JP3081253B2 - 光学検出器 - Google Patents

光学検出器

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JP3081253B2 JP02408274A JP40827490A JP3081253B2 JP 3081253 B2 JP3081253 B2 JP 3081253B2 JP 02408274 A JP02408274 A JP 02408274A JP 40827490 A JP40827490 A JP 40827490A JP 3081253 B2 JP3081253 B2 JP 3081253B2
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    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0001Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means
    • G01L9/0008Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations
    • G01L9/0019Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations of a semiconductive element
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  • Glass Compositions (AREA)
  • Polysaccharides And Polysaccharide Derivatives (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光学検出器に関する。
排除的ではなく、より詳細には、本発明は、光学検出器
であって、振動の周波数が、例えば圧力等の光学検出器
によって検出されるパラメータにより変化する共鳴振動
要素を有するソリッドステートセンサーを備えている型
の光学検出器に関する。
【0002】
【従来の技術】この一般的な型のセンサーは、我々の英
国特許出願第8919573号及び第8921939号、及び1989年5
月30日に出願された米国特許出願第358,771号{バース
等(Barthet al)}に記載されている。
【0003】この型のセンサーにあっては、振動要素の
振動の周波数が、前記振動に関して調整をして光ファイ
バーを経てセンサーに伝送される光線を変調することに
より、光学的に検出される又は検出できる。これは、典
型的には、一方の壁が静止している(即ち、振動しな
い)ファブリー・ペロー キャビティ(Fabry-Perot cavi
ty)のもう一方の壁を形成するように振動要素を配置す
ることにより行われる。斯くして、前記光ファイバーの
端と振動要素との間、又は振動要素とセンサーの他の比
較的静止した部分、例えば前記振動要素を支持する圧力
検出ダイヤフラムとの間にキャビティが形成される。こ
のキャビティは、光線の進路に配置され、光線の多様な
反射を生じさせ、この反射は加算されると振動要素の振
動の周波数の変調を示す。非常に小さな振幅(<10nm)の
振動が、この技術を用いて検出できることを示すことが
できる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】この技術を用いて振動
要素の振動を検出するセンサーでは、キャビティ壁の反
射能がやや低いのが典型的である。そのため、最高感度
を達成するには、キャビティの基本巾即ち平均巾(即
ち、振動要素が静止している状態でのキャビティの巾)
が、キャビティにおける反射間の位相差が約90°になる
ように振動を検出するために使用する光の波長に関連し
て選択される。しかしながら、キャビティの巾は、セン
サーの製作中に所望の値に正確に設定することが困難で
あり、センサーの使用中に温度等のパラメータにより感
度が許容できないほど低くなる程度まで大きく変化する
ことがある。本発明の目的は、この問題を緩和すること
である。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、光学検
出器であって、振動の周波数が、前記検出器によって検
出されるパラメータにより変化する共鳴振動要素を有す
るセンサーと、
【0006】前記振動要素とともに、前記振動要素の振
動により巾が変化するキャビティを形成する手段と、
【0007】光線を、前記キャビティ内で反射させるた
めに、光線を前記キャビティ内に送り、それにより前記
振動の周波数において光線の変調を生じさせる手段と、
変調された光線を検出する検出手段とを、備えている光
学検出器において、
【0008】前記検出手段が、第1及び第2の波長の光
を検出するように配置され、前記第1及び第2の波長の
光が、第1の波長に関する反射間の位相差が、第2の波
長に関する反射間の位相差と、0゜とも180゜ともかなり
差異のある量だけ異なるように選択されることを特徴と
し、前記量が約90°であることが好ましい光学検出器が
提供される。
【0009】前記光線を送る手段は、光ファイバーを備
えていることが好都合であり、この場合前記キャビティ
は、前記ファイバーの端と前記振動要素との間に形成さ
れることが好ましい。
【0010】本発明の好ましい実施態様にあっては、光
学検出器は、広帯域光信号を前記光ファイバーに送るた
めの、例えば発光ダイオードのような、広帯域光ソース
と、前記キャビティから前記ファイバーに沿って反射し
て戻る光を受け、該光から前記第1及び第2の波長を選
択する波長分割マルチプレクサーとを、含んでいる。こ
の場合、前記検出手段は、波長分割マルチプレクサーか
