JP2001141548A

JP2001141548A - 重量検知装置

Info

Publication number: JP2001141548A
Application number: JP32129899A
Authority: JP
Inventors: Masahito Sano; 雅仁佐野
Original assignee: Toshiba TEC Corp
Current assignee: Toshiba TEC Corp
Priority date: 1999-11-11
Filing date: 1999-11-11
Publication date: 2001-05-25

Abstract

(57)【要約】【課題】正確な重量検知を行う。【解決手段】固定部１３及び荷重を受けて変位する可動
部１４を有し、その固定部と可動部に突起部１７，１８
を設けた起歪体１１と、この起歪体の固定部の突起部先
端と可動部の突起部先端との間にこの可動部の変位方向
と平行に張設した変位検知用光ファイバ２０と、可動部
の変位の影響を受けないように敷設した参照用光ファイ
バ２３とを備え、各光ファイバでレーザ干渉計を形成
し、荷重による可動部の変位により変位検知用光ファイ
バに生じる光路長の伸びを光路差とし、可動部が荷重を
受ける前のレーザ干渉計の干渉光強度を基準点として可
動部が荷重を受けた後の光路差によるレーザ干渉計の干
渉光強度の変化を基準点からの明暗の周期のカウント値
と位相値から換算し、この換算値から重量を検知する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバを使用
したレーザ干渉計を用いて重量を検知する重量検知装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の重量検知装置としては、
例えば、特開昭５７−１９０２３８号公報のものが知ら
れている。これは、図１２の(a)に示すように、レーザ
発振器１からのレーザ光線をビームスプリッタ２及びレ
ンズ３を介して歪検出用光ファイバ４及びダミーファイ
バ５にそれぞれ入射している。この２本のファイバ４，
５の射出端６は互いに平行に接着され、スクリーン７上
に干渉縞を作り得るようにしている。

【０００３】歪検出用光ファイバ４は、図１２の(b)に
示すように、荷重を受けることにより変形する被測定物
体９の外面に多面にわたって装着され、外力Ｆによって
被測定物体９が変形するとこれに伴って変形するように
なっている。そして、被測定物体９が変形し、歪検出用
光ファイバ４が変形すると、歪検出用光ファイバ４とダ
ミーファイバ５を通過したレーザ光の間に光路差が生
じ、スクリーン７上で干渉縞が発生する。そして、変形
量の遷移に伴いこの干渉縞が移動するのでこの縞を数え
ることによって変形の量を知ることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この公報のも
のは、被測定物体の外面に多面にわたって歪検出用光フ
ァイバを装着しているため、被測定物体に均一に荷重が
与えられなければ歪検出用光ファイバに生じる歪の分布
が一定にならず、正確な重量検知ができなくなる問題が
あった。また、被測定物体の外面に歪検出用光ファイバ
を装着するのに接着剤を用いると被測定物体と光ファイ
バとの間にできた接着層により被測定物体の歪み量が光
ファイバに正確に伝わらなく、このため正確な重量検知
ができなくなる問題があった。

【０００５】また、光ファイバの光路が長くて複雑な経
路をとるような場合は光路中の応力分布によって複屈折
が生じ偏波面が回転して一定の干渉光強度が得られなく
なるという問題がある。これは偏波フェーディングと呼
ばれる現象で、これを防ぐために偏波面保存ファイバを
利用する方法もあるが、これには偏波面保存の合分波器
など非常に高価なデバイスが必要となり、経済性が悪い
という問題が生じる。

【０００６】そこで、各請求項記載の発明は、光ファイ
バを使用したレーザ干渉計を用いたものにおいて、常に
正確な重量検知ができる重量検知装置を提供する。ま
た、請求項４記載の発明は、さらに経済性を向上できる
重量検知装置を提供する。また、請求項７記載の発明
は、さらに偏波フェーディングの影響を防止することが
でき、安定した重量検知ができる重量検知装置を提供す
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
固定部及び荷重を受けて変位する可動部を有し、この固
定部及び可動部を略平行等長な腕によって弾性連結する
とともにこの固定部と可動部との対向部位にそれぞれの
先端が可動部の変位方向に上下となるように配置された
突起部を設け、可動部の変位を荷重位置に拘わらず一方
向に規制し、その可動部の突起部先端を荷重による変位
に応じて固定部の突起部先端から離間する方向に撓ませ
る起歪体と、この起歪体の固定部の突起部先端と可動部
の突起部先端との間にこの可動部の変位方向と平行に張
設した変位検知用光ファイバと、この変位検知用光ファ
イバと略平行にかつ可動部の変位の影響を受けないよう
に敷設した参照用光ファイバとを備え、変位検知用光フ
ァイバと参照用光ファイバでレーザ干渉計を形成し、荷
重による可動部の変位により変位検知用光ファイバに生
じる光路長の伸びを光路差とし、可動部が荷重を受ける
前のレーザ干渉計の干渉光強度を基準点として可動部が
荷重を受けた後の光路差によるレーザ干渉計の干渉光強
度の変化を基準点からの明暗の周期のカウント値と位相
値から換算し、この換算値から重量を検知することにあ
る。

