JP2000292433A

JP2000292433A - 光学式振動センサ及び光学式振動評価方法

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Publication number: JP2000292433A
Application number: JP9814199A
Authority: JP
Inventors: Mitsuteru Kimura; 光照木村
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1999-04-05
Filing date: 1999-04-05
Publication date: 2000-10-20

Abstract

(57)【要約】【目的】経時変化を極めて少なくし、振動体の振動方
向と光ファイバが直交配置する。【構成】光ファイバ１２を通ってきたレーザ光は、光
導波路２を通り、回折格子の光学レンズ３で、その面に
垂直又は略垂直に出射し、カンチレバ５の第１の光反射
面４で反射し、再び、光学レンズ３に戻り、光導波路２
を経て、光ファイバ１２に戻ってゆく。被検出振動体が
振動すると、これに接着固定してあるセンシング部のカ
ンチレバ５も振動するので、この振動に応じて、カンチ
レバ５の第１の光反射面４で反射して光学レンズ３に再
入射する光の結合量が変化する。光学レンズ３の端面で
反射して光ファイバ１２に戻ってゆく光等は、ほぼ被検
出振動体の振動とは無関係なので、この戻り光を基準光
として利用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学式振動センサ
及び光学式振動評価方法に係り、特に、微細なカンチレ
バまたはダイアフラムと光導波路との組み合わせによ
り、振動や加速度を光だけで検出する光学式振動センサ
及び振動評価方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、光学式振動センサとして、例えば
「光学式振動センサ」特願平５ー２０１９７１、特願平
５ー２０２０３２、特願平５ー２０２０３６がある。こ
れらの振動センサはシリコン（Ｓｉ）などの基板にカン
チレバまたはダイアフラムや光反射をフォトリソグラフ
ィ技術により形成するもので、画一的なセンサ素子を大
量生産できるものであった。このセンサは、光路中にネ
オジウムガラス等の蛍光部を設けており、この蛍光部か
らの蛍光を基準にすると、光学式振動センサの経時変化
等をキャンセルすることができると共に、各振動成分の
大きさを比較するのに好都合であった。

【０００３】また、従来、光ファイバの先端部にダイア
フラム型圧力センサを設け、血管内に挿入して血圧を測
定しようとする試みもされている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
技術では、光路中にネオジウムガラス等の蛍光部を形成
する際、高効率で蛍光を発するネオジウムガラス膜の形
成が困難であること、しかも蛍光よりも短波長の光を入
射する必要があること、更に蛍光を発するための効率の
良い波長が存在し、必ずしもこれが光ファイバの透過率
の高い波長と一致しないことなどから、蛍光部を必要と
しない光学式振動センサが望まれていた。

【０００５】また、光ファイバの設置方向については、
振動を検出するカンチレバまたはダイアフラムの振動方
向と光ファイバの長さ方向とが同一方向となり、実際の
振動検出においてこのセンサを振動体に固定することが
困難であった。

【０００６】また、低周波で高感度の振動センサを得る
には、カンチレバまたはダイアフラムを長くするか、薄
くする必要があり、そうすると、カンチレバまたはダイ
アフラムが重力加速度で、はじめから撓み、カンチレバ
またはダイアフラムから全反射する光が光ファイバに再
カップリングしにくい又は再カップリングできない場合
もあった。

【０００７】本発明は、以上の点に鑑み、光学式振動セ
ンサのセンシング部分の光路中に蛍光部を設けないで済
む光学式振動センサを提供すると共に、振動体の振動方
向と光ファイバが直交配置できるようにすることを目的
とする。また、本発明は、基板に平行に密着形成した光
導波路からも、基板にほぼ平行にあるカンチレバまたは
ダイアフラムの第１の光反射面に光を入射させ、再び光
学レンズの戻るようにすること、及び、カンチレバまた
はダイアフラムがはじめから撓んでいてもカンチレバま
たはダイアフラムの第１の光反射面からの反射光が光学
レンズに再カップリングし光導波路に戻るようにするこ
と、を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、ひとつの特徴
として、第１の光反射面を有するカンチレバまたはダイ
アフラムと光学レンズを有する光導波路とを一体化した
光学式振動センサに関し、第１の光反射面を有するカン
チレバまたはダイアフラムを一体形成した第１の基板
と、第１の基板の上方で略平行に配置してあり、かつ光
学レンズを有する光導波路が密着形成してある第２の基
板とがあり、第１の基板と第２の基板との位置関係を光
導波路から光学レンズを経て、カンチレバまたはダイア
フラムの第１の光反射面で反射した光が、光学レンズに
再入射して光導波路に戻るように固定配置させて一体化
させてあり、光導波路に戻った光の強度変化を利用して
振動を評価できるようにした光学式振動センサを提供す
る。

【０００９】また、本発明は、他の特徴として、光学レ
ンズをもつ光導波路と第１の光反射面との配置を逆転し
た場合、すなわち第１の基板に光学レンズを有する光導
波路をカンチレバまたはダイアフラムに一体形成してあ
り、第２の基板に第１の光反射面が形成されている光学
式振動センサを提供する。

【００１０】また、本発明に係わる光学式振動センサ
は、前記光導波路に１本の光ファイバと光学的に結合し
て振動を計測する場合で、遠隔地での振動検出時などセ
ンサ部を遠く離れた個所に設置するような場合に好適で
ある。

【００１１】また、本発明に係わる光学式振動センサ
は、上記光導波路を分岐光回路とし、分岐光回路の分岐
した光導波路のそれぞれに光学レンズを形成し、それぞ
れの光学レンズに対応して共振周波数が同一または異な
るカンチレバまたはダイアフラムのそれぞれに形成して
ある第１の光反射面とを光学的に結合した場合で、それ
ぞれのカンチレバまたはダイアフラムに被検出振動の周
波数を分担させ、幅広い周波数の振動検出が可能にする
ことができるものである。

