JP5054931B2 - Optical sensor - Google Patents

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Description

本発明は、圧力や温度等によって変位(位置変動)する被検出物によって反射された反射光を検出することによって圧力や温度等を検出する光学式センサに関する。   The present invention relates to an optical sensor that detects pressure, temperature, and the like by detecting reflected light reflected by an object that is displaced (position variation) due to pressure, temperature, and the like.

従来、温度や圧力等の物理量を検出するセンサとして、電気式センサが提案されている。この電気式センサにおいては、検出信号(電気信号)を電線を通じて遠隔地に伝送する場合には、電磁雑音の影響を受け易く、これが検出誤差の要因になるという問題を有している。   Conventionally, electric sensors have been proposed as sensors for detecting physical quantities such as temperature and pressure. In this electric sensor, when a detection signal (electric signal) is transmitted to a remote place through an electric wire, it is susceptible to electromagnetic noise, which causes a detection error.

これに対し、光学式センサにおいては、検出信号を光信号に変換して光ファイバを通じて遠隔地に伝送することができるため、電磁雑音の影響を受けることなく信号伝送することが可能である。そのため、光学式センサは、検出誤差の少ない極めて高精度の検出が可能となるという利点を有している。   On the other hand, in an optical sensor, a detection signal can be converted into an optical signal and transmitted to a remote place through an optical fiber, so that the signal can be transmitted without being affected by electromagnetic noise. Therefore, the optical sensor has an advantage that detection with extremely high accuracy with few detection errors is possible.

このような光学式センサとしては、圧力によって歪む機構を有するブルドン管などの起歪体を用いて圧力変化を歪み変化に変換し、この歪みをファイバグレーティング(FBG)によって検知するようにしたものが提案されている。   As such an optical sensor, a strain change body such as a Bourdon tube having a mechanism distorted by pressure is used to convert a pressure change into a strain change, and this strain is detected by a fiber grating (FBG). Proposed.

また、圧力や温度等によって変位(位置変動)する被検出物によって反射された反射光を検出することによって、圧力や温度等を検出するようにした光学式センサも提案されている。すなわち、光ファイバ端面に対向させて圧力によって変位する反射板(ダイアフラムなど)を配置し、光ファイバ端面からの出射光の反射板による反射光を検出することにより、反射板の変位量を検出し、その変位量から圧力を検出するようにした光学式センサが提案されている。   There has also been proposed an optical sensor that detects pressure, temperature, and the like by detecting reflected light reflected by an object to be displaced (position variation) due to pressure, temperature, and the like. That is, a reflector (diaphragm, etc.) that is displaced by pressure is disposed opposite the end face of the optical fiber, and the amount of displacement of the reflector is detected by detecting the reflected light from the end face of the optical fiber. An optical sensor that detects the pressure from the amount of displacement has been proposed.

反射板の変位量を検出する光学式センサとして、特許文献1には、複数の反射光による干渉状態や、ビート周波数を検出するようにしたものが記載されている。また、特許文献2には、反射板に振動子を固定し、この振動子の共振周波数を検出するようにした光学式センサが記載されている。しかしながら、これらのような光学式センサにおいては、信号処理が困難であり、複雑な演算処理が必要となるという問題があった。   As an optical sensor for detecting the amount of displacement of the reflecting plate, Patent Document 1 describes an interference state caused by a plurality of reflected lights and a beat frequency. Patent Document 2 describes an optical sensor in which a vibrator is fixed to a reflecting plate and a resonance frequency of the vibrator is detected. However, these optical sensors have a problem that signal processing is difficult and complicated arithmetic processing is required.