【０００８】請求項２記載の発明は、固定部及び荷重を
受けて変位する可動部を有し、この固定部及び可動部を
略平行等長な腕によって弾性連結するとともにこの固定
部と可動部との対向部位にそれぞれの先端が可動部の変
位方向に上下となるように配置された突起部を設け、可
動部の変位を荷重位置に拘わらず一方向に規制し、その
可動部の突起部先端を荷重による変位に応じて固定部の
突起部先端から離間する方向に撓ませる起歪体と、この
起歪体の固定部の突起部先端と可動部の突起部先端との
間にこの可動部の変位方向と平行に張設した変位検知用
光ファイバと、この変位検知用光ファイバと略平行にか
つ可動部の変位の影響を受けないように敷設した参照用
光ファイバと、この参照用光ファイバの途中に駆動制御
を受けてこの参照用光ファイバの光路長を強制的に変化
させる光路長調整手段とを備え、変位検知用光ファイバ
と参照用光ファイバでレーザ干渉計を形成し、荷重によ
る可動部の変位により変位検知用光ファイバに生じる光
路長の伸びと同じだけ光路長調整手段によって参照用光
ファイバに光路長の伸びを与えてレーザ干渉計の干渉光
強度が一定となるように制御し、このときに光路長調整
手段を駆動制御した制御パラメータから可動部が荷重を
受けたときの光路長の伸びを換算し、この換算値から重
量を検知することにある。

【０００９】請求項３記載の発明は、固定部及び荷重を
受けて変位する可動部を有し、この固定部及び可動部を
略平行等長な腕によって弾性連結するとともにこの固定
部と可動部との対向部位にそれぞれの先端が可動部の変
位方向に上下となるように配置された突起部を設け、可
動部の変位を荷重位置に拘わらず一方向に規制し、その
可動部の突起部先端を荷重による変位に応じて固定部の
突起部先端から離間する方向に撓ませる起歪体と、この
起歪体の固定部の突起部先端と可動部の突起部先端との
間にこの可動部の変位方向と平行に張設した変位検知用
光ファイバと、この変位検知用光ファイバと略平行にか
つ可動部の変位の影響を受けないように敷設した参照用
光ファイバとを備え、変位検知用光ファイバと参照用光
ファイバでレーザ干渉計を形成し、このレーザ干渉計の
光源として波長が可変制御できるレーザ光源を使用する
とともに変位検知用光ファイバと参照用光ファイバの光
路長に所定の差を設定し、荷重による可動部の変位によ
り変位検知用光ファイバに生じる光路長の伸びを光路差
とし、この光路差を補償するようにレーザ光源の波長を
制御して見掛け上の光路差を無くしてレーザ干渉計の干
渉光強度が一定となるように制御し、このときにレーザ
光源の波長を制御した制御パラメータから可動部が荷重
を受けたときの光路長の伸びを換算し、この換算値から
重量を検知することにある。

【００１０】請求項４記載の発明は、請求項１乃至３の
いずれか１記載の重量検知装置において、起歪体をセラ
ミック材料で構成したことにある。請求項５記載の発明
は、請求項１乃至４のいずれか１記載の重量検知装置に
おいて、レーザ干渉計は、レーザ光を分割して変位検知
用光ファイバ及び参照用光ファイバの一端にそれぞれ入
射させるとともに変位検知用光ファイバ及び参照用光フ
ァイバの他端から出射する光を重ね合せて受光するマハ
ツェンダ型のレーザ干渉計としたことにある。

【００１１】請求項６記載の発明は、請求項１乃至４の
いずれか１記載の重量検知装置において、レーザ干渉計
は、レーザ光を分割して変位検知用光ファイバ及び参照
用光ファイバの一端にそれぞれ入射させるとともに変位
検知用光ファイバ及び参照用光ファイバの他端から出射
する光をそれぞれ反射ミラーで反射させ、その反射光を
変位検知用光ファイバ及び参照用光ファイバの他端から
それぞれ入射させるとともに変位検知用光ファイバ及び
参照用光ファイバの一端から出射する反射光を重ね合せ
て受光するマイケルソン型のレーザ干渉計としたことに
ある。

【００１２】請求項７記載の発明は、請求項６記載の重
量検知装置において、変位検知用光ファイバの他端と反
射ミラーとの間及び参照用光ファイバの他端と反射ミラ
ーとの間に、それぞれ偏向軸を９０°回転させるファラ
デー回転素子を配置したことにある。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を参照
して説明する。（第１の実施の形態）図１は荷重受け部の要部構成を示
す図で、１１は起歪体である。この起歪体１１は基台１
２に固定した固定部１３及び荷重を受けて変位する可動
部１４を有し、この固定部１３及び可動部１４を略平行
等長な２本の腕１５，１６によって弾性連結した疑似ロ
バーバル機構になっている。

【００１４】前記固定部１３及び可動部１４は腕１５，
１６に比べて剛体と見なすことができるように十分な強
度を持つ形状になっている。そして、前記固定部１３と
可動部１４との対向部位にそれぞれの先端が可動部１４
の変位方向に上下となるように配置された突起部１７，
１８を設けている。前記可動部１４の上には、その可動
部の端の部位で支持された受け皿１９が載置されてい
る。

【００１５】この起歪体１１は、受け皿１９に被計量物
が載せられると、可動部１４に荷重が掛かり、これによ
り腕１５，１６が撓み、可動部１４が鉛直方向に変位す
る。このとき、腕１５，１６が互いに平行等長であるた
め、可動部１４の変位が荷重位置に拘わらず一方向に規
制され、可動部１４はそこに掛かるモーメントが相殺さ
れて回転すること無く荷重方向へ変位するようになる。
これにより、受け皿１９のどの位置に被計量物を載せて
も荷重のみが可動部１４に作用し、可動部１４は一定の
変位を生じることになる。

【００１６】前記起歪体１１は、ジュラルミン等の金属
材料を加工して製作してもよいが、歪みゲージを貼り付
けるための複数の応力集中部を設けるために要求される
高い加工精度は必要としないため、アルミナ等のセラミ
ック材料によって構成している。

