JP2726860B2 - 光式振動形力センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は光式振動形力センサに関し、更に詳しくは、
干渉光信号を用いた光式振動形力センサに関する。

＜従来の技術＞ 第５図に従来の振動形力センサの一例を示す。図にお
いて、１は複合音叉振動子である。該複合音叉振動子１
の両端にはフレクシャ2,3を介して固定部4,5が設けられ
ている。また、複合音叉振動子１の一端の両側には励振
及び振動検出のための圧電素子6,7が貼り付けられてい
て、これらをアンプ８で接続することにより発振器とし
て構成されている。

このような構成において、測定対象となる力は複合音
叉振動子１の軸方向に印加され、印加される力の大きさ
に応じて複合音叉振動子１の固有振動数が変化する。

すなわち、力の大きさを周波数信号として測定するこ
とができる。

このように構成される振動形力センサは、再現性，分
解能，安定性等が極めて優れているという長所がある。

＜発明が解決しようとする課題＞ しかしながら、信号にノイズが入りやすく、また、S/
N比を上げるためには大きなエネルギーを印加して加振
しなければならないという問題がある。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、
その目的は、小さな駆動エネルギーでノイズの影響を受
けにくく高いS/N比が得られ、速い応答速度が得られる
光式振動形力センサを提供することにある。

＜課題を解決するための手段＞ 上記課題を解決する本発明は、 可干渉性光源と、 該可干渉性光源の出力光を分岐して伝送する少なくと
も２本の光路が形成された光干渉計センサとを具備し、 前記光干渉計センサの少なくとも１本の光路は圧電素
子により振動させられる振動梁の一部に形成され、該振
動梁に加えられる力の変化に応じた共振周波数の変化を
干渉光信号として検出することを特徴とするものであ
る。

＜作用＞ 本発明の光式振動形力センサにおいて、光干渉計セン
サの振動梁に加えられる力の変化に応じて振動梁の一部
に形成された光路の屈折率が変化し、該光路を通る光の
位相が変化する。このように位相が変化した光と位相が
変化しない光とを干渉させて干渉光信号を得る。

そして、該干渉光信号の振幅が最大になるように、す
なわち振動梁が共振するように圧電素子を駆動する。

これにより、従来の振動形力センサと同様に、振動梁
に印加される力を周波数信号として検出できる。

＜実施例＞ 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明す
る。

第１図は本発明で用いる光干渉計センサの一例を示す
構成図であり、（ａ）は平面を、（ｂ）は側面を示して
いる。図において、基板10の上にはシングルモードの光
導波路11が形成されている。該光導波路11の途中部分は
２本に分岐されていて、一方11aは振動梁12として形成
された振動する部分を通り、他方11bは振動しない部分
を通っている。すなわち、該光干渉計センサは、いわゆ
るマッハ・ツェンダ形干渉計として形成されている。な
お、これら光導波路11の途中部分11a,11bの長さは、基
板10に特別な応力が加わっていない状態で両者を通る光
の位相差がπ/2になるように異なっている。振動梁12の
側面には圧電素子13が貼り付けられている。

第２図は本発明の一実施例を示す構成図である。セン
サ14は第１図に示したものであり、一端はケース15の底
部に固着され、他端はケース15を開口面を塞ぐように取
り付けられたダイヤフラム16の中心部分に固着されてい
る。17は可干渉性光源として用いる半導体レーザーであ
り、その出力光は半導体レーザー17の発光強度をモニタ
するためのビームサンプラ18に入射されている。該ビー
ムサンプラ18を透過した光は光ファイバ19を介してセン
サ14の光導波路11の一端に入射され、該ビームサンプラ
18で反射された光はフォトダイオード20に入射されてい
る。センサ14の光導波路11の他端から出射される光は光
ファイバ21を介してフォトダイオード22に入射されてい
る。これらフォトダイオード21,22はそれぞれに入射さ
れる光を電気信号に変換して割算器23に入力される。該
割算器23はこれら入力信号の比をとることによって振幅
を規格化した後、規格化された信号を周波数変調器24に
出力する。該周波数変調器24は、信号の振幅が最大にな
るように、すなわち振動梁12が共振するように圧電素子
13を駆動すると共にその信号を周波数信号として出力す
る。