これに対し、シンプルな構造で反射板の変位量の検出を可能とした光学式センサとして、反射板からの反射光の強度変化を検出するようにした光学式センサがある。この光学式センサにおいては、検出機構を安価な材料や部品で構成することが可能であり、検出した後の信号処理も極めてに容易に行うことができる。その一方で、反射光の光強度を検出していることから、反射板の変位以外の要因、例えば、伝送損失などによる強度変化が検出誤差の要因となり、検出値に誤差が重畳されるという問題がある。しかし、伝送損失変化を極めて小さくするか、または、複数の反射光強度の比をとって補償することにより、検出精度を高めることが可能である。   On the other hand, there is an optical sensor that detects a change in the intensity of reflected light from the reflecting plate as an optical sensor that can detect the amount of displacement of the reflecting plate with a simple structure. In this optical sensor, the detection mechanism can be composed of inexpensive materials and parts, and signal processing after detection can be performed very easily. On the other hand, since the light intensity of the reflected light is detected, a factor other than the displacement of the reflector, for example, a change in intensity due to transmission loss or the like causes a detection error, and the error is superimposed on the detected value. There is. However, it is possible to increase the detection accuracy by making the change in transmission loss very small or compensating by taking a ratio of a plurality of reflected light intensities.

例えば、特許文献3には、コア径、コア部屈折率分布、開口数(NA)などのいずれかのパラメータが異なる第1及び第2の2種類の光ファイバを並列させて固定し、これら光ファイバの端面を反射板に対向させ、光ファイバの光軸方向と反射面の法線とが平行になるように設置した光学式センサが記載されている。   For example, in Patent Document 3, first and second optical fibers having different parameters such as core diameter, core part refractive index distribution, and numerical aperture (NA) are fixed in parallel. An optical sensor is described in which an end face of a fiber is opposed to a reflecting plate and the optical axis direction of the optical fiber and the normal line of the reflecting surface are parallel to each other.

この光学式センサにおいては、第1の光ファイバの端面から出射され反射板で反射された反射光を第2の光ファイバによって受光し、かつ、第2の光ファイバの端面からから出射され反射板で反射された光を第1の光ファイバによって受光することができる。各光ファイバによって受光された反射光を光分岐器によって分岐し、光電変換器により電気信号に変換すれば、この電気信号は、反射光の強度を示す信号となっている。これら電気信号の比をとることにより、伝送損失の影響を補償することが可能となる。また、この光学式センサにおいては、それぞれの光ファイバから出射され反射板で反射されて同一の光ファイバに戻った光も検出するようにしてもよい。さらに、出射用の光ファイバ2本と受光用の光ファイバ2本の計4本の光ファイバを用いて、光分岐器を使用せずに、各光ファイバから出射された光の反射光の強度比をとることができるように構成することもできる。   In this optical sensor, the reflected light emitted from the end face of the first optical fiber and reflected by the reflecting plate is received by the second optical fiber, and the reflecting light is emitted from the end face of the second optical fiber. The light reflected by the first optical fiber can be received by the first optical fiber. If the reflected light received by each optical fiber is branched by an optical branching device and converted into an electrical signal by a photoelectric converter, this electrical signal is a signal indicating the intensity of the reflected light. By taking the ratio of these electric signals, it is possible to compensate for the effect of transmission loss. Further, in this optical sensor, light emitted from each optical fiber, reflected by a reflecting plate, and returned to the same optical fiber may be detected. Furthermore, the intensity of the reflected light of the light emitted from each optical fiber by using a total of four optical fibers, two optical fibers for emission and two optical fibers for light reception, without using an optical splitter. It can also comprise so that ratio can be taken.

また、特許文献4及び特許文献5には、被検出物を液面とするとともに、発光ダイオード光源との結合が容易で、かつ、コア径が大きいために光強度を大きくとることができるマルチモードファイバを複数本用いて、液面の変位を検出するようにした光学式センサが記載されている。複数本の光ファイバは、液面の法線に対して角度Φ(0°≦Φ≦5°)をなして固定される。   Patent Document 4 and Patent Document 5 describe a multimode in which the object to be detected is a liquid surface, the coupling with a light-emitting diode light source is easy, and the light intensity can be increased because the core diameter is large. An optical sensor using a plurality of fibers to detect displacement of the liquid level is described. The plurality of optical fibers are fixed at an angle Φ (0 ° ≦ Φ ≦ 5 °) with respect to the normal of the liquid level.