【００１２】また、本発明に係わる光学式振動センサ
は、複数のカンチレバまたはダイアフラム上のそれぞれ
に分岐光回路の分岐した光導波路を第１の基板に形成
し、また、それぞれ光導波路に光学レンズを形成して、
第１の光反射面を第２の基板に形成しても良い。

【００１３】また、本発明に係わる光学式振動センサ
は、１本の光ファイバに複数の波長の光を同時に通し
て、これと接合した光導波路の分岐光回路に導波し、各
第１の光反射面に出入りするそれぞれの波長の光を、分
岐光回路の光導波路に形成した波長選択フィルタを通す
ことにより、どのカンチレバまたはダイアフラムからの
光信号であるかを特定することができる。このようにす
れば、被振動検出体である振動体の振動分布や検出振動
周波数の範囲の拡大が得られる。

【００１４】また、本発明に係わる光学式振動センサ
は、第２の基板に密着形成された光導波路ばかりでな
く、第２の基板に固定された光学レンズを有する密着し
ていない光ファイバのような光導波路でも良い。また、
本発明は、光学レンズ内で反射して光導波路に戻る振動
しない光の強度を基準にして演算する演算部を備えるこ
とで、光源や光導波路と外部の光ファイバとの接続個所
などの、いわゆる光学系に経時変化が存在しても、振動
しない光の強度を基準にし、例えば除算をして比較する
ことにより、経時変化に依存しない出力が得られるよう
にすることもできる。さらに本発明は、その演算結果を
出力する出力部をも有するようにしても良く、振動の周
波数、位相、振幅、さらには、振動加速度などを評価す
ることもできる。

【００１５】また、本発明に係わる光学式振動センサ
は、光導波路とそれに形成した光学レンズとは、カンチ
レバまたはダイアフラム上に形成し、第１の光反射面は
第２の基板に形成してもよい。

【００１６】また、本発明に係わる光学式振動センサ
は、光学レンズを集光性レンズとすることができ、石英
ファイバなどの光導波路の先端を先球や一般の凸レンズ
にしたり、光導波路に回折格子、フレネルレンズやホロ
グラフィックレンズを形成することにより、集光性のレ
ンズを形成して、例えば出射光をほぼ平行光線にさせた
り、焦点を結ぶようにすることができる。このようにす
れば、光学レンズと第１の光反射面の距離も増大できる
ので、センサの振動感度を増大することができる。

【００１７】また、本発明に係わる光学式振動センサ
は、光導波路を光ファイバとすることができ、この光フ
ァイバを第２の基板に密着するように接着や接合しても
良いし、固定した光学レンズを除いて光ファイバ部分
は、第２の基板から浮かすようにしても良い。

【００１８】また、本発明に係わる光学式振動センサ
は、例えば第２の基板に第２の光反射面を設け、光学レ
ンズから出射した光がこの第２の光反射面で反射後、カ
ンチレバまたはダイアフラムの第１の光反射面で反射し
て、再び逆のルートで光導波路に戻るようにすることが
できる。このようにすると、例えば、第２の基板に平行
に密着して形成されてある光導波路の先端の先球レンズ
から出射した平行光線を直角に曲げ、下部のカンチレバ
またはダイアフラムの第１の光反射面に垂直に入射させ
るようにすることに好適である。この場合、光導波路に
接続した長い光ファイバの長さ方向と、センサ部の振動
方向とは直交するので、光学式振動センサのセンシング
部の振動体への取り付けが容易となる。

【００１９】もちろん、カンチレバまたはダイアフラム
上に形成された光導波路を通って光学レンズから出射し
た光を、第２の基板に形成された第２の光反射面で反射
し、更にやはり第２の基板に形成された第１の光反射面
で反射して、逆経路でカンチレバまたはダイアフラム上
に形成された光学レンズに再入射して光導波路に戻るよ
うな光のパスにしてもよい。この場合も、第２の光反射
面の存在で、コンパクトでありながら光学レンズと第１
の光反射面との光路長を大きくとれるので、振動検出感
度が大きくなるという利点がある。

【００２０】また、本発明に係わる光学式振動センサ
は、第２の光反射面を例えば回折格子とすることができ
る。さらに、本発明に係わる光学式振動センサは、第１
の光反射面を例えば回折格子とすることもでき、この場
合、カンチレバまたはダイアフラムが基板表面から重力
や歪みなどで反っていても、それを見越し、入射光の波
長を考慮して回折格子を形成することにより、無振動時
に反ったカンチレバまたはダイアフラムの第１の光反射
面からの反射回折光を光レンズに再び戻すことができ
る。

【００２１】また、本発明は、ひとつの特徴として、上
述の各光学式振動センサにおいて、カンチレバまたはダ
イアフラムの第１の光反射面から光導波路に戻る振動す
る光の強度を計測して、光学レンズ界面で反射した光を
主体とした振動しない光の強度を基準にして演算し、そ
の演算結果を出力して振動を評価できるようにした光学
式振動センサの振動の評価方法を提供する。これによれ
ば、光学式振動センサの光源からの光強度、光導波路、
光結合、光検出用フォトダイオードなどの光学系や増幅
器などの電気系などが経時変化を生じた場合にも、光学
レンズ界面では光源からの光が反射し、光導波路に戻る
ので、この光を基準にして（この光を基準光と呼ぶ）、
カンチレバまたはダイアフラムに形成してある第１の光
反射面からの光は、振動体の被検出振動に基づく強度変
調光であるから基準光と区別でき、基準光と比較して被
検出振動を評価することができる。

