの両端面間を一定距離だけ離隔
   して光フアイバが存しない光変調空間を形成した
   光変調装置を設け、前記尾翼の振動により前記変
   調空間を弾性的に変形させて前記光フアイバ間の
   通過光量を変調することを特徴としたカルマン渦
   流量計。 ２ 前記弾性体として金属またはプラスチツク材
   料により形成された毛細管を使用したことを更に
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載のカルマン
   渦流量計。 ３ 前記光変調空間内に屈折率が前記光フアイバ
   のコアの屈折率に一致した透明な液体または固体
   を封入したことを更に特徴とする特許請求の範囲
   第１項または第２項記載のカルマン渦流量計。 ４ 前記光変調空間内にレンズまたはロツドレン
   ズを挿着したことを更に特徴とする特許請求の範
   囲第１項または第２項記載のカルマン渦流量計。 ５ 前記光変調空間を押しつぶして光の通路をせ
   ばめたことを更に特徴とする特許請求の範囲第１
   項または第２項記載のカルマン渦流量計。 ６ 前記光変調空間を引伸ばして光の通路の円形
   断面積をせばめたことを更に特徴とする特許請求
   の範囲第１項または第２項記載のカルマン渦流量
   計。 ７ 前記光変調空間の一端に反射鏡を挿着したこ
   とを更に特徴とする特許請求の範囲第１項または
   第２項記載のカルマン渦流量計。 ８ 前記第２の光フアイバの端面にフアイバ軸に
   対して傾斜を持たせたことを更に特徴とする特許
   請求の範囲第１項または第２項記載のカルマン渦
   流量計。 ９ 前記光変調空間の内壁を黒化したことを更に
   特徴とする特許請求の範囲第１項〜第８項記載の
   カルマン渦流量計。 １０ 前記カルマン渦発生体を長く形成し、該渦
   発生体に複数個の振動尾翼を設置したことを更に
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載のカルマン
   渦流量計。