特許第3304696号公報(第15頁、第2図)Japanese Patent No. 3306696 (page 15, Fig. 2) 特開2003−214966公報(第4頁、第1−4図)JP 2003-214966 A (4th page, Fig. 1-4) 特公平6−8724号公報(第3−4頁、第1−2図)Japanese Examined Patent Publication No. 6-8724 (page 3-4, Fig. 1-2) 米国特許第4996418号明細書(第1図、第15図、第16図)US Pat. No. 4,996,418 (FIGS. 1, 15, 16) 米国特許第5068527号明細書(第1図)US Pat. No. 5,068,527 (FIG. 1)

ところで、特許文献3に記載された光学式センサにおいては、光ファイバの光軸方向と反射面の法線とが平行になっているため、光ファイバと反射板との間の距離変化に対する反射光の強度変化量(検出感度)を変更する場合には、パラメータが異なる特殊な光ファイバを作製する必要がある。そのため、この光学式センサにおいては、検出感度を適切に設定することが困難である。   By the way, in the optical sensor described in Patent Document 3, since the optical axis direction of the optical fiber and the normal line of the reflecting surface are parallel, the reflected light with respect to the change in the distance between the optical fiber and the reflecting plate. When changing the intensity change amount (detection sensitivity), it is necessary to produce special optical fibers having different parameters. Therefore, in this optical sensor, it is difficult to set detection sensitivity appropriately.

また、光ファイバの端面が光軸方向に対して直角となっているため、端面と空気層との境界でフレネル反射が発生し、出射光の強度損失の増加や、受光強度の変動が生じ、検出精度が悪化する虞れがある。さらに、光ファイバの端面と反射板との間で多重反射が発生し易く、この多重反射によって検出精度が悪化する虞れがある。   In addition, since the end face of the optical fiber is perpendicular to the optical axis direction, Fresnel reflection occurs at the boundary between the end face and the air layer, resulting in an increase in intensity loss of the emitted light and fluctuations in the received light intensity. There is a possibility that the detection accuracy is deteriorated. Furthermore, multiple reflection is likely to occur between the end face of the optical fiber and the reflecting plate, and the detection accuracy may be deteriorated due to the multiple reflection.

そして、特許文献4及び特許文献5に記載された光学式センサのように、マルチモードファイバを使用することは、光強度を大きくとれるという点で有用であるが、マルチモードファイバは曲げに弱いという問題がある。すなわち、マルチモードファイバを使用した場合には、ファイバの曲げによりモードの伝搬状態が変化するため、開口数が変化し易く、かつ、損失も変化するという問題がある。   And, as in the optical sensors described in Patent Document 4 and Patent Document 5, using a multimode fiber is useful in that the light intensity can be increased, but the multimode fiber is vulnerable to bending. There's a problem. That is, when a multimode fiber is used, the mode propagation state changes due to the bending of the fiber, so that there is a problem that the numerical aperture is easily changed and the loss is also changed.

また、光源として発光ダイオード(LED:light-emitting diode)を使用することは、製造コストの低廉化及び偏波依存性の観点からは有利であるが、発光ダイオードは温度変化によって発光強度スペクトルが変化する温度依存性をもっており、温度が上昇すると発光強度が減衰するとともに、発光ピーク波長が長波側にシフトするという問題がある。したがって、光源として発光ダイオードを使用した場合には、波長依存性を有する光カップラや光フィルタを使用すると、検出値が変動してしまい、検出誤差が大きくなってしまう。   In addition, the use of a light-emitting diode (LED) as a light source is advantageous from the standpoint of manufacturing cost reduction and polarization dependence, but the emission intensity spectrum of a light-emitting diode changes with temperature. There is a problem that the emission intensity is attenuated when the temperature rises and the emission peak wavelength is shifted to the long wave side. Therefore, when a light-emitting diode is used as the light source, if an optical coupler or optical filter having wavelength dependency is used, the detection value fluctuates and the detection error increases.