【００２２】また、本発明は、他の特徴として、カンチ
レバまたはダイアフラム上に光学レンズを有する光導波
路を形成し、第２の基板に第１の光反射面を形成した場
合にも適用した光学式振動評価方法を提供する。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の光学式振動センサ
と光学式振動評価方法についての実施の形態について、
図面を参照して詳細に説明する。

【００２４】図１は、本発明に係る光学式振動センサと
光学式振動評価方法のブロック概略図である。ここで
は、被振動検出用振動体６０２に振動のセンシング部６
０１を接着又は固定し、光ケーブルを通して光源６０３
からの光のセンシング部６０１への送信、センシング部
６０１からの信号光の受信を行う場合を示したものであ
る。

【００２５】センシング部６０１は、図２以降に示され
る各々の実施の形態の形態で詳述するが、光ファイバ１
２とセンシング部６０１内の光導波路とが光学的に結合
されている。センシング部６０１からの光は、光ファイ
バ１２を経てビームスプリッタＡ６０４に入り、公知の
ビームスプリッタＡ６０４内の光学系により、光ファイ
バ１２、光源６０３、ビームスプリッタＢ６０５の光分
岐ができるようになっている。ビームスプリッタＢ６０
５内では、ビームスプリッタＡ６０４からの光線が基準
光光電変換部６０６と信号光光電変換部６０７に光線が
導かれるように光分岐している。

【００２６】ここで、光源６０３は、主に半導体レーザ
が使用されるが、他の型のレーザ、例えばヘリウム−ネ
オンレーザを用いても良いし、発光ダイオードでも良
い。しかし、光学レンズをホログラヒックなレンズを使
用するときには、レーザ光を用いるとよい。また、異な
る波長の光源６０３を、複数個光学的に接続して、１本
の光ファイバ１２にカップリングさせることもできる。

【００２７】基準光光電変換部６０６は、被検出振動体
の振動とは無関係の光であり、その光の強度成分に被検
出振動体の振動成分を含まない光を検出し、電気信号に
変換して出力電圧Ｖｒを発生させるもので、フォトダイ
オードを利用することができる。もちろん、必要に応じ
て電気信号を増幅しても良い。検出される基準光は、光
源６０３からセンシング部６０１内の光導波路を通して
光学レンズに入り、この光学レンズの端面等で主に反射
して、再び光導波路、光ファイバ１２を通してビームス
プリッタＡ６０４に戻ってきた光である。基準光は、光
ファイバを通してレンズ端面などでの反射して、再び光
源６０３側に戻るため、振動には無関係な直流的な光で
ある。この直流的反射光（基準光）は、一般に信号光に
比べ強度が大きく（例えば２桁程度の場合がある。）、
信号光にほとんど影響されない光である。基準光光電変
換部６０６は、この光を直接受光素子（例えば、フォト
ダイオード）で受信する。また、必要に応じて、直流増
幅したり、長い時定数で平均化させておく（平滑化）。

【００２８】信号光光電変換部６０７は、被検出振動体
の振動成分を含む光（信号光）を電気信号に変換して出
力電圧Ｖｓを発生させるものである。信号光は、光源６
０３からセンシング部６０１内の光学レンズを通り、そ
の後、カンチレバやダイアフラム等の振動体を第１の光
反射面で反射させて、光学レンズに再入射された光であ
る。即ち、信号光は、カンチレバ（又は、ダイアフラ
ム）上の鏡（反射面）で反射した光なので、外部の振動
を受けて振動してレンズ系を通して再び光源側に戻る光
である。信号光は、光ファイバへの再カップリングの割
合が異なり、その強度変調されている。信号光光電変換
部６０７は、受光素子で受信して電気信号に変換する
と、この電気信号は、振動により強度変調されたものな
ので、例えばコンデンサーを通すことにより、直流成分
をカットする事ができ、交流成分のみを増幅することが
できる。したがって、例えば、基準光光電変換部６０６
では、戻り光を直流増幅して、平滑化する装置であり、
一方、信号光光電変換部６０７は、交流増幅する装置と
言うこともできる。

【００２９】演算部６０８は、ＶｒとＶｓの出力電圧を
元に演算して、被検出振動体の振動の周波数、振幅、位
相、加速度などを評価できるようにし、それぞれの評価
信号を次の出力部６１０に送るようにする。演算部６０
８は、基準光光電変換部の電気出力Ｖｒと、信号光光電
変換部の電気出力Ｖｓとを、比較演算し、必要に応じて
外部環境の信号を導入して、光学式光学系の経時変化や
温度補正などして、これらの影響を無視できるようにす
る。また、演算部６０８は、必要に応じ種々の補正回路
等を備えることができる。例えば、単純に光学式光学系
の経時変化のみを問題にするならば、出力として、Ｖｓ
をＶｒで除算する回路（除算回路）とアンプ系で構成で
きる。このように、演算部６０８により出力電圧Ｖｓを
出力電圧Ｖｒで除算すれば、光源６０３の経時変化、光
ファイバや光導波路とのカップリングなどの光学系の経
時変化などに対して、不変な値となる。また、温度補正
が必要なときには、環境をモニタする温度センサと組み
合わせて、温度補正をするための演算回路を用いれば良
い。また、演算部６０８に、振動振幅がある以上になっ
たときには、その直線性が悪くなり、その補正も行うこ
ともできる。

【００３０】出力部６１０は、演算部６０８から被検出
振動体の振動の周波数、振幅、位相、加速度などの評価
信号を受け取り、表示部６１１や制御部６０９に必要な
適当な信号を出力するところである。また、表示部は、
適当なデスプレー装置や数値表示装置などである。