【００１７】前記固定部１３に設けた突起部１７の先端
と前記可動部１４に設けた突起部１８の先端は、突起部
１７の先端が上、突起部１８の先端が下になるように配
置され、この各突起部１７，１８の先端部に上下の溝を
形成している。そして、変位検知用光ファイバ２０の中
間部を割りブッシュ２１，２２に挟み込んで接着固定し
た後、その割りブッシュ２１，２２をそれぞれ溝にはめ
込んで接着固定している。この場合、割りブッシュ２
１，２２に接着固定する光ファイバ２０の中間部は被覆
している樹脂を全て剥いだ状態で接着固定することが望
ましい。前記変位検知用光ファイバ２０は各突起部１
７，１８の先端間に可動部１４が動く鉛直方向に弛みが
無いように予張力を持って張られている。

【００１８】前記変位検知用光ファイバ２０と並行して
参照用光ファイバ２３が敷設されている。この参照用光
ファイバ２３は自由な状態で取り付けられ、前記可動部
１４の変位の影響を受けないようになっている。なお、
前記変位検知用光ファイバ２０と参照用光ファイバ２３
は密着している方が好ましく、また、長さは極力短い方
がよい。

【００１９】起歪体１１の剛性が低いと、固有振動数が
低く振動が収束しにくい等の問題があるため、起歪体１
１の剛性を高くする必要がある。しかし、起歪体１１の
剛性を高くすると、起歪体１１の固定部１３における突
起部１７と可動部１４における突起部１８に固定された
変位検知用光ファイバ２０の変位は微小となる。荷重の
少ない時のこの変位は歪みゲージ等では検出不能な領域
である。

【００２０】そこで、ここでは起歪体１１の剛性を高く
し、かつ、微小波長光として半導体レーザを利用したマ
ハツェンダ型のレーザ干渉計を前記変位検知用光ファイ
バ２０と参照用光ファイバ２３で形成する。

【００２１】すなわち、図２に示すように、光源である
半導体レーザ発振器２４から出射したレーザ光を集光レ
ンズ２５を通してシングルモード光ファイバ２６の一端
に集光させこの光ファイバ２６に入射させる。なお、こ
の入射部には分布屈折率レンズを接続して集光を行うも
のなど各種の形態がある。

【００２２】前記シングルモード光ファイバ２６に入射
したレーザ光は１×２の第１の合分波器２７により２分
割してそれぞれ前記変位検知用光ファイバ２０と参照用
光ファイバ２３の一端に入射させる。前記変位検知用光
ファイバ２０に入射したレーザ光は途中で固定部１３の
突出部先端と可動部１４の突出部先端に固定された変位
検知部２８を通過することになる。

【００２３】そして、前記変位検知用光ファイバ２０と
参照用光ファイバ２３の他端から出射するレーザ光は１
×２の第２の合分波器２９により重ね合わされ、集光レ
ンズ３０を通して受光素子３１に入射される。

【００２４】このような構成において、例えば、第１の
合分波器２７でレーザ光が５０：５０に分割されたとす
ると、変位検知用光ファイバ２０と参照用光ファイバ２
３を通るレーザ光の電界強度Ｅ_１，Ｅ_２は、それぞれＥ_１＝（Ａ／２）・cos（φ_１−ω・ｔ）Ｅ_２＝（Ａ／２）・cos（φ_２−ω・ｔ）となる。但し、Ａは分波前の振幅である。

【００２５】これらを重ね合せると、Ｅ_１＋Ｅ_２＝Ａ´・cos（φ−ω・ｔ）となる。但し、Ａ´^２＝（Ａ^２／２）・｛１＋cos（φ_１−φ_２）｝ φ＝tan^−１｛（sinφ_１＋sinφ_２）／（cosφ_１＋cos
φ_２）｝である。

【００２６】合成波の強度Ｉは、Ａ´^２に等しくなり、Ｉ＝Ａ´^２＝（Ｉ_０／２）・｛１＋cos（φ_１−
φ_２）｝となる。但し、Ｉ_０は強度の初期値である。

【００２７】Ｅ_１を変位検知用光ファイバ２０を通過し
たレーザ光の電界強度として、荷重によってΔＬの伸び
が生じたとすると、 φ_１＝φ_０＋ΔＬ・ｋとなる。但し、ｋ＝２・π／λは波数、φ_０は位相の初
期値、λは光源の波長である。

【００２８】従って、Ｉ＝（Ｉ_０／２）・｛１＋cos（φ_０−φ_２＋ΔＬ・
ｋ）｝となる。

【００２９】φ_０−φ_２は測定開始の初期位相値で、こ
こを基準点の０点として相対的に位相の変化を見る。φ
_０−φ_２を０とすると、受光素子３１が受光して得られ
る信号は図３に示すような正弦波になる。この図では、
Ａ点が基準点となり、ここを０点として荷重値を求め
る。

【００３０】荷重によって変わる干渉光強度の明暗を数
えることによって荷重を計測することができるが、精度
を高めるためにこの信号を分割する。その方法として
は、信号をＡ／Ｄ変換してから換算する方法、関数増幅
器で正弦波状の信号を線形化した後にＡ／Ｄ変換を行う
方法、オートレンジプリアンプで出力値によってＡ／Ｄ
変換器のレンジを変更する方法などがある。なお、信号
をＡ／Ｄ変換してから換算する方法ではＡ／Ｄ変換のビ
ット数に無駄が生じるため、後の２つの方法の方がより
好ましい。