らの第1及び第2の波長の光をそれぞれ受ける第1及び
第2の光電装置と、前記光電装置により生成されたそれ
ぞれのアウトプット信号を微分するための第1及び第2
の微分回路と、前記第1及び第2の微分回路により生成
されたそれぞれのアウトプット信号に前記第2及び第1
の光電装置により生成されたそれぞれのアウトプット信
号を乗算する第1及び第2の乗算回路と、前記乗算回路
のアウトプット信号を加算する加算回路と、前記加算回
路のアウトプット信号を積分して前記センサーの振動要
素の振動の周波数において変調された検出器アウトプッ
ト信号を生成する積分回路とを備えていることが好まし
い。以下、本発明を、単なる例示として、添付図面を参
照しながら説明する。
【0011】
【実施例】図1及び図3のセンサーが、全体を10で示
され、前記センサーは、前記英国及び米国特許出願に記
載のセンサーと同様の一般的な型のものである。そのた
め、センサー10は、共鳴振動可能な要素を有するシリ
コン基板12を備えており、前記要素は、微細機械加工
(micromachining)によりシリコン基板に形成された狭く
細長いビーム14の形態である。ビーム14は、ダイヤ
フラム16に支持され、ビームの張力がダイヤフラムに
かかる圧力で変化するようになっており、更にこのビー
ムは、前記特許出願に記載のように、光ファイバー18
を経てセンサー10の適切な領域に当てられるパルス光
信号により光学的に励起されて共鳴振動する。よって、
ビーム14の振動の周波数は、ダイヤフラム16にかか
る圧力の関数である。
【0012】ビーム14の振動の周波数は、光ファイバ
ー18の端22と、該端にすぐ近接したセンサー10の
振動領域24(この領域は、図1及び図3に簡明にする
ためビーム14の部分として示されている)との間に形
成された空隙、即ちギャップ20をファブリー・ペロー
キャビティとして用い光学的に検出される。キャビテ
ィ20の巾がd、センサー10の前記領域24の反射能
が非常に低い(例えば、4%台)と仮定すると、ファイバ
ー18に沿って反射し返される光の強さIは、
【0013】I=1+cosφ (1) で近似され、ここでφは φ=2πnd/λ (2)
【0014】で与えられる反射間の位相のシフトであ
る。図2は、光の波長であるλに関してのIの変化を示
しており、前記変化に対する最高感度が、φ=90°にな
るようなd及びλの値により、即ち曲線の勾配が最大で
(しかもほぼ直線で)ある場合に達成されることがわか
る。しかしながら、先に説明したように、dは使用に際
し、例えば温度変化により著しく変化することがあり、
dにおけるこれらの変化が、感度を許容できない低い値
(即ち、φがほぼ0°又は180°の場合)に低減させる
ことがある。この問題は、図3の検出器により克服され
る。
【0015】図3の検出器においては、典型的には50
nmの波長分布の半値全幅(FWHM)型の発光ダイオード(LE
D)30からの広帯域光が、光学継手32の一方の口31
を経てセンサー10から遠く離れたファイバー18の端
に送られ、ファイバー18に沿って反射して戻る光は、
波長分割マルチプレクサー(WDM)36のインプットに連
結された光学継手のもう一方の口34を経て光学継手か
ら出て行く。波長分割マルチプレクサー36は、グレー
デッド・インデックス ロッドレンズ(graded-index rod
lens)及びガラスウェッジ格子組立体(glass wedge gra
ting assenbly)を用いてそのインプットに入射する広帯
域光を分散させており、さらに波長分割マルチプレクサ
ーは、光を
【0016】 となるように選択された波長λ及びλ+Δλで伝送する
二つのアウトプット38、40を有している。
【0017】波長分割マルチプレクサー36のアウトプ
ット38、40は、それぞれ光ファイバー42、44を
介して、それぞれフォトダイオード46、48に接続さ
れており、それらフォトダイオードのアウトプットは、
それぞれの直流成分(DC components)除去の後、 及び に対応して変化する。しかしながら、(90°の位相差に
より) であるため、フォトダイオード46、48のアウトプッ
トは、実際上それぞれcosφλ及びsinφλに対応して変
化する。
【0018】よって、フォトダイオード46、48のア
ウトプット信号は、図4に示すように、それらアウトプ
ット信号をそれぞれ微分回路50、52に送ることによ
り処理することができ、微分回路のそれぞれのアウトプ
ット信号 及び は、それぞれ乗算器(multiplier)54、56に送られ
て、それぞれフォトダイオード48、46のアウトプッ
ト信号を交差乗算され(cross multiplied)、それぞれア
ウトプット信号 及び を成す。乗算器54、56のそれぞれのアウトプット信
号は、加算回路(summingcircuit)58で加算され、斯く
してアウトプット信号dφ/dtを生成し、このアウトプッ
ト信号は、積分回路(integration circuit)60で積分
された後、φに比例した総合アウトプット信号(overall
output signal)を生じさせる。このほぼ固定された位
相差のアウトプット信号は、勿論センサー10の振動領
域24の共鳴周波数において変調される。
【0019】本発明の光学検出器は、多くの利点を有し
ている。特に、複素電流(complex current)及び温度安
定回路部品(temperature stabilisation circuitry)を
有するレーザーダイオードを使用する必要がない。その
代わりに使用されている単一発光ダイオード(single LE
D)は、比較的廉価であり、この発光ダイオードのコヒー
レンス長(coherence length)が小さく、レーザー及びマ
ルチモードファイバーの使用につきもののモーダルノイ
ズの問題が回避でき、典型的なレーザーの場合の85℃と