【００３１】制御部６０９は、振動体や他の装置などへ
のフィードバック信号や制御信号を発生し、制御するも
のである。制御部６０９は、この振動センサを利用して
ある振動系を制御するときに必要に応じて設けることが
できる。例えば、振動を与える加振機があったとき、そ
の振動がある振幅以上にならないように制御したり、あ
るいは、加振機をある一定の振動振幅に制御するための
制御信号を発生させるようにするものである。また、制
御部６０９は、振動検出した電気信号を、位相の遅れも
考慮して逆位相でかつ適正振幅に変換して加振機に印加
するような信号を発生することもでき、制御対象により
それぞれ適宜の構成をとることができる。

【００３２】以上、本発明の光学式振動センサと光学式
振動評価方法のブロック概略図の中で、必要に応じ制御
部６０９等の各部を省略しても、必要な部を追加しても
良い。

【００３３】図２は、本発明に係る光学式振動センサの
第１の実施例の横断図面の概要図である。このセンシン
グ部は、第２の基板２０１に密着形成した光導波路２を
有し、カンチレバ５に第１の光反射面４を設けた場合の
ものである。

【００３４】このような光学式振動センサの製造方法及
び構成は一例として、つぎのようになる。まず、（１０
０）面のシリコン単結晶を第１の基板１に用い、第１の
光反射面４としてのアルミニウム薄膜をスッパリング形
成する。その後、Ｖ溝２０を形成する際のヒドラジンな
どの異方性エッチング液に耐えるため酸化シリコン膜を
表面に形成してあるカンチレバ５を、高濃度ホウ素添加
して形成した高濃度ホウ素拡散層１１とその上の熱酸化
シリコン薄膜５０および第１の光反射面４を残して異方
性エッチング液により形成する。また、第２の基板２０
１とスペーサ１０１として、やはり（１００）面のシリ
コン単結晶を用い、光ファイバ１２のコア５０２と第２
の基板２０１に密着形成した光学レンズ３を有する光導
波路２との光結合ができるように、双方に同一寸法のＶ
溝２６，２５を形成しておく。なお、Ｖ溝２５、２６
は、ほぼ同一寸法でも、異なる寸法でも良く、また、一
方のみに形成しても良い。そして、これらの第２の基板
２０１とスペーサ１０１とが、シリコン酸化膜１５０等
を介して接合されたときに光ファイバ１２が、これらの
Ｖ溝２６，２５内に固定接着されるようにしてある。例
えば、Ｓｉの（１１１）面は、異方性エッチング液によ
り他の面方位より極端にエッチングされないので、この
面が露出し、Ｖ溝を形成することができる。第２の基板
２０１とスペーサ１０１には、それぞれＶ溝２０，２１
を形成してあり、スペーサ１０１のＶ溝２１は、第２の
基板２０１に形成してある光学レンズ３とカンチレバ５
に形成してある光反射面４との間を行き来する光の妨げ
にならないように、例えば、貫通溝となっている。

【００３５】光導波路２は、例えばシリコン（Ｓｉ）基
板上のシリコン酸化膜上に形成したコアとクラッドを有
する石英の光導波路でも良いし、プラスチック光導波路
でも良い。光導波路２は、第２の基板２０１に、例えば
２０μｍ厚程度にクラッド６０としてのＳｉＯ_２膜を堆
積させておき、ここにＧｅなどの光屈折率に影響する不
純物を光導波路として所望の形状にパターン形成して、
この部分に熱拡散してコア６２を形成している。この場
合の光導波路は埋め込み型であるが、クラッド６０を所
望の形状の光導波路２の側部に溝を形成してリッジ型の
光導波路２を形成しても良い。

【００３６】光学レンズ３は、光を収束させたり、発散
させたりするものである。光導波路２からそのまま空気
中に出射する光は発散するので、光学レンズ３は、これ
を集光したり、平行光線にしたり、場合によっては希望
する角度に発散させるようにする。例えば、凸レンズや
凹レンズ、フレネルレンズ、集光グレーティングカプ
ラ、回折格子をホログラフィックに光学レンズ３にした
もの（回折格子の線間隔（ピッチ）を変化させて構成す
るとレンズ作用がある。）、また、先球レンズ（光ファ
イバの先端に球形レンズを取り付けたもの）を光学レン
ズ３としたものがある。この他にも、平板ガラスであり
ながら、その一部をレンズにするために円対称になるよ
うな屈折率分布を中心部が大きくなるようにすると、凸
レンズになり、これを用いることもできる。また、別個
に形成したこれらのレンズを光導波路の先端に接合して
も良い。

【００３７】また、一般に、回折格子では、波長に応じ
て回折格子線のピッチ（周期間隔）を適当に選ぶと、光
波長が一定の時、任意の角度に回折光が出射するように
設計できる。この原理を用いて、光学レンズ３からの出
射角度及びそこへの入射角度を、９０度等の所望の角度
になるよう設定して、回折格子を形成することができ
る。ここでは、一例として、光学レンズ３として、回折
格子等を形成して、光源６０３としての半導体レーザ光
の波長λ（例えば、８４０ｎｍ）に対して、光導波路２
の形成面に対して垂直又は略垂直に放射し、集束性レン
ズ作用によりほぼ平行光線になるようにしてある。

【００３８】被検出振動体に接着させるセンシング部の
カバー３０１は、やはりシリコン基板を用いて、シリコ
ン酸化膜５１を介して第１の基板１と接合される。これ
ら４枚の基板であるカバー３０１、第１の基板１、スペ
ーサ１０１、および第２の基板２０１は、公知の陽極接
合技術で、位置合わせをした後接合することができる。
また、シリコン酸化膜５１,１５０等は省略しても良
い。位置合わせには、あらかじめ各基板にｗ）小さな位
置合わせ用Ｖ溝を対向する各基板表面に設けておき、光
ファイバの断片やビーズ玉などをピン代わりに入れ、位
置合わせがしやすいようにすると良い。各基板を熱膨張
係数の小さい材料である石英などを用いて、高温でも動
作できるようにしても良い。