【００３１】例えば、荷重を一定速で静かに掛けた場
合、図３のグラフで横軸を時間に置き換えることができ
る。最終的にＣ点での荷重はＡ点を基準にすると、明暗
の周期が２周期分とＢ点からＣ点までの位相差の合計に
なる。例えば、１波長分の変位である１周期を１ｋｇ、
Ｂ、Ｃ点間の位相差をπ／２とすると、重さは２．２５
ｋｇになる。なお、干渉光強度の処理にあたっては、半
導体レーザのモニタ電流値等で受光素子３１の出力値を
正規化する必要がある。以上のような方法でデジタル化
された信号を重量に換算して表示する。

【００３２】図４はオートレンジプリアンプを使用した
信号処理装置のブロック図を示す。電源の投入あるいは
キー操作等により０点リセット信号発生部３２から０点
リセット信号を発生してマイクロコンピュータで構成さ
れる重量値換算部３３のリセット動作を行う。このと
き、表示部３４の重量値表示を０にするとともにその時
の干渉光強度からその時の位相値を割り出し基準点とし
て記憶する。

【００３３】光源であるレーザ発振器２４は電流と温度
を制御され一定の出力を保っている。正規化部３５にお
いて、干渉光を受けた受光素子３１の電圧出力は光源２
４の電流制御を行う電流制御部３６の制御パラメータと
なる電圧値で割り算することにより正規化されてオート
レンジプリアンプ３７に供給される。

【００３４】前記オートレンジプリアンプ３７は、入力
される電圧値によってゲインを段階的に可変にしたもの
で、荷重の値によって正弦波状に変化する干渉光強度の
うち、頂点近くの変化の少ないところのゲインを大きく
とることができるようになっている。このオートレンジ
プリアンプ３７の値をＡ／Ｄ変換部３８でＡ／Ｄ変換
し、このデータを重量値換算部３３に入力して重量値に
換算するが、この時、リセット動作時に記憶した基準点
の干渉光強度からの位相の進みを監視する。

【００３５】この監視では、干渉光強度が上下でピーク
にまで達したか否かを判断し、干渉光強度が強弱の頂点
を繰返している間は荷重が単調に増加しているものと判
断し、そのピークをカウントする。干渉光強度の変化の
頂点がピークの値に満たない場合は、振動で加重が抜け
て行くことを意味するので、ピークのカウントを減算処
理する。また、ピークに満たない位置で干渉光強度が反
転したらカウントを増やすようにし、これを繰返す。そ
して、最終的なカウント値に１周期分の荷重換算値を掛
け、初期位相値からの進角分を加えることにより荷重値
を求める。こうして重量値換算部３３で求めた荷重値を
表示部３４に表示させる。

【００３６】このように、受け皿１９のどの位置に被計
量物を載せても荷重のみが可動部１４に作用して可動部
１４が一定の変位を生じるという疑似ロバーバル機構の
起歪体１１を使用し、この起歪体１１の固定部１３に設
けた突起部１７の先端と可動部１４に設けた突起部１８
の先端に変位検知用光ファイバ２０を固定し、この変位
検知用光ファイバ２０と自由な状態で取り付けられた参
照用光ファイバ２３とで半導体レーザを利用したマハツ
ェンダ型のレーザ干渉計を形成しているので、受け皿１
９のどの位置に被計量物を載せても荷重による変位が変
位検知用光ファイバ２０に正確に作用する。従って、受
光素子３１は荷重に対応した正確な干渉光を受光するこ
とができ、従って、受光素子３１からの出力電圧により
正確な重量検知ができる。なお、光ファイバ２０，２３
は通常直径が１２５μｍと非常に細いので荷重によりこ
の光ファイバが起歪体１１に及ぼす影響は無視できる。

【００３７】図５は動作の一例を示す波形図で、(a)は
初期位相値を０とし、荷重を静かにかけたとき、すなわ
ち、初速０のときの変位の時間変化の様子を示してい
る。また、(b)はこのときの干渉光強度の変化の様子を
示している。なお、この実施の形態では半導体レーザを
使用したが必ずしもこれに限定するものではなく、Ｈｅ
−Ｎｅレーザなどのコヒーレント光源も使用できる。ま
た、変位検知用光ファイバ及び参照用光ファイバとして
使用する光ファイバとしては、石英の偏波面保持光ファ
イバやシングルモード光ファイバなどが好適である。

【００３８】（第２の実施の形態）なお、前述した実施
の形態と同一の部分には同一の符号を付し、異なる部分
について述べる。図６及び図７に示すように、半導体レ
ーザ発振器２４から出射したレーザ光を集光レンズ２５
を通してシングルモード光ファイバ２６の一端に集光さ
せこの光ファイバ２６に入射させる。なお、この入射部
には分布屈折率レンズを接続して集光を行うものなど各
種の形態がある。

【００３９】前記シングルモード光ファイバ２６に入射
したレーザ光は２×２の合分波器４１により２分割して
それぞれ変位検知用光ファイバ２０と参照用光ファイバ
２３の一端に入射させる。前記変位検知用光ファイバ２
０に入射したレーザ光は途中で固定部１３の突出部先端
と可動部１４の突出部先端に固定された変位検知部２８
を通過することになる。

【００４０】そして、前記変位検知用光ファイバ２０と
参照用光ファイバ２３の他端から出射するレーザ光はそ
れぞれ集光レンズ４２，４３を通して反射ミラー４４，
４５に反射し、その反射光が前記集光レンズ４２，４３
を通して前記変位検知用光ファイバ２０と参照用光ファ
イバ２３の他端に入射される。前記変位検知用光ファイ
バ２０に入射したレーザ光は途中で前記変位検知部２８
を再度通過することになる。

