JP2002162213A - 片持ち梁変形量検出センサー - Google Patents
片持ち梁変形量検出センサーInfo
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- JP2002162213A JP2002162213A JP2000360452A JP2000360452A JP2002162213A JP 2002162213 A JP2002162213 A JP 2002162213A JP 2000360452 A JP2000360452 A JP 2000360452A JP 2000360452 A JP2000360452 A JP 2000360452A JP 2002162213 A JP2002162213 A JP 2002162213A
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】光を片持ち梁に照射し反射光量を測定し、応力
・圧力・加速度等の外力による片持ち梁変形量を検出す
る片持ち梁変形量検出センサーを提供する。 【解決手段】発光素子・受光素子間を光学的に隔離する
隔離壁を設け、外力が無い状態での片持ち梁光反射位置
と光入射・出射窓との間隔を、光入射・出射窓より光反
射物体までの距離に対する受光部出力関数における受光
部出力が立ち上がる距離と受光部出力極大となる距離と
の間の値に設定する。さらに、受光部内に受光素子を片
持ち梁軸方向に２ヶ配置し、自由端側に設けた第一受光
素子にて片持ち梁変形に伴う光量変化を含む光量を検出
し、固定端側に設けた第二受光素子にて片持ち梁変形に
伴う光量変化を含まない光量を検出する。
・圧力・加速度等の外力による片持ち梁変形量を検出す
る片持ち梁変形量検出センサーを提供する。 【解決手段】発光素子・受光素子間を光学的に隔離する
隔離壁を設け、外力が無い状態での片持ち梁光反射位置
と光入射・出射窓との間隔を、光入射・出射窓より光反
射物体までの距離に対する受光部出力関数における受光
部出力が立ち上がる距離と受光部出力極大となる距離と
の間の値に設定する。さらに、受光部内に受光素子を片
持ち梁軸方向に２ヶ配置し、自由端側に設けた第一受光
素子にて片持ち梁変形に伴う光量変化を含む光量を検出
し、固定端側に設けた第二受光素子にて片持ち梁変形に
伴う光量変化を含まない光量を検出する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光を片持ち梁に照
射し反射光量を測定し、応力・圧力・加速度等の外力に
よる片持ち梁変形量を検出する片持ち梁変形量検出セン
サーに関するものである。
射し反射光量を測定し、応力・圧力・加速度等の外力に
よる片持ち梁変形量を検出する片持ち梁変形量検出セン
サーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来の光を片持ち梁に照射し反射光量を
測定し、応力・圧力・加速度等の外力による片持ち梁変
形量を検出する片持ち梁変形量検出センサーは、米国特
許ＵＳ５６８９１０７，ＵＳ３７８９６７４に記されて
いる様に、片持ち梁軸方向に自由端側より、第一受光素
子・発光素子・第二受光素子を配列し、発光素子から出
射した光を片持ち梁で反射させ、第一受光素子・第二受
光素子で反射光量を検出するという構成である。
測定し、応力・圧力・加速度等の外力による片持ち梁変
形量を検出する片持ち梁変形量検出センサーは、米国特
許ＵＳ５６８９１０７，ＵＳ３７８９６７４に記されて
いる様に、片持ち梁軸方向に自由端側より、第一受光素
子・発光素子・第二受光素子を配列し、発光素子から出
射した光を片持ち梁で反射させ、第一受光素子・第二受
光素子で反射光量を検出するという構成である。
【０００３】片持ち梁の変形時の軸方向となす角即ち反
射角度が２点の反射地点で同一であり、且つ、反射光量