【００３９】動作は、以下のようになる。光ファイバ１
２を通ってきたレーザ光は、光導波路２を通り、回折格
子の光学レンズ３で、その面に垂直又は略垂直に出射
し、カンチレバ５の第１の光反射面４で反射し、再び、
光学レンズ３に戻り、光導波路２を経て、光ファイバ１
２に戻ってゆく。被検出振動体が振動すると、これに接
着固定してあるセンシング部のカンチレバ５も振動する
ので、この振動に応じて、カンチレバ５の第１の光反射
面４で反射して光学レンズ３に再入射する光の結合量が
変化する。そのため、光学レンズ３に再入射して光ファ
イバ１２に戻ってゆく光（信号光）の光強度が変化する
ことになり、上述図１の概要説明で述べた信号光光電変
換部６０７で信号光が電気信号に変換される。このと
き、光学レンズ３の端面で反射して光ファイバ１２に戻
ってゆく光や光ファイバ１２と光導波路２との結合部で
の反射等は、基準光光電変換部６０６で電気信号に変換
される。この光は、ほぼ被検出振動体の振動とは無関係
なので、この戻り光を基準光として利用するものであ
る。もちろん、基準信号が必要でないなら、図１におけ
るビームスプリッタＢ６０５や基準光光電変換部６０６
が省略できる。

【００４０】図２の実施の形態では、光学レンズ３とし
て回折格子を利用した場合であるが、裏面に光反射部か
光散乱部を設けたり、更に凸レンズを形成する等により
第２の基板２０１表面にほぼ垂直の出射光にすることが
できる。

【００４１】図３は、光導波路についての他の実施の形
態の構成図である。この図は、光学式振動センサのセン
シング部のうち、第２の基板２０１に密着形成した光導
波路２を分岐光回路にした場合の分岐光回路付近の実施
の形態の概略図である。

【００４２】第２の基板２０１に、例えば、２０μｍ厚
程度にクラッド６０としてのＳｉＯ _２膜を堆積させてお
き、ここにＧｅなどの光屈折率になる不純物を光導波路
２、２ａ〜２ｄとして所望の分岐光回路形状にパターン
形成して、この部分に熱拡散してコア６２を形成してい
る。この場合の光導波路２、２ａ〜２ｄは埋め込み型で
ある。分岐光回路の分岐した各光導波路２ａ、２ｂ、２
ｃ、２ｄの終端部付近に、それぞれ回折格子型の光学レ
ンズ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが形成される。各光学レン
ズ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは、導波された既知の異なる
波長の光に対して、面に垂直に光出射するように設計す
ることもできる。それぞれの光学レンズ３ａ、３ｂ、３
ｃ、３ｄの真下に第１の基板１に設けられた共振周波数
の異なるカンチレバ５の列が存在し、無振動時には、そ
れぞれのカンチレバ５に設けられた第１の光反射面４か
らの反射光が再びそれぞれの光学レンズ３に再入射し、
分岐光回路から一本の光導波路２に戻るように設計して
ある。

【００４３】このように複数の共振周波数の異なるカン
チレバ５と、これらに対応する分岐光回路の各分岐した
光導波路に形成した光学レンズ３との組み合わせによ
り、被振動体の振動周波数の測定範囲を増大させること
ができる。また、同一の共振周波数の複数のカンチレバ
と、単一波長のレーザ光およびその波長に対して垂直出
射光となるようにした複数の光学レンズとを組み合わせ
た本発明の光学式振動センサは、被振動体の空間的な振
動分布などを調べるのに好適である。

【００４４】図４は、光導波路についてのさらに他の実
施の形態の構成図である。これは、図３に示した実施の
形態と同様に、第２の基板２０１に密着形成した光導波
路２を分岐光回路にした場合の実施の形態の概略図であ
るが、波長選択フィルタを用いた場合である。

【００４５】ここでは、例えば、ブラッグ反射型の回折
格子を波長選択フィルタ３０ａ、３０ｂ、３０ｃとして
用い、これらはそれぞれ導波された波長λａ、λｂ、λ
ｃに対してブラッグ反射を起こして分岐した光導波路２
ａ、２ｂ、２ｃに光結合するように、設計・製作されて
いる。各分岐した光導波路２ａ、２ｂ、２ｃの先端には
ほぼ半球状の凸レンズの光学レンズ３ａ、３ｂ、３ｃが
形成しており、第２の基板２０１の面に対してほぼ垂直
に、かつ、ほぼ平行光線になるようにしている。ほぼ半
球状の凸レンズの光学レンズ３ａ、３ｂ、３ｃは、別に
作成してそれぞれの箇所に接着させることもできる。ま
た、これらの光学レンズ３ａ、３ｂ、３ｃをフレネルレ
ンズやホログラフィックレンズとした集束性レンズとし
ても良い。

【００４６】図５は、本発明に係る光学式振動センサの
第２の実施の形態の横断面図である。これは、センシン
グ部のうち、第２の基板２０１に密着形成した光導波路
２を有し、カンチレバ５に第１の光反射面４を設けた場
合のセンシング部の他の実施の形態である。ここでは、
光導波路２として光ファイバを用い、かつ、光学レンズ
３として先球を用い、第２の光反射面６を設け、更に第
１の光反射面４として回折格子を利用した場合のセンシ
ング部の横断面図の概要が示される。ここの実施の形態
では、図２の実施の形態で示したようなスペーサ１０１
を除去して、光てことなる光学長を先球の光学レンズ３
と第２の光反射面６との距離で稼ぐようにしてある。従
って、コンパクトなセンシング部となり得る。