次に、具体的な動作を説明する。

半導体レーザー17の出力光の一部はビームサンプラ18
によりフォトダイオード20に入射されて半導体レーザー
17自体の発光強度がモニタされ、該フォトダイオード20
の出力信号は割算器23の一方の入力端子に加えられてい
る。半導体レーザー17の出力光の残りの光は光ファイバ
19を介してセンサ14の光導波路11の一端に入射される。
ここで、センサ14の振動梁12は圧電素子13で振動させら
れているが、該振動梁12の固有振動数はその材質，形状
によって一義的に決まるものであって、その周波数で共
振する。ところで、振動梁12の上に形成された光路11a
の屈折率は振動梁12に加えられる力の変化に起因する歪
みに応じて変化し、該光路11aを通る光の位相が変化す
る。このように光路11aを通ることによって位相が変化
した光と光路11bを通ることによって位相が変化しない
光とを干渉させてセンサ14の光導波路11の他端から出射
させ、該干渉光を光ファイバ21を介してフォトダイオー
ド22に入射させる。該フォトダイオード22の出力信号は
割算器23の他方の入力端子に入力される。割算器23は、
半導体レーザー17の出力光の強度のふらつき分を除去す
るために、フォトダイオード22の出力信号をフォトダイ
オード20の出力信号で規格化する。このようにして割算
器23で規格化された信号は周波数変調器24に出力され
る。そして、該周波数変調器24は、フォトダイオード22
の出力信号の振幅が最大になるように、すなわち振動梁
12が共振するように圧電素子13を駆動すると共にその信
号を周波数信号として出力する。

このように構成される光式振動形力センサは、光信号
を検出するので電気パルス等のノイズの影響を受けにく
く、ノイズが小さいことから圧電素子13の駆動エネルギ
ーを従来の振動形力センサよりも小さくでき、応答速度
も速くなる。

なお、光源は、可干渉光が出力されるものであれば半
導体レーザーでなくてもよい。

また、光干渉センサは、第３図に示すように端面に反
射膜25が形成されたマイケルソン干渉計でもよい。この
ような構成によれば、センサと光ファイバの結合は１か
所になると共に、感度は２倍になる。

また、光源として用いる半導体レーザーの出力光強度
が十分安定していればモニタ用のフォトダイオードは不
要になる。

また、センサの形状は第１図や第３図に制限されるも
のではなく、加えられる力の大きさに応じて固有振動数
が変化する振動梁の一部に形成された光路と振動梁以外
の振動しない部分に形成された光路があればよい。

例えば第４図に示すように、ダイアフラム26の一部に
振動梁27を直接形成してもよく、力の検出方法は制限し
ない。

また、光路の数は３本以上であってもよく、振動梁の
一部に形成される光路は２本以上であってもよい。

＜発明の効果＞ 以上詳細に説明したように、本発明によれば、小さな
駆動エネルギーでノイズの影響を受けにくく高いS/N比
が得られ、速い応答速度が得られる光式振動形力センサ
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明で用いる光干渉計センサの一例を示す構
成図、 第２図は本発明の一実施例を示す構成図、 第３図及び第４図は本発明で用いる光干渉計センサの他
の例を示す構成図、 第５図は従来の振動形力センサの一例を示す外観図であ
る。 11……光導波路、12,27……振動梁 13……圧電素子、14……光干渉計センサ 15……ケース 16,26……ダイアフラム 17……半導体レーザー（可干渉光源） 19,21……光ファイバ 20,22……フォトダイオード 23……割算器、24……周波数変調器 25……反射膜

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】可干渉性光源と、 該可干渉性光源の出力光を分岐して伝送する少なくとも
   ２本の光路が形成された光干渉計センサとを具備し、 前記光干渉計センサの少なくとも１本の光路は圧電素子
   により振動させられる振動梁の一部に形成され、該振動
   梁に加えられる力の変化に応じた共振周波数の変化を干
   渉光信号として検出することを特徴とする光式振動形力
   センサ。