【００４１】前記変位検知用光ファイバ２０と参照用光
ファイバ２３の一端から出射するレーザ光は２×２の合
分波器４１により重ね合わされ、シングルモード光ファ
イバ４６を経由し、集光レンズ３０を通して受光素子３
１に入射される。

【００４２】このように、変位検知用光ファイバ２０と
参照用光ファイバ２３の他端から出射するレーザ光をそ
れぞれ集光レンズ４２，４３を通して反射ミラー４４，
４５に反射させ、その反射光を再び集光レンズ４２，４
３を通して変位検知用光ファイバ２０と参照用光ファイ
バ２３に入射させることで、マイケルソン型のレーザ干
渉計を形成している。

【００４３】また、２×２の合分波器４１により重ね合
わされた光は前記シングルモード光ファイバ２６を経由
し、集光レンズ２５を通して半導体レーザ発振器２４に
も入射されるので、前記シングルモード光ファイバ４６
の途中にアイソレータ４７を介挿して半導体レーザ発振
器２４に入射する光を弱める。これにより、半導体レー
ザ発振器２４の出力が変動したり、半導体レーザ発振器
２４が破壊されるなどの事故を防止できる。

【００４４】このように、この実施の形態においても、
受け皿１９のどの位置に被計量物を載せても荷重のみが
可動部１４に作用して可動部１４が一定の変位を生じる
という疑似ロバーバル機構の起歪体１１を使用し、この
起歪体１１の固定部１３に設けた突起部１７の先端と可
動部１４に設けた突起部１８の先端に変位検知用光ファ
イバ２０を固定し、この変位検知用光ファイバ２０と自
由な状態で取り付けられた参照用光ファイバ２３とで半
導体レーザを利用したマイケルソン型のレーザ干渉計を
形成しているので、受け皿１９のどの位置に被計量物を
載せても荷重による変位が変位検知用光ファイバ２０に
正確に作用する。従って、前述した第１の実施の形態と
同様の作用効果が得られるものである。

【００４５】また、この実施の形態では、レーザ光が光
ファイバからなる光路を往復するため光路長差が２倍と
なり、重量検知の精度をより高めることができる。な
お、この実施の形態では半導体レーザを使用したが必ず
しもこれに限定するものではなく、Ｈｅ−Ｎｅレーザな
どのコヒーレント光源も使用できる。また、変位検知用
光ファイバ及び参照用光ファイバとして使用する光ファ
イバとしては、石英の偏波面保持光ファイバやシングル
モード光ファイバなどが好適である。

【００４６】また、光ファイバとしてシングルモード光
ファイバを使用した場合で、しかも、光ファイバの光路
長が長くなる場合は、変位検知用光ファイバ２０及び参
照用光ファイバ２３と反射ミラー４４，４５との間にフ
ァラデー回転素子を挿入する。このファラデー回転素子
は、直線偏光が磁場方向に物質中を通るとき偏光面が回
転するというファラデー効果を利用し、永久磁石との組
合わせで偏光面を所定角度回転させるものであり、この
場合には９０°の回転が得られるものを使用する。この
ファラデー回転素子を反射ミラーの前に置くことで、反
射ミラーまでの往路と反射ミラーからの復路で１８０°
反対の偏光が得られ、往路で受けた偏波フェーディング
を復路で全く同じ経路を辿ることにより解消することが
できる。

【００４７】（第３の実施の形態）なお、前述した実施
の形態と同一の部分には同一の符号を付し、異なる部分
について述べる。図８に示すように、マハツェンダ型の
レーザ干渉計を利用したものにおいて、参照用光ファイ
バ２３を光路長調整手段を構成する筒形状の光路長調整
素子５１に巻装している。前記光路長調整素子５１とし
ては、ＬＮ（ＬiＮbＯ_３）のような電界によって複屈折
率が変化するような材料やＰＺＴのような機械的変位素
子を使用する。例えば、ここではＰＺＴを使用し、この
ＰＺＴの光路長調整素子５１に参照用光ファイバ２３を
何回か巻き付けている。

【００４８】このような構成においては、半導体レーザ
発振器２４からのレーザ光はシングルモード光ファイバ
２６を介して第１の合分波器２７に入射し、この合分波
器２７により２分割され、一方は変位検知用光ファイバ
２０に入射し、他方は参照用光ファイバ２３に入射す
る。変位検知用光ファイバ２０に入射したレーザ光は途
中で固定部１３の突出部先端と可動部１４の突出部先端
に固定された変位検知部２８を通過することになる。ま
た、参照用光ファイバ２３に入射したレーザ光は途中で
光路長調整素子５１への巻装部を通過することになる。

【００４９】そして、前記変位検知用光ファイバ２０と
参照用光ファイバ２３の他端から出射するレーザ光は第
２の合分波器２９により重ね合わされ、集光レンズ３０
を通して受光素子３１に入射される。

【００５０】ここで、荷重が起歪体１１にかかると変位
検知部２８が変位し変位検知用光ファイバ２０が伸び、
受光素子３１が受光する干渉光が変化する。そこで、受
光素子３１が受光した干渉光強度の値が非荷重のときと
同じ値になるように光路長調整素子５１を駆動制御す
る。すなわち、荷重によって変位検知用光ファイバ２０
が伸びると、参照用光ファイバ２３も同等に伸びるよう
に光路長調整素子５１を駆動制御する。