【００４７】光導波路２としての光ファイバは、第２の
基板２０１に形成したガイド用のＶ溝２６の内壁に接触
して、接着してあり、第２の基板２０１にほぼ平行に配
置されている。先球の光学レンズ３から出射したほぼ平
行なレーザ光線は、シリコン単結晶基板からなる第２の
基板２０１の（１１１）面に形成されたアルミニウム薄
膜の第２の光反射面６で反射し、第１の基板１に形成さ
れたカンチレバ５上の第１の光反射面４に入射する。第
１の光反射面４を回折格子とし、第２の光反射面６から
入射した光が、回折格子の第１の光反射面４で反射する
とき、無振動時には逆コースで再び、第２の光反射面６
に戻り、更に再び先球レンズの光学レンズ３に入射し、
光ファイバの光導波路２に戻るように、第１の光反射面
４を回折格子の格子ピッチを設計・製作しておく。この
ように、（１００）面の表面を持つシリコン単結晶基板
の第２の基板２０１の（１１１）面は、（１００）面の
表面に対して４５度の角度ではなく、ほぼ５４．７度で
あるが、第１の光反射面４を回折格子にすることによ
り、第１の光反射面４で反射後、全く逆の光路で進む光
を作り出しことができる。

【００４８】図６は、本発明に係る光学式振動センサの
第３の実施の形態の横断面図である。これは、図５に示
した実施の形態と同様であるが、カンチレバ５に形成し
てある第１の光反射面４は、アルミニウム膜などの全反
射面とし、第２の光反射面６を回折格子として実施した
場合のセンシング部の実施の形態である。光学レンズか
ら出射した光が第２の光反射面６で全反射させた場合、
全反射後直角に曲がるためには、第２の光反射面６の角
度を光学レンズから出射した光に対して４５度の角度に
する必要がある。第２の基板をシリコン単結晶とし、異
方性エッチングにより（１１１）面を出し、この（１１
１）面を第２の光反射面６の全反射面とするには、シリ
コン単結晶基板表面の（１００）面から（１１１）面が
約５５度の角度にあるから、光線を直角に曲げることが
できない。そこで、（１００）面から（１１１）面が約
５５度の角度にある第２の光反射面６に、入射光の波長
に対してその反射回折光が直角に曲がるように回折格子
を形成することで、（１００）面のシリコン単結晶基板
の（１１１）面も第２の光反射面６として利用すること
ができる。

【００４９】この実施の形態では、スペーサ１０１を用
いており、光学長を大きくするため厚みを任意に選びや
すいように、例えば、石英板にした場合である。他部分
の構造、作用はほぼ図５に示した実施の形態で説明した
とおりである。

【００５０】図７は、本発明に係る光学式振動センサの
第４の実施の形態の横断面図である。以上の実施の形態
は、光学式振動センサのセンシング部のうち、光導波路
２を第２の基板２０１に密着形成した場合であった。し
かし、図７に示すような、先球ファイバを光導波路２と
して用い、この光導波路２を第２の基板２０１に対して
ほぼ垂直になるように、第２の基板２０１に先球部分を
固定し、先球を光学レンズ３として利用する光学式振動
センサのセンシング部を用いても、本発明の光学式振動
評価方法によれば、もちろん経時変化のほとんどない光
学式振動センサが達成される。

【００５１】光源から光ファイバ１２である光導波路２
を通り先球の光学レンズ３に入射する光強度Ｌｉの光
は、光学レンズ３の端面で一部反射し、光強度Ｌｒｒの
光となり、光導波路２を逆向きに戻ってゆき、その光強
度は基準光光電変換部６０６（図１参照）で電気信号の
出力Ｖｒに変換される。また、一方の光学レンズ３を通
った光は、カンチレバ５に形成された第１の光反射面４
で全反射して、カンチレバ５の振動成分で反射方向がそ
れの応じて変化するために光学レンズ３との光結合量が
変化し、光学レンズ３に再入射した光は強度変調されて
光導波路２を通ってゆき、その振動体の振動成分を光強
度成分として持つ光信号強度は信号光光電変換部６０７
（図１参照）で電気信号の出力Ｖｓに変換される。その
後、前述のように演算部６０８（図１参照）で、例えば
除算、Ｖｓ／Ｖｒの演算をしてその出力を求めれば、経
時変化となる共通の係数が消去されるので、きわめて経
時変化の少ない光学式振動センサが提供される。

【００５２】上述の実施の形態では、光学式振動センサ
のセンシング部において、すべて、カンチレバ５に第１
の光反射面４を形成した場合であったが、カンチレバ５
に光導波路２および光学レンズ３を形成する事もでき
る。

【００５３】図８は、本発明に係る光学式振動センサの
第５の実施の形態の横断面図である。これは、光学式振
動センサのセンシング部において、第１の基板１にカン
チレバ５に光導波路２および光学レンズ３を形成を形成
し、第２の基板２０１に第１の光反射面４を形成した場
合の実施の形態の横断面の概要図である。この実施の形
態は、光導波路２と光学レンズ３が、図２の実施の形態
のように、第２の基板２０１に形成されているのではな
く、カンチレバ５に形成され、逆に第１の光反射面４が
カンチレバ５ではなく、第２の基板２０１に形成されて
いる場合に相当する。これらは互いに相対的に等しく、
従って動作も、図２とほぼ同様であるので、ここでは動
作の説明は省略する。図８の実施の形態では、スペーサ
１０１として、貫通孔を有する石英版を用い、シリコン
結晶から成る第２の基板２０１の両表面をシリコン酸化
膜２５０、２５１で覆い、カバー３０１の外側面をやは
りシリコン酸化膜３５１で覆い、安定化させている。ま
た、光ファイバ１２の基板への固定用の溝２４、２５も
形成して、光導波路２への光結合を容易にしている。