さらに、光源として発光ダイオードを使用した場合において、開口数の波長依存性が大きい光ファイバを使用すると、発光ダイオードの発光波長変動によって光ファイバの開口数が大きく変化してしまい、出射光のビーム形状や光量が変化し、反射面による結合効率が変化してしまう。このような結合効率の変動は補償することができないため、そのまま検出精度の悪化につながってしまう。なお、光通信などデジタルで使用する場合においては、光ファイバの曲げ損失の影響は小さいが、この光学式センサにおけるようにアナログ伝送に利用する場合には、曲げによる損失の影響は極めて大きく、検出精度が悪化が招来されてしまう。   Furthermore, when a light-emitting diode is used as a light source, if an optical fiber with a large numerical aperture wavelength dependency is used, the numerical aperture of the optical fiber changes significantly due to the emission wavelength variation of the light-emitting diode, and the beam shape of the emitted light And the amount of light changes, and the coupling efficiency due to the reflecting surface changes. Such fluctuations in coupling efficiency cannot be compensated for, which leads to deterioration in detection accuracy. In the case of digital use such as optical communication, the influence of the bending loss of the optical fiber is small, but when used for analog transmission as in this optical sensor, the influence of the loss due to bending is very large and detection The accuracy will be deteriorated.

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、光学式センサの検出部における裸ファイバ部の屈曲をなくすことにより、小型化が可能となされるとともに機械的な信頼性が向上され、かつ、光源の発光波長スペクトルの変化による検出精度の劣化が抑制されて、高精度の検出が行えるようになされた光学式センサを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and its object is to reduce the size and improve the mechanical reliability by eliminating the bending of the bare fiber portion in the detection portion of the optical sensor. In addition, an object of the present invention is to provide an optical sensor that can suppress detection accuracy deterioration due to a change in emission wavelength spectrum of a light source and can perform highly accurate detection.

前述の課題を解決し、上記目的を達成するため、本発明に係る光学式センサは、以下のいずれか一の構成を有するものである。   In order to solve the above-described problems and achieve the above object, an optical sensor according to the present invention has any one of the following configurations.

〔構成1〕
本発明に係る光学式センサは、光源と、この光源から出射された光が一端側に入射されこの光を他端側に伝搬して他端側の端面よりこの光を出射して端面から相対距離だけ離間されて配置された被検出物に出射光を照射する第1の光ファイバと、端面を被検出物に向けるとともに少なくとも端面の近傍において第1の光ファイバに平行となされ第1の光ファイバに対して所定の距離を隔てて配設され被検出物により反射された出射光の反射光が端面より入射される第2の光ファイバと、端面を被検出物に向けるとともに少なくとも端面の近傍において第1の光ファイバに平行となされ第1の光ファイバに対して第2の光ファイバと同一の方向に第2の光ファイバよりも離間して配設され被検出物により反射された出射光の反射光が端面より入射される第3の光ファイバと、これら第2及び第3の光ファイバにより伝搬された反射光をそれぞれ受光して電気信号に変換して出力する第1及び第2の受光素子と、これら第1及び第2の受光素子において検出される光強度に基づいてこれらの強度比を算出しこの強度比から被検出物の変位量を算出する演算処理手段とを備え、第1の光ファイバの端面は、光軸に対する傾斜面となっており、第2及び第3の光ファイバが配設された方向の反対側に向けた傾斜面となされていることを特徴とするものである。
〔構成2〕
本発明は、構成1を有する光学式センサにおいて、第1及び第2の受光素子において検出される光強度をP1,P2としたとき、これらの強度比F(P1,P2)は、以下の式により算出することを特徴とするものである。
F(P1,P2)=(P2−P1)/(P1+P2)
[Configuration 1]
The optical sensor according to the present invention has a light source and light emitted from the light source incident on one end side, propagates the light to the other end side, emits the light from the end face on the other end side, and is relative to the end face. A first optical fiber for irradiating the detected object disposed at a distance away from the detection object; and an end surface of the first optical fiber that is directed toward the detected object and parallel to the first optical fiber at least near the end surface; A second optical fiber disposed at a predetermined distance from the fiber and reflected by the object to be detected and reflected from the end surface; and a second optical fiber having the end surface directed toward the object to be detected and at least near the end surface Output light reflected by the object to be detected and arranged parallel to the first optical fiber and spaced apart from the second optical fiber in the same direction as the second optical fiber. Reflected light from the end face A third optical fiber, first and second light receiving elements that receive the reflected light propagated by the second and third optical fibers, convert them into electrical signals, and output the first and second light receiving elements, respectively. And an arithmetic processing means for calculating the intensity ratio based on the light intensity detected by the second light receiving element and calculating the displacement amount of the detected object from the intensity ratio, and the end face of the first optical fiber is The inclined surface is an inclined surface with respect to the optical axis, and is inclined toward the opposite side of the direction in which the second and third optical fibers are disposed.
[Configuration 2]
In the optical sensor having the configuration 1, when the light intensities detected by the first and second light receiving elements are P1 and P2, the intensity ratio F (P1, P2) is expressed by the following equation: It is characterized by calculating by these.
F (P1, P2) = (P2-P1) / (P1 + P2)