【００５１】これにより、変位検知用光ファイバ２０の
変位と参照用光ファイバ２３の変位が等しくなり受光素
子３１が受光する干渉光強度の値は変化しない状態にな
る。そして、このときに光路長調整素子５１を駆動した
制御値を重量に換算すれば前述した実施の形態と同様に
正確な重量検知ができる。

【００５２】図９はこの実施の形態で使用する信号処理
装置のブロック図を示し、電源の投入あるいはキー操作
等により０点リセット信号発生部５２から０点リセット
信号を発生してマイクロコンピュータで構成される制御
部５３や重量値換算部５４のリセット動作を行う。この
とき、表示部５５の重量値表示を０にするとともにその
時の干渉光強度を基準点として記憶する。光源であるレ
ーザ発振器２４は電流と温度を制御され一定の出力を保
っている。

【００５３】荷重がかかって変位検知用光ファイバ２０
が伸びたとき、受光素子３１に入射する干渉光強度の変
化量を前記制御部５３にフィードバックし、これにより
制御部５３は光路長調整素子５１を駆動制御して参照用
光ファイバ２３の伸縮をコントロールする。すなわち、
参照用光ファイバ２３が変位検知用光ファイバ２０の伸
びと同じだけ伸びるように光路長調整素子５１を駆動制
御する。

【００５４】これにより受光素子３１に入射する干渉光
強度は一定に保たれる。そして、このときに制御部５３
が光路長調整素子５１に与えた制御量を電圧値変換部５
６が取出して電圧値に変換しＡ／Ｄ変換部５７に供給す
る。前記Ａ／Ｄ変換部５７し電圧値をデジタル変換して
前記重量換算部５４に供給する。前記重量値換算部５４
は取込んだデジタルデータに基づいて重量値換算を行な
い、換算した重量値を表示部５５に出力して表示させ
る。

【００５５】なお、この実施の形態では半導体レーザを
使用したが必ずしもこれに限定するものではなく、Ｈｅ
−Ｎｅレーザなどのコヒーレント光源も使用できる。ま
た、変位検知用光ファイバ及び参照用光ファイバとして
使用する光ファイバとしては、石英の偏波面保持光ファ
イバやシングルモード光ファイバなどが好適である。

【００５６】（第４の実施の形態）なお、前述した実施
の形態と同一の部分には同一の符号を付し、異なる部分
について述べる。図１０に示すように、マイケルソン型
のレーザ干渉計を利用したものにおいて、変位検知用光
ファイバ２０と参照用光ファイバ２３の他端から出射す
るレーザ光をそれぞれ集光レンズ４２，４３を通して反
射ミラー４４，４５に反射しているが、参照用光ファイ
バ２３からのレーザ光を反射する反射ミラー４５の背面
にこの反射ミラー４５と参照用光ファイバ２３の他端と
の距離を可変する光路長調整素子６０を取付けている。
前記光路長調整素子６０としてはＰＺＴのような機械的
変位素子を使用する。

【００５７】このような構成においては、シングルモー
ド光ファイバ２６に入射したレーザ光は２×２の合分波
器４１により２分割して変位検知用光ファイバ２０と参
照用光ファイバ２３にそれぞれ入射される。前記変位検
知用光ファイバ２０に入射したレーザ光は途中で固定部
１３の突出部先端と可動部１４の突出部先端に固定され
た変位検知部２８を通過することになる。

【００５８】そして、変位検知用光ファイバ２０と参照
用光ファイバ２３の他端から出射するレーザ光はそれぞ
れ集光レンズ４２，４３を通して反射ミラー４４，４５
に反射し、その反射光が再度集光レンズ４２，４３を通
して変位検知用光ファイバ２０と参照用光ファイバ２３
に入射される。変位検知用光ファイバ２０に入射したレ
ーザ光は途中で変位検知部２８を再度通過する。

【００５９】そして、変位検知用光ファイバ２０と参照
用光ファイバ２３の一端から出射するレーザ光は２×２
の合分波器４１により重ね合わされ、シングルモード光
ファイバ４６を経由し、集光レンズ３０を通して受光素
子３１に入射される。

【００６０】ここで、荷重が起歪体１１にかかると変位
検知部２８が変位し変位検知用光ファイバ２０が伸び、
受光素子３１が受光する干渉光強度が変化する。そこ
で、受光素子３１が受光する干渉光強度の値が非荷重の
ときと同じ値になるように光路長調整素子６０を駆動制
御する。すなわち、荷重によって変位検知用光ファイバ
２０が伸びた分、参照用光ファイバ２３側の光路が伸び
るように光路長調整素子６０を駆動制御して反射ミラー
４５の位置を参照用光ファイバ２３の他端から見て後方
に変位させる。

【００６１】これにより、変位検知用光ファイバ２０側
の光路長と参照用光ファイバ２３側の光路長が等しくな
り受光素子３１が受光する干渉光強度の値は変化しない
状態になる。そして、このときに光路長調整素子６０を
駆動した制御値を重量に換算すれば前述した実施の形態
と同様に正確な重量検知ができる。

【００６２】なお、この実施の形態では半導体レーザを
使用したが必ずしもこれに限定するものではなく、Ｈｅ
−Ｎｅレーザなどのコヒーレント光源も使用できる。ま
た、変位検知用光ファイバ及び参照用光ファイバとして
使用する光ファイバとしては、石英の偏波面保持光ファ
イバやシングルモード光ファイバなどが好適である。