が反射地点と発光素子・受光素子との間隔に対し一定で
あること、さらには、発光素子より直接受光素子に至る
光が無いという３条件が成立する場合、図５に示すの第
一受光素子出力I1'、第二受光素子出力I2'は、下式の通
りとなる。
射角度が２点の反射地点で同一であり、且つ、反射光量
が反射地点と発光素子・受光素子との間隔に対し一定で
あること、さらには、発光素子より直接受光素子に至る
光が無いという３条件が成立する場合、図５に示すの第
一受光素子出力I1'、第二受光素子出力I2'は、下式の通
りとなる。
【０００４】 I1'＝k’×I0'×（1-α'×Δａ） （１）式 I2'＝k’×I0'×（1+α'×Δａ） （２）式 ここでI0'は、発光素子発光光量であり、k’は反射係数
であるので、k’×I0'は、片持ち梁の変形無し時の第一
・第二受光素子出力を意味する。また、Δａは、片持ち
梁変形量であり、α'は、片持ち梁変形量を光量変化に
変換する係数を意味する。
であるので、k’×I0'は、片持ち梁の変形無し時の第一
・第二受光素子出力を意味する。また、Δａは、片持ち
梁変形量であり、α'は、片持ち梁変形量を光量変化に
変換する係数を意味する。
【０００５】第一受光素子出力I1'、第二受光素子出力I
2'より、発光素子発光光量I0'によらない Δａ＝（I2'−I1'）/（α'×（I2'＋I1'）） （３）式 が導かれ、従来技術は、これをセンサー出力とするもの
である。
2'より、発光素子発光光量I0'によらない Δａ＝（I2'−I1'）/（α'×（I2'＋I1'）） （３）式 が導かれ、従来技術は、これをセンサー出力とするもの
である。
【０００６】片持ち梁の変形時の軸方向となす角即ち反
射角度が２点の反射地点で同一という条件満足のため、
例えばＵＳ３７８９６７４では、片持ち梁自由端側に重
りを付加し、剛性大のため変形を生じず軸方向となす角
一定となる重り部で反射させる機構としている。
射角度が２点の反射地点で同一という条件満足のため、
例えばＵＳ３７８９６７４では、片持ち梁自由端側に重
りを付加し、剛性大のため変形を生じず軸方向となす角
一定となる重り部で反射させる機構としている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】図６に示す様に、発光
素子・受光素子上に反射物体を設置した際の受光素子出
力と反射物体までの距離との関係は、距離ｄ２’で極大
値を取る関数となる。また、発光素子・受光素子を単純
に配列しているため、この関数には、発光素子から直接
受光素子に至る光がバイアス成分IBとして含まれてい
る。
素子・受光素子上に反射物体を設置した際の受光素子出
力と反射物体までの距離との関係は、距離ｄ２’で極大
値を取る関数となる。また、発光素子・受光素子を単純
に配列しているため、この関数には、発光素子から直接
受光素子に至る光がバイアス成分IBとして含まれてい
る。
【０００８】図５に示した様に、片持ち梁変形時の反射
地点までの距離は、第一受光素子に至る光においてΔｄ
１’、第二受光素子に至る光においてΔｄ２’それぞれ
短くなる。前項で述べた反射光量が反射地点と発光素子
・受光素子との間隔に対し一定であることを満足させる
ため、従来技術では、外力が無い状態での片持ち梁反射
地点と発光素子・受光素子との間隔Ｄ’を図６の距離ｄ
２’より大きな値に設定していた。
地点までの距離は、第一受光素子に至る光においてΔｄ
１’、第二受光素子に至る光においてΔｄ２’それぞれ
短くなる。前項で述べた反射光量が反射地点と発光素子
・受光素子との間隔に対し一定であることを満足させる
ため、従来技術では、外力が無い状態での片持ち梁反射
地点と発光素子・受光素子との間隔Ｄ’を図６の距離ｄ
２’より大きな値に設定していた。
【０００９】よって、従来技術では、片持ち梁変形時に
発生する反射地点までの距離変化と、軸方向となす角の
角度変化において、軸方向となす角の角度変化に起因す