【００５４】図９に、カンチレバの構成図の一例を示
す。上述の実施の形態におけるカンチレバ５は、断面図
において分かり易いように簡単に描いてきたが、振動の
モードとして、ねじれモードが発生しにくいように、図
示のようにカンチレバ５のアーム部５ａ、５ｂを直交す
るようにし、空気の抵抗を幾分でも下げるために、貫通
溝２５を形成しておく方がよい。なお、図９の例は、シ
リコン単結晶の（１００）面方位の第１の基板１を用
い、シリコン酸化膜５０をカンチレバ５の機械的強度に
耐えうる程度の厚みに堆積した場合を示し、このカンチ
レバ５にアルミニウム薄膜と更に異方性エッチング液に
耐えるように薄いシリコン酸化膜をスパッタリング体積
させた第１の光反射面４を形成した場合である。

【００５５】図１０には、本発明に係る光学式振動セン
サの第６の実施の形態の横断面図である。上述の実施の
形態では、振動体の振動を検出するのに、すべてカンチ
レバ５の振動を利用した場合であるが、この光学式振動
センサを、例えばマイクロホンとして空気の振動を検出
するには、振動検出手段としてダイアフラム型にした方
が効率的である。

【００５６】この実施の形態は、ほぼ前述の図２の実施
の形態に対応している。図１０の実施の形態では、前述
の図２の実施の形態のカンチレバ５をダイアフラム１５
に換えた点、カバー３０１を除去して、第１の基板１の
貫通したＶ溝２０を裏面から形成して、空気などの流体
の音波振動が有効にダイアフラム１５に働くようにして
ある点、スペーサ１０１を第１の基板１と第２の基板２
０１とでサンドイッチ状に挟んで接合するので、残され
た空洞となるスペーサ１０１に形成されたＶ溝２１が密
閉形になるのを防ぐために、細い連通溝２９をスペーサ
１０１に形成している点が、特に異なる。また、細い連
通溝２９の存在で、温度変化に基づくＶ溝２１内外の圧
力バランスが図れる。

【００５７】上述の各々の実施の形態のカンチレバ５
は、ここでは図示しないが、図１０のように、ダイアフ
ラム１５等の振動体で置き換えることができる。一般
に、ダイヤフラムは、宙に浮いた構造体の中で、周辺が
基板にぐるりと固定されている薄膜である。また、カン
チレバーは、一端支持の薄膜または、棒状のものを言
う。どちらもこれらの上に反射面を形成し、そこに照射
した光（例えば、レンズで平行光線に直し、この平行光
線を照射することを想定する。）を、反射面で反射させ
て、レンズに戻し、光導波路または光ファイバに再カッ
プリングさせるものである。カンチレバーは、カンチレ
バーの上下振動を反射光の例えば左右に振動させるよう
に変換するので、振幅が大きいと反射面での反射光が全
く再カップリングされないほどになり（カンチレバとレ
ンズの距離が大きいほどその効果が大きい）、それだけ
感度が大きくなる。これに対して、ダイヤフラムでは、
その中央に反射面を置くとダイヤフラムの上下振動によ
り焦点がボケることを利用するので、再カップリング光
の振幅変調ができるが感度が小さいものの、ワイドレン
ジの振動センサとなる。このように、両者は、多少、再
カップリング動作が異なる。もちろん、ダイヤフラムの
中央に反射面を置かなければ、カンチレバと同様な効果
がある場合も考えられるが、感度が小さいと言うことに
なる。

【００５８】以上のように、流体の振動検出を除き、一
般の振動体の振動を高感度に検出するには、ダイアフラ
ム型よりカンチレバ型の方が良い。また、カンチレバ型
は、その振動により反射光線がその振動方向に振れるこ
とよりは、角度を持って振れることを利用する方が感度
が大きく得であるのに対して、ダイアフラム型は、その
振動により反射光線がその振動方向に振れることよる焦
点ぼけのための光学レンズ３に結合する光量変化を主に
利用し、しかも振幅が小さいので、感度が小さくなる。
また、カンチレバ型でもダイアフラム型でも、振動振幅
検出の直線性を得て、かつ高感度にするには、無振動時
にカンチレバ５またはダイアフラム１５に形成してある
第１の光反射面４からの反射光が光学レンズ３に入射す
るとき、最大光量にならずに最大光量の半分の値程度に
になるように調整するとよい。また、空気や、血液等の
液体などの流体の振動を検出する、すなわちマイクロフ
ォン、体内圧力センサや血圧計等として使用するには、
カンチレバ型よりは、薄膜の周囲がぐるりと基板に支持
されているダイアフラム型の方が空気や液体の振動を有
効に捕らえることができる。

【００５９】上述の実施の形態は本発明の一例に過ぎ
ず、本発明の主旨および作用、効果が同様でありなが
ら、本発明の多くの変形があることは明らかである。

【００６０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光学式振
動評価方法によれば、光学レンズ部での内部反射光を基
準光に使用するので、従来の光学式振動センサのセンシ
ング部分の光路中に蛍光部を設けないで済み、簡単に経
時変化の極めて少ない光学式振動センサを提供すること
ができる。また、本発明によると、光学レンズ及び光反
射面の工夫により、振動体の振動方向と導波路とが直交
配置できるので、光学式振動センサのセンシング部を振
動体に固定しやすい。本発明のよると、カンチレバまた
はダイアフラムがはじめから撓んでいてもカンチレバま
たはダイアフラムに形成してある光反射面からの反射光
が光学レンズに再入射できる。さらに、本発明による
と、１つの光導波路を光分岐回路とさせることにより、
異なる共振周波数のカンチレバやダイアフラムとの組み
合わせで、検出振動周波数の拡大を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光学式振動センサと光学式振動評
価方法のブロック概略図。