【００６３】（第５の実施の形態）この実施の形態は光
源として使用する半導体レーザ発振器として発振波長が
可変できるものを使用している。

【００６４】例えば、変位検知用光ファイバ２０の光路
長をＬ、参照用光ファイバ２３の光路長をＬ_Ｒ、波長を
λとしてこのときの干渉光強度の位相φを求めると、 φ（Ｌ，λ）＝２π・（Ｌ−Ｌ_Ｒ）／λ よって、偏微分してΔφを求めると、 Δφ＝（∂φ／∂Ｌ）・ΔＬ＋（∂φ／∂λ）・Δλ ＝（２π／λ）・ΔＬ−２π・｛（Ｌ−Ｌ_Ｒ）／λ^２｝・Δλ Δφ＝０とすると、（２π／λ）・ΔＬ−２π・｛（Ｌ−Ｌ_Ｒ）／λ^２｝・
Δλ＝０ ∴ ΔＬ＝｛（Ｌ−Ｌ_Ｒ）／λ｝・Δλ 従って、例えば、Ｌ−Ｌ_Ｒを１３．１mm、λを１３１０
μｍとすると、 ΔＬ＝１０^４・Δλ Δλ＝１nm ΔＬ＝１０μｍとなり、１nmの波長の変化で１０μｍの光路差を検出で
きる。

【００６５】この原理を使用して重量検知を行う。構成
的には図１及び図２と同様である。また、変位検知用光
ファイバ２０と参照用光ファイバ２３に予め光路差を設
定しておく。また、半導体レーザ発振器としては、注入
電流によって発振波長が数nmから１０nm程度変えること
ができるものを使用する。

【００６６】図１１はこの発振波長が可変できる半導体
レーザ発振器を使用した場合の信号処理装置のブロック
図を示し、電源の投入あるいはキー操作等により０点リ
セット信号発生部６１から０点リセット信号を発生して
マイクロコンピュータで構成される電流制御部６２や重
量値換算部６３のリセット動作を行う。このとき、表示
部６４の重量値表示を０にする。また、受光素子３１の
受光信号が０、すなわち、打消し合いの干渉によって出
力が無くなった状態になるように半導体レーザ発振器へ
の注入電流を制御する。

【００６７】この状態で、荷重がかかって変位検知用光
ファイバ２０が伸びると、受光素子３１に入射する干渉
光強度が変化するので、その変化量を前記電流制御部６
２にフィードバックし、これにより電流制御部６２は半
導体レーザの注入電流を制御し、この制御により受光素
子３１の受光信号が０、すなわち、打ち消し合いの干渉
の状態を保つ。

【００６８】そして、このときの半導体レーザの注入電
流の制御量を電圧値変換部６５が電流制御部６２から取
出して電圧値に変換しＡ／Ｄ変換部６６に供給する。前
記Ａ／Ｄ変換部６６は電圧値をデジタル変換して前記重
量換算部６３に供給する。前記重量値換算部６３は取込
んだデジタルデータに基づいて重量値換算を行ない、換
算した重量値を表示部５５に出力して表示させる。

【００６９】このように、荷重により起歪体が変位して
変位検知用光ファイバ２０が伸びると半導体レーザの注
入電流を変化させてレーザの発振波長を可変し、これに
より受光素子３１の受光信号が０、すなわち、打ち消し
合い干渉によって出力が無くなった状態を保持する。そ
して、このときの半導体レーザの注入電流の制御量を電
圧値に変換し、さらに重量値に換算して表示部６４に表
示する。従って、この実施の形態においても前述した実
施の形態と同様に正確な重量検知ができる。

【００７０】なお、この実施の形態では半導体レーザを
使用したが必ずしろもこれに限定するものではなく、回
折格子を利用した波長可変のコヒーレント光源も使用で
きる。また、変位検知用光ファイバ及び参照用光ファイ
バとして使用する光ファイバとしては、石英の偏波面保
持光ファイバやシングルモード光ファイバなどが好適で
ある。

【００７１】

【発明の効果】各請求項記載の発明によれば、光ファイ
バを使用したレーザ干渉計を用いたものにおいて、常に
正確な重量検知ができる。また、請求項４記載の発明に
よれば、さらに経済性を向上できる。また、請求項７記
載の発明によれば、さらに偏波フェーディングの影響を
防止することができ、安定した重量検知ができる。従っ
て、例えば、電磁ノイズが大きな環境下で光源やディテ
クタを遠方に配置しても偏波フェーディングの影響を極
力抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す荷重受け部の
構成図。