る光量変化のみを検出するため、結果として、検出信号
量が小のため感度が低いという問題点があった。
発生する反射地点までの距離変化と、軸方向となす角の
角度変化において、軸方向となす角の角度変化に起因す
る光量変化のみを検出するため、結果として、検出信号
量が小のため感度が低いという問題点があった。
【００１０】さらに、発光素子から直接受光素子に至る
光によるバイアス成分IBにより、 I1'＋I2'＝２k’×I0'＋２IB （４）式 となり、第一受光素子出力I1'、第二受光素子出力I2'の
和と差の比であるセンサー出力（３）式が片持ち梁変形
量を正確に示さないという問題点もあった。
光によるバイアス成分IBにより、 I1'＋I2'＝２k’×I0'＋２IB （４）式 となり、第一受光素子出力I1'、第二受光素子出力I2'の
和と差の比であるセンサー出力（３）式が片持ち梁変形
量を正確に示さないという問題点もあった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】光出射窓と発光素子を含
む発光部と光入射窓と受光素子を含む受光部と発光素子
・受光素子間を光学的に隔離する隔離壁を設け、光出射
窓を片持ち梁固定端側に配置し、外力が無い状態での片
持ち梁光反射位置と光入射・出射窓との間隔を、光入射
・出射窓より光反射物体までの距離に対する受光部出力
関数における受光部出力が立ち上がる距離と受光部出力
極大となる距離との間の値に設定する。
む発光部と光入射窓と受光素子を含む受光部と発光素子
・受光素子間を光学的に隔離する隔離壁を設け、光出射
窓を片持ち梁固定端側に配置し、外力が無い状態での片
持ち梁光反射位置と光入射・出射窓との間隔を、光入射
・出射窓より光反射物体までの距離に対する受光部出力
関数における受光部出力が立ち上がる距離と受光部出力
極大となる距離との間の値に設定する。
【００１２】さらに、受光部内に受光素子を片持ち梁軸
方向に２ヶ配置し、光出射窓より出射された光を片持ち
梁自由端と固定端区間内で反射させ、自由端側に設けた
第一受光素子にて片持ち梁変形に伴う光量変化を含む光
量を検出し、光出射窓より出射された光を片持ち梁自由
端と固定端区間外で反射させ、固定端側に設けた第二受
光素子にて片持ち梁変形に伴う光量変化を含まない光量
を検出する。
方向に２ヶ配置し、光出射窓より出射された光を片持ち
梁自由端と固定端区間内で反射させ、自由端側に設けた
第一受光素子にて片持ち梁変形に伴う光量変化を含む光
量を検出し、光出射窓より出射された光を片持ち梁自由
端と固定端区間外で反射させ、固定端側に設けた第二受
光素子にて片持ち梁変形に伴う光量変化を含まない光量
を検出する。
【００１３】
【発明の実施の形態】図１に本発明実施例を示す。プリ
ント基板等の基板上に発光ダイオード等発光素子と、フ
ォトダイオード等受光素子と、発光素子・受光素子間を
光学的に隔離する隔離壁を配列する。この配列により発
光素子・受光素子上部には、それぞれ光出射窓・光入射
窓が形成される。
ント基板等の基板上に発光ダイオード等発光素子と、フ
ォトダイオード等受光素子と、発光素子・受光素子間を
光学的に隔離する隔離壁を配列する。この配列により発
光素子・受光素子上部には、それぞれ光出射窓・光入射
窓が形成される。
【００１４】図３に示す様に、光入射・出射窓上に反射
物体を設置した際の受光素子出力と反射物体までの距離
との関係は、距離ｄ１で立上がり、距離ｄ２で極大値を
取る関数となる。距離変化Δｄに対する受光素子出力変
化は、距離ｄ１と距離ｄ２との間の時の受光素子出力Δ
Ｖ1と、距離ｄ２以上の時の受光素子出力ΔＶ２とを比
較すると、距離ｄ１と距離ｄ２との間の方が変化大とな
る。よって、外力が無い状態での片持ち梁光反射位置と
光入射・出射窓との間隔Ｄを、距離ｄ１と距離ｄ２との
間となる様に片持ち梁支え部高さを定めると、反射地点