【図２】本発明に係る光学式振動センサの第１の実施例
の横断図面の概要図。

【図３】光導波路についての他の実施の形態の構成図。

【図４】光導波路についてのさらに他の実施の形態の構
成図。

【図５】本発明に係る光学式振動センサの第２の実施の
形態の横断面図。

【図６】本発明に係る光学式振動センサの第３の実施の
形態の横断面図。

【図７】本発明に係る光学式振動センサの第４の実施の
形態の横断面図。

【図８】本発明に係る光学式振動センサの第５の実施の
形態の横断面図。

【図９】カンチレバの構成図。

【図１０】本発明に係る光学式振動センサの第６の実施
の形態の横断面図。

【符号の説明】

１第１の基板２光導波路３、３ａ、３ｂ、３ｃ光学レンズ４第１の光反射面５カンチレバ６第２の光反射面１１高濃度ホウ素拡散層１２光ファイバ１５ダイアフラム２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２９溝５０、５１、１５０、１５１、２５０、２５１，３５１
シリコン酸化膜１０１スペーサ６０クラッド６２、５０２コア２０１第２の基板３０１カバー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の光反射面を有する振動部と、前記振動部を形成した第１の基板と、光学レンズを有する光導波路と、前記第１の基板と略平行に配置され、前記光導波路が形
成される第２の基板とを備え、前記第１の基板と前記第２の基板とは、少なくとも無振
動時には前記光導波路から光学レンズを通過して出射し
た光が、前記振動部の第１の光反射面で反射して、光学
レンズに再入射して前記光導波路に戻るように、固定配
置されて一体化されており、前記振動部の第１の光反射面から前記光導波路に戻る光
の強度変化により、振動を計測するようにした光学式振
動センサ。
【請求項２】光学レンズを有する光導波路と、前記光導波路が配置された振動部と、前記光導波路及び前記振動部を形成した第１の基板と、前記第１の基板と略平行に配置され、第１の光反射面が
形成される第２の基板とを備え、前記第１の基板と前記第２の基板とは、少なくとも無振
動時には前記光導波路から光学レンズを通過して出射し
た光が、前記第２の基板の第１の光反射面で反射して、
光学レンズに再入射して前記光導波路に戻るように、固
定配置されて一体化されており、前記第２の基板の第１の光反射面から前記光導波路に戻
る光の強度変化により、振動を計測するようにした光学
式振動センサ。
【請求項３】前記光導波路は、分岐光回路と、前記分岐光回路により分岐された各光導波路の各々に形
成された複数の光学レンズとを備え、前記振動部は、共振周波数が同一又は異なるものが複数
設けられ、前記振動部又は前記第２の基板の第１の光反射面は、そ
れぞれの前記複数の光学レンズに対応して光学的に結合
するように複数設けられたことを特徴とする請求項１又
は２に記載の光学式振動センサ。
【請求項４】前記光導波路の分岐光回路に形成された波
長選択フィルタをさらに備え、いずれの前記振動部からの光信号であるかを特定できる
ようにした請求項３に記載の光学式振動センサ。
【請求項５】前記振動部又は前記第２の基板の第１の光
反射面から光導波路に戻る信号光の強度を求める信号光
変換部と、光学レンズの界面で反射した基準光の強度を求める基準
光変換部と、前記信号光変換部及び前記基準光変換部の出力を演算す
る演算部と、前記演算部の演算結果を出力する出力部とをさらに備え
た請求項１乃至４のいずれかに記載の光学式振動セン
サ。
【請求項６】第２の光反射面をさらに設け、光学レンズから出射された光が前記第２の光反射面で反
射後、第１の光反射面で反射するようにした請求項１乃
至５のいずれかに記載の光学式振動センサ。
【請求項７】前記光学レンズは、回折格子、集束性レン
ズ又は集光グレーティングカプラが用いられ、前記光導波路から入射又は出射される光は、該光学レン
ズにより屈折され、第１の光反射面と結合されるように
した請求項１乃至６のいずれかに記載の光学式振動セン
サ。
【請求項８】第１又は第２の光反射面は、回折格子を用
いたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載
の光学式振動センサ。
【請求項９】第１の光反射面を有する振動部と、光学レ
ンズを有する光導波路とを備え、少なくとも無振動時に
は前記光導波路から光学レンズを通過して出射した光
が、前記振動部の第１の光反射面で反射して、光学レン
ズに再入射して前記光導波路に戻るように、固定配置さ
れており、前記振動部の第１の光反射面から前記光導波
路に戻る光の強度変化により、振動を計測するようにし
た光学式振動センサを用いた光学式振動評価方法であっ
て、前記振動部の第１の光反射面から光導波路に戻る振動す
る信号光の強度を計測し、光学レンズの界面で反射して戻る振動しない基準光の強
度を計測し、計測された信号光の強度を、基準光の強度に基づいて演
算し、その演算結果を出力すること、により、振動を評価する
ようにした光学式振動評価方法。
【請求項１０】光学レンズを有する光導波路と、前記光
導波路が配置された振動部と、第１の光反射面が形成さ
れる第２の基板とを備え、少なくとも無振動時には前記
光導波路から光学レンズを通過して出射した光が、前記
第２の基板の第１の光反射面で反射して、光学レンズに
再入射して前記光導波路に戻るように、固定配置されて
おり、前記第２の基板の第１の光反射面から前記光導波
路に戻る光の強度変化により、振動を計測するようにし
た光学式振動センサを用いた光学式振動評価方法であっ
て、前記第２の基板の第１の光反射面から光導波路に戻る振
動する信号光の強度を計測し、光学レンズの界面で反射して戻る振動しない基準光の強
度を計測し、計測された信号光の強度を、基準光の強度に基づいて演
算し、その演算結果を出力すること、により、振動を評価する
ようにした光学式振動評価方法。