比較して、120℃までという、より高温における作動が
可能である。上述の本発明の実施態様に幾つかの変更を
加えることができる。特に、図4の回路部品を、フォト
ダイオード46、48によって生成されたそれぞれのア
ウトプットを受信して2乗するため接続された第1及び
第2の2乗回路(squaring circuits)と、該2乗回路の
それぞれのアウトプットを受信して加算するため接続さ
れた加算回路と、電圧制御発振器(VCO)のアウトプット
を加算回路からのアウトプット信号に位相同期する(pha
se lock)ように配置されたフェーズロックループ回路と
を備えている回路に置き換えることができる。この場
合、電圧制御発振器のアウトプットは、センサー10の
振動領域24の振動の周波数の2倍において変調され、
2で周波数分割した後、発光ダイオード30を駆動する
のに用いることができる。そのほか、電子信号処理をデ
ジタル式で行うことができる。最終的には、発光ダイオ
ード30は、波長分割マルチプレクサー36により選択
されたそれぞれの波長で作動する二つのレーザーダイオ
ードで置き換えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による光学検出器の部分を構成する微細
機械加工されたシリコン圧力センサーの部分を非常に模
式的に示す図である。
【図2】図1のセンサーについての波長による反射光信
号の強度の変化を示す図である。
【図3】本発明による光学検出器における、センサーへ
の及びセンサーからの光信号進路を示す図である。
【図4】図3の光学検出器に用いる電子信号処理回路を
示す図である。
【符合の説明】
10…センサー 12…シリコン基板 14…ビーム 16…ダイヤフラム 18…光ファイバー 20…キャビティ 30…発光ダイオード 36…波長分割マルチプレクサー 46、48…フォトダイオード 50、52…微分回路 54、56…乗算器 58…加算回路 60…積分回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01L 9/00 G01L 11/00 G01B 11/00 G02B 6/42

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光学検出器であって、 振動の周波数が、前記検出器によって検出されるパラメ
    ータにより変化する共鳴振動要素を有するセンサーと、 前記振動要素とともに、前記振動要素の振動により巾が
    変化するキャビティを形成する手段と、 光線を、前記キャビティ内で反射させるために、光線を
    前記キャビティ内に送り、それにより前記振動の周波数
    において光線の変調を生じさせる手段と、 変調された光線を検出する検出手段とを、備えている光
    学検出器において、 前記検出手段が、第1及び第2の波長の光を検出するよ
    うに配置され、前記第1及び第2の波長の光が、第1の
    波長に関する反射間の位相差が、第2の波長に関する反
    射間の位相差と、0゜とも180゜ともかなり差異のある量
    だけ異なるように選択されることを特徴とする光学検出
    器。
  2. 【請求項2】 前記量が約90°であることを特徴とする
    請求項1記載の光学検出器。
  3. 【請求項3】 前記光線を送る手段が、光ファイバーを
    備えており、前記キャビティが、前記ファイバーの端と
    前記振動要素との間に形成されることを特徴とする請求
    項1又は2の何れかに記載の光学検出器。
  4. 【請求項4】 広帯域光信号を前記光ファイバーに送る
    広帯域光ソースと、前記キャビティから前記ファイバー
    に沿って反射して戻る光を受け、該光から前記第1及び
    第2の波長を選択する波長分割マルチプレクサーとを、
    更に備えていることを特徴とする請求項1乃至3の何れ
    かに記載の光学検出器。
  5. 【請求項5】 前記広帯域ソースが、発光ダイオードを
    備えていることを特徴とする請求項4記載の光学検出
    器。
  6. 【請求項6】 前記検出手段が、波長分割マルチプレク
    サーからの第1及び第2の波長の光をそれぞれ受ける第
    1及び第2の光電装置と、前記光電装置により生成され
    たそれぞれのアウトプット信号を微分するための第1及
    び第2の微分回路と、前記第1及び第2の微分回路によ
    り生成されたそれぞれのアウトプット信号に前記第2及
    び第1の光電装置により生成されたそれぞれのアウトプ
    ット信号を乗算する第1及び第2の乗算回路と、前記乗
    算回路のアウトプット信号を加算する加算回路と、前記
    加算回路のアウトプット信号を積分して前記センサーの
    振動要素の振動の周波数において変調された検出器アウ
    トプット信号を生成する積分回路とを備えていることを
    特徴とする請求項4又は5の何れかに記載の光学検出
    器。
  7. 【請求項7】 前記検出手段が、前記波長分割マルチプ
    レクサーからの第1及び第2の波長の光をそれぞれ受け
    る第1及び第2の光電装置と、前記光電装置により生成
    されたそれぞれのアウトプット信号を2乗する第1及び
    第2の2乗回路と、前記2乗回路からのアウトプット信
    号を加算して前記センサーの振動要素の振動の周波数に
    おいて変調された検出器アウトプット信号を生成する加
    算回路とを備えていることを特徴とする請求項4又は5
    の何れかに記載の光学検出器。
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EP0435553A3 (en) 1992-07-29
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