までの距離変化Δｄに起因する光量変化も大きな値とし
て検出される。片持ち梁固定端側に光出射窓を配置する
と、片持ち梁変形時の反射地点までの距離変化Δｄに起
因する光量変化と片持ち梁変形時の軸方向となす角の角
度変化に起因する光量変化とは同一符号となり、これら
の和が検出される。
物体を設置した際の受光素子出力と反射物体までの距離
との関係は、距離ｄ１で立上がり、距離ｄ２で極大値を
取る関数となる。距離変化Δｄに対する受光素子出力変
化は、距離ｄ１と距離ｄ２との間の時の受光素子出力Δ
Ｖ1と、距離ｄ２以上の時の受光素子出力ΔＶ２とを比
較すると、距離ｄ１と距離ｄ２との間の方が変化大とな
る。よって、外力が無い状態での片持ち梁光反射位置と
光入射・出射窓との間隔Ｄを、距離ｄ１と距離ｄ２との
間となる様に片持ち梁支え部高さを定めると、反射地点
までの距離変化Δｄに起因する光量変化も大きな値とし
て検出される。片持ち梁固定端側に光出射窓を配置する
と、片持ち梁変形時の反射地点までの距離変化Δｄに起
因する光量変化と片持ち梁変形時の軸方向となす角の角
度変化に起因する光量変化とは同一符号となり、これら
の和が検出される。
【００１５】尚、距離ｄ１、ｄ２は、発光素子と隔離壁
との間隔、隔離壁厚、隔離壁高さ等で定まる値である。
また、片持ち梁自由端側に重りを付加し、外力による片
持ち梁変形量を増加させてもよい。また、発光素子、受
光素子、隔離壁を耐湿特性向上のため、透明エポキシ樹
脂等で封止してもよい。
との間隔、隔離壁厚、隔離壁高さ等で定まる値である。
また、片持ち梁自由端側に重りを付加し、外力による片
持ち梁変形量を増加させてもよい。また、発光素子、受
光素子、隔離壁を耐湿特性向上のため、透明エポキシ樹
脂等で封止してもよい。
【００１６】さらに、図２に示す様に、受光部内に受光
素子を片持ち梁軸方向に２ヶ配置し、光出射窓より出射
された光を片持ち梁自由端と固定端との区間内で反射さ
せ、自由端側に設けた第一受光素子にて片持ち梁変形に
伴う光量変化を含む光量を検出し、光出射窓より出射さ
れた光を片持ち梁自由端と固定端との区間外で反射さ
せ、固定端側に設けた第二受光素子にて片持ち梁変形に
伴う光量変化を含まない光量を検出させると、第一受光
素子出力I1、第二受光素子出力I2は、以下の通りとな
る。
素子を片持ち梁軸方向に２ヶ配置し、光出射窓より出射
された光を片持ち梁自由端と固定端との区間内で反射さ
せ、自由端側に設けた第一受光素子にて片持ち梁変形に
伴う光量変化を含む光量を検出し、光出射窓より出射さ
れた光を片持ち梁自由端と固定端との区間外で反射さ
せ、固定端側に設けた第二受光素子にて片持ち梁変形に
伴う光量変化を含まない光量を検出させると、第一受光
素子出力I1、第二受光素子出力I2は、以下の通りとな
る。
【００１７】 I1＝k1×I0×（1-α×Δａ） （５）式 I2＝k2×I0 （６）式 ここでI0は、発光素子発光光量であり、k1、k2は、それ
ぞれの反射地点での反射係数を表す。よって、k1×I0
は、片持ち梁の変形無し時の第一受光素子出力を意味し
する。また、Δａは、片持ち梁変形量であり、αは、片
持ち梁変形量を光量変化に変換する係数を意味する。第
一受光素子出力I1及び第二受光素子出力I2には、発光素
子・受光素子間を隔離壁で遮蔽するため、発光素子から
直接受光素子に至る光によるバイアス成分は、含まれな
い。あらかじめ片持ち梁変形無い状態での第一受光素子
出力と第二受光素子出力の比Ｃ＝k1/k2を測定しておく
と、第一受光素子出力I1、第二受光素子出力I2より、発
光素子発光光量I0に依存しない、 Δａ＝（Ｃ×I2−I1）/（α×Ｃ×I2） （７）式 が導かれ、これをセンサー出力とすると、片持ち梁変形
量が出力される。
ぞれの反射地点での反射係数を表す。よって、k1×I0
は、片持ち梁の変形無し時の第一受光素子出力を意味し
する。また、Δａは、片持ち梁変形量であり、αは、片