【図２】同実施の形態の全体構成を示す図。

【図３】同実施の形態における荷重と干渉光強度との関
係を示す図。

【図４】同実施の形態における信号処理装置のブロック
図。

【図５】同実施の形態における動作の一例を示す波形
図。

【図６】本発明の第２の実施の形態を示す荷重受け部の
構成図。

【図７】同実施の形態の全体構成を示す図。

【図８】本発明の第３の実施の形態を示す全体構成図。

【図９】同実施の形態における信号処理装置のブロック
図。

【図１０】本発明の第４の実施の形態を示す全体構成
図。

【図１１】本発明の第５の実施の形態を示す信号処理装
置のブロック図。

【図１２】従来例を示す図。

【符号の説明】

１１…起歪体１３…固定部１４…可動部１５，１６…腕１７，１８…突起部１９…受け皿２０…変位検知用光ファイバ２３…参照用光ファイバ２４…半導体レーザ発振器３１…受光素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固定部及び荷重を受けて変位する可動部
を有し、この固定部及び可動部を略平行等長な腕によっ
て弾性連結するとともにこの固定部と可動部との対向部
位にそれぞれの先端が前記可動部の変位方向に上下とな
るように配置された突起部を設け、前記可動部の変位を
荷重位置に拘わらず一方向に規制し、その可動部の突起
部先端を荷重による変位に応じて前記固定部の突起部先
端から離間する方向に撓ませる起歪体と、この起歪体の
固定部の突起部先端と可動部の突起部先端との間にこの
可動部の変位方向と平行に張設した変位検知用光ファイ
バと、この変位検知用光ファイバと略平行にかつ前記可
動部の変位の影響を受けないように敷設した参照用光フ
ァイバとを備え、前記変位検知用光ファイバと参照用光ファイバでレーザ
干渉計を形成し、荷重による前記可動部の変位により前
記変位検知用光ファイバに生じる光路長の伸びを光路差
とし、前記可動部が荷重を受ける前の前記レーザ干渉計
の干渉光強度を基準点として前記可動部が荷重を受けた
後の光路差による前記レーザ干渉計の干渉光強度の変化
を前記基準点からの明暗の周期のカウント値と位相値か
ら換算し、この換算値から重量を検知することを特徴と
する重量検知装置。
【請求項２】固定部及び荷重を受けて変位する可動部
を有し、この固定部及び可動部を略平行等長な腕によっ
て弾性連結するとともにこの固定部と可動部との対向部
位にそれぞれの先端が前記可動部の変位方向に上下とな
るように配置された突起部を設け、前記可動部の変位を
荷重位置に拘わらず一方向に規制し、その可動部の突起
部先端を荷重による変位に応じて前記固定部の突起部先
端から離間する方向に撓ませる起歪体と、この起歪体の
固定部の突起部先端と可動部の突起部先端との間にこの
可動部の変位方向と平行に張設した変位検知用光ファイ
バと、この変位検知用光ファイバと略平行にかつ前記可
動部の変位の影響を受けないように敷設した参照用光フ
ァイバと、この参照用光ファイバの途中に駆動制御を受
けてこの参照用光ファイバの光路長を強制的に変化させ
る光路長調整手段とを備え、前記変位検知用光ファイバと参照用光ファイバでレーザ
干渉計を形成し、荷重による前記可動部の変位により前
記変位検知用光ファイバに生じる光路長の伸びと同じだ
け前記光路長調整手段によって前記参照用光ファイバに
光路長の伸びを与えて前記レーザ干渉計の干渉光強度が
一定となるように制御し、このときに前記光路長調整手
段を駆動制御した制御パラメータから前記可動部が荷重
を受けたときの光路長の伸びを換算し、この換算値から
重量を検知することを特徴とする重量検知装置。
【請求項３】固定部及び荷重を受けて変位する可動部
を有し、この固定部及び可動部を略平行等長な腕によっ
て弾性連結するとともにこの固定部と可動部との対向部
位にそれぞれの先端が前記可動部の変位方向に上下とな
るように配置された突起部を設け、前記可動部の変位を
荷重位置に拘わらず一方向に規制し、その可動部の突起
部先端を荷重による変位に応じて前記固定部の突起部先
端から離間する方向に撓ませる起歪体と、この起歪体の
固定部の突起部先端と可動部の突起部先端との間にこの
可動部の変位方向と平行に張設した変位検知用光ファイ
バと、この変位検知用光ファイバと略平行にかつ前記可
動部の変位の影響を受けないように敷設した参照用光フ
ァイバとを備え、前記変位検知用光ファイバと参照用光ファイバでレーザ
干渉計を形成し、このレーザ干渉計の光源として波長が
可変制御できるレーザ光源を使用するとともに前記変位
検知用光ファイバと参照用光ファイバの光路長に所定の
差を設定し、荷重による前記可動部の変位により前記変
位検知用光ファイバに生じる光路長の伸びを光路差と
し、この光路差を補償するように前記レーザ光源の波長
を制御して見掛け上の光路差を無くして前記レーザ干渉
計の干渉光強度が一定となるように制御し、このときに
前記レーザ光源の波長を制御した制御パラメータから前
記可動部が荷重を受けたときの光路長の伸びを換算し、
この換算値から重量を検知することを特徴とする重量検
知装置。
【請求項４】起歪体をセラミック材料で構成したこと
を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１記載の重量検
知装置。
【請求項５】レーザ干渉計は、レーザ光を分割して変
位検知用光ファイバ及び参照用光ファイバの一端にそれ
ぞれ入射させるとともに前記変位検知用光ファイバ及び
参照用光ファイバの他端から出射する光を重ね合せて受
光するマハツェンダ型のレーザ干渉計としたことを特徴
とする請求項１乃至４のいずれか１記載の重量検知装
置。
【請求項６】レーザ干渉計は、レーザ光を分割して変
位検知用光ファイバ及び参照用光ファイバの一端にそれ
ぞれ入射させるとともに前記変位検知用光ファイバ及び
参照用光ファイバの他端から出射する光をそれぞれ反射
ミラーで反射させ、その反射光を前記変位検知用光ファ
イバ及び参照用光ファイバの他端からそれぞれ入射させ
るとともに前記変位検知用光ファイバ及び参照用光ファ
イバの一端から出射する反射光を重ね合せて受光するマ
イケルソン型のレーザ干渉計としたことを特徴とする請
求項１乃至４のいずれか１記載の重量検知装置。
【請求項７】変位検知用光ファイバの他端と反射ミラ
ーとの間及び参照用光ファイバの他端と反射ミラーとの
間に、それぞれ偏向軸を９０°回転させるファラデー回
転素子を配置したことを特徴とする請求項６記載の重量
検知装置。