〔構成
本発明は、構成1、または、構成2を有する光学式センサにおいて、第1乃至第3の光ファイバの端面が無反射コーティングがなされていることを特徴とするものである。
[Configuration 3 ]
The present invention is characterized in that, in the optical sensor having the configuration 1 or the configuration 2 , the end surfaces of the first to third optical fibers are coated with a non-reflective coating.

〔構成
本発明は、構成1乃至構成3のいずれか一を有する光学式センサにおいて、第2及び第3の光ファイバの端面は、光軸に対する傾斜面となっており、第1の光ファイバが配設された方向の反対側に向けた傾斜面となされていることを特徴とするものである。
[Configuration 4 ]
The present invention, in the optical sensor according to any of compositions 1 through 3, the end faces of the second and third optical fibers is an inclined surface with respect to the optical axis, the first optical fiber is disposed The inclined surface is directed to the opposite side of the formed direction.

本発明に係る光学式センサにおいては、構成1を有することにより、第1の光ファイバの端面が光軸に対する傾斜面となっており、第2及び第3の光ファイバが配設された方向の反対側に向けた傾斜面となされているので、各光ファイバの端面近傍を全て平行に配設しても、第1の光ファイバの端面からの出射光は、この端面において、第2及び第3の光ファイバが配設された方向に屈折して出射される。したがって、この光学式センサにおいては、第2及び第3の光ファイバヘの反射光の入射効率を向上させることができる。   In the optical sensor according to the present invention, by having the configuration 1, the end surface of the first optical fiber is inclined with respect to the optical axis, and the second and third optical fibers are arranged in the direction in which the second optical fiber is disposed. Since the inclined surface is directed toward the opposite side, the light emitted from the end surface of the first optical fiber is not reflected at the end surface of the first optical fiber even if the vicinity of the end surface of each optical fiber is arranged in parallel. The light is refracted in the direction in which the three optical fibers are disposed. Therefore, in this optical sensor, the incident efficiency of the reflected light to the second and third optical fibers can be improved.

そして、この光学式センサにおいては、各光ファイバの端面近傍が全て平行に配設されることから、検出部を小型化することができ、また、光ファイバに屈曲部を必要としないので、機械的な信頼性を向上させることができる。これら光ファイバを保護するために樹脂を充填した場合において、温度変化によって樹脂が収縮、膨張しても、光ファイバに応力が加わらず、伝搬する光に損失が生じたり出射される光の強度分布に歪みが生ずることがなく、検出精度を高精度に維持することができる。   In this optical sensor, since the vicinity of the end faces of the optical fibers are all arranged in parallel, the detection unit can be reduced in size and the optical fiber does not require a bent part. Reliability can be improved. When resin is filled to protect these optical fibers, even if the resin shrinks or expands due to temperature changes, no stress is applied to the optical fiber, and loss of the propagating light occurs or the intensity distribution of the emitted light Therefore, the detection accuracy can be maintained