JPS6158765B2 - - 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偏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
用した流速計又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する。

第２図は上記機械的光変調装置の原理構成図で
ある。第２図において、１１_１は入力光フアイバ
１１のコア、１１_２は入力光フアイバ１１のクラ
ツド、１２_１は出力光フアイバ１２のコア、１２
_２は出力光フアイバ１２のクラツドを夫々示して
いる。入力光フアイバ１１と出力光フアイバ１２
は連続した同一のものであり、その同一の光フア
イバ素子のうちの長さＬだけクラツド部分を剥離
し、その剥離した部分にクラツド材よりも屈折率
の大きい材料によつて形成された全反射防止材１
８が例えばコーテイングにより被覆されている。

ここで、入力光フアイバ１１からの光のうち
で、フアイバ軸に平行またはそれに極めて近い光
１９だけが出力光フアイバ１２のコア１２_１に達
する。この光量は入力光フアイバ光量の約1/100
またはそれ以下の光量である。大部分の光はフア
イバ軸に平行でないので、距離Ｌの部分を通過す
るうちに全反射防止材１８の内壁に当接する。全
反射防止材１８の屈折率はクラツド１１_２又は１
２_２よりも大きくコアのそれに近く採られている
ので、全反射防止材内壁に当つた光は全反射せず
に、参照番号２０にて示すようにフアイバコア外
に逃げてしまう。

今、入力光フアイバ１１を固定し、出力光フア
イバ１２の角度θをθ＝θｍsinωｔで振動させ
た場合の通過光量は第３図ｂのようになる。第３
図ｂの波形Ａは全反射防止材１８の屈折率が大き
く、コーテイング幅Ｌが長い場合であり、鋭いパ
ルス性の光量になるが、通過光量の絶対値が小さ
いので、信号処理のためには大きな増幅度が必要
である。波形Ｂはコーテイング部分が適度の屈折
率、黒化度、幅Ｌを持つた場合であり、最も好ま
しい。波形Ｃは光フアイバのクラツドを剥離しな
い場合であり、曲げによる光のロスは殆んどな
い。

全反射防止材１８は、必ずしも塗布する必要は
なく、モールド等で固着させてもよい。また、そ
の外径もクラツドと同一である必要はない。更に
また、第２図のように、長さＬだけの区間のクラ
ツドを全面的に剥離する必要はなく、局部的に、
多数個所を剥離して全反射防止材をコーテイング
しても同様な効果を得ることは明らかである。

上記光変調装置は、入出力光フアイバのコアが
連続しているので、芯合せの操作が必要ではな
く、経年的に劣化することがない等の長所を有す
る。また、本光変調装置では、前記特願昭55−
154814号明細書に記載された発明のように、毛細
管を必ずしも必要としないので、全般的に製作が
容易である。金属性の毛細管で保護する必要のな
い用途も多い。そのような場合には、前記明細書
に記載された発明より本光変調装置の方がより適
している。全反射防止材を固着した部分のコアを
細く引伸せば、わずかな曲りで光が変調されるの
は前記明細書に記載された発明と同様である。第
２図におけるＬの右端でコアを軸に直角に切断し
て、この面に鏡を装着すればコア１１_１からの光
の一部は鏡で反射され、再びコア１１_１にもど
る。このもどり光は曲げ角度で変調されることは
明らかである。

さて、カルマン渦を利用した従来のこの種の装
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50
mm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実情に着目し、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、光フ
アイバの軸方向に沿つて一定の長さだけ全面的に
または部分的にクラツドが存しないようにし該ク
ラツドの存しない部分に全反射防止材を付着させ
て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反射防止材付着部分を弾性的
に変形させて前記光フアイバ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が光コネクタ（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間には、それらの間のくび
れ部３９内に全反射防止材１８の被覆部分が位置
するように、第２図に示す機械的光変調装置が図
示の如く配設されている。しかして、尾翼３８の
振動による全反射防止材１８の付着部分の曲り
（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。円形の方が入手
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
た様に構成され、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、１１_１，１２_１
……コア、１１_２，１２_２……クラツド、２，１
２……出力光フアイバ、３……シヤツタ、１８…
…全反射防止材、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。

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、光フアイバの軸
   方向に沿つて一定の長さだけ全面的にまたは部分
   的にクラツドが存しないようにし該クラツドの存
   しない部分に全反射防止材を付着させて形成した
   光変調装置を設け、前記尾翼の振動により前記反
   射防止材付着部分を弾性的に変形させて前記光フ
   アイバ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 前記全反射防止材を付着させる変調部分のコ
   アを細く引伸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 前記全反射防止材を付着させる変調部分の一
   端を軸に直角に切断し、反射鏡を装着したことを
   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。 ４ 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〜第３項記載のカ
   ルマン渦流量計。