持ち梁変形量を光量変化に変換する係数を意味する。第
一受光素子出力I1及び第二受光素子出力I2には、発光素
子・受光素子間を隔離壁で遮蔽するため、発光素子から
直接受光素子に至る光によるバイアス成分は、含まれな
い。あらかじめ片持ち梁変形無い状態での第一受光素子
出力と第二受光素子出力の比Ｃ＝k1/k2を測定しておく
と、第一受光素子出力I1、第二受光素子出力I2より、発
光素子発光光量I0に依存しない、 Δａ＝（Ｃ×I2−I1）/（α×Ｃ×I2） （７）式 が導かれ、これをセンサー出力とすると、片持ち梁変形
量が出力される。
【００１８】尚、図２に示す様に、均一形状片持ち梁に
例えば厚薄い帯を軸方向と垂直方向に設置すると、帯の
端面が固定端と見なせる。このように固定端位置は、自
由に設定できる。
例えば厚薄い帯を軸方向と垂直方向に設置すると、帯の
端面が固定端と見なせる。このように固定端位置は、自
由に設定できる。
【００１９】さらに、プレス成形等により、片持ち梁を
周囲に保持部を有する様に角板又は円板の内部に形成
し、一方、片持ち梁支え部を光出射窓・光入射窓周囲に
隔離壁と同一高さで基板上に形成し、両者を距離ｄ１と
距離ｄ２との間の値を厚みとするスペーサーを介して保
持してもよい。図４に四角板の内部に、周囲を保持部と
する様に貫通溝を設けて形成した片持ち梁の例を示す。
図４の例にても、均一形状片持ち梁に厚薄い帯を設置
し、固定端位置を移動した構成としている。
周囲に保持部を有する様に角板又は円板の内部に形成
し、一方、片持ち梁支え部を光出射窓・光入射窓周囲に
隔離壁と同一高さで基板上に形成し、両者を距離ｄ１と
距離ｄ２との間の値を厚みとするスペーサーを介して保
持してもよい。図４に四角板の内部に、周囲を保持部と
する様に貫通溝を設けて形成した片持ち梁の例を示す。
図４の例にても、均一形状片持ち梁に厚薄い帯を設置
し、固定端位置を移動した構成としている。
【００２０】さらに、一端を発光素子と結合した光ファ
イバー、一端を受光素子と結合した光ファイバーを用い
ると、光ファイバーコア部以外の領域が光を伝搬しない
隔離壁機構を光ファイバー自体が有しているため、各光
ファイバー他端面が光出射窓・光入射窓となる。
イバー、一端を受光素子と結合した光ファイバーを用い
ると、光ファイバーコア部以外の領域が光を伝搬しない
隔離壁機構を光ファイバー自体が有しているため、各光
ファイバー他端面が光出射窓・光入射窓となる。
【００２１】
【発明の効果】本発明により、片持ち梁変形時の反射地
点までの距離変化に起因する光量変化と片持ち梁変形時
の軸方向となす角の角度変化に起因する光量変化の和が
検出され、検出信号量が増大し、感度が向上する。
点までの距離変化に起因する光量変化と片持ち梁変形時
の軸方向となす角の角度変化に起因する光量変化の和が
検出され、検出信号量が増大し、感度が向上する。
【００２２】また、第一受光素子出力及び第二受光素子
出力には、発光素子・受光素子間を隔離壁で遮蔽するた
め、発光素子から直接受光素子に至る光によるバイアス
成分は、含まれない。よって、第一受光素子出力、第二
受光素子出力の差と第二受光素子出力の比であるセンサ
ー出力が片持ち梁変形量を正確に示す。
出力には、発光素子・受光素子間を隔離壁で遮蔽するた
め、発光素子から直接受光素子に至る光によるバイアス
成分は、含まれない。よって、第一受光素子出力、第二
受光素子出力の差と第二受光素子出力の比であるセンサ
ー出力が片持ち梁変形量を正確に示す。
【図１】発光素子・受光素子・隔離壁を配置した本発明
の概念図を示したものである。
の概念図を示したものである。
【図２】発光素子・受光素子２ヶ・隔離壁を配置した本
発明の概念図を示したものである。
発明の概念図を示したものである。
【図３】四角板内部に形成した片持ち梁の保持例の斜視
図である。
図である。
【図４】光入射・出射窓上に反射物体を設置した際の受
光素子出力と反射物体までの距離との関係のグラフであ
る。
光素子出力と反射物体までの距離との関係のグラフであ
る。
【図５】従来技術の概念図を示したものである。
【図６】発光素子・受光素子上に反射物体を設置した際
の受光素子出力と反射物体までの距離との関係のグラフ
である。
の受光素子出力と反射物体までの距離との関係のグラフ
である。
１ 発光素子 ２ 受光素子 ３ 隔離壁 ４ 基板 ５ 片持ち梁支え部 ６ 片持ち梁 ７ 光出射窓 ８ 光入射窓 ９ 発光素子出射光で反射され受光素子に至る光 １０ 片持ち梁変形時表面 １１ 片持ち梁固定端 １２ 片持ち梁自由端 １３ 第一受光素子 １４ 第二受光素子 １５ スペーサー １６ 重り
Claims (4)
- 【請求項１】 光を片持ち梁に照射し反射光量を測定
し、片持ち梁の外力による変形量を検出する片持ち梁変
形量検出センサーにおいて、光出射窓と発光素子を含む
発光部と、光入射窓と受光素子を含む受光部と、発光素
子・受光素子間を光学的に隔離する隔離壁を設け、光出
射窓を片持ち梁固定端側に配置し、外力が無い状態での
片持ち梁光反射位置と光入射・出射窓との間隔を、光入
射・出射窓より光反射物体までの距離に対する受光部出
力関数における受光部出力が立ち上がる距離と受光部出
力極大となる距離との間の値に設定したことを特徴とす
る片持ち梁変形量検出センサー。 - 【請求項２】受光部内に受光素子を片持ち梁軸方向に２
ヶ配置し、光出射窓より出射された光を片持ち梁自由端
と固定端との区間内で反射させ、自由端側に設けた第一
受光素子にて片持ち梁変形に伴う光量変化を含む光量を
検出し、さらに、光出射窓より出射された光を片持ち梁
自由端と固定端との区間外で反射させ、固定端側に設け
た第二受光素子にて片持ち梁変形に伴う光量変化を含ま
ない光量を検出することを特徴とする請求項１の片持ち
梁変形量検出センサー。 - 【請求項３】片持ち梁を角板又は円板の内部に貫通溝を
設けて形成し、光入射・出射窓周囲に片持ち梁支え部を
設け、片持ち梁をスペーサーを介して保持する構成とし
たことを特徴とする請求項２の片持ち梁変形量検出セン
サー。 - 【請求項４】一端を発光素子と結合し他端面を光出射窓
とした光ファイバーで発光部を形成し、一端を受光素子
と結合し他端面を光入射窓とした光ファイバーで受光部
を形成したことを特徴とする請求項１の片持ち梁変形量
検出センサー。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000360452A JP2002162213A (ja) | 2000-11-28 | 2000-11-28 | 片持ち梁変形量検出センサー |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000360452A JP2002162213A (ja) | 2000-11-28 | 2000-11-28 | 片持ち梁変形量検出センサー |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002162213A true JP2002162213A (ja) | 2002-06-07 |
Family
ID=18832049
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000360452A Pending JP2002162213A (ja) | 2000-11-28 | 2000-11-28 | 片持ち梁変形量検出センサー |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002162213A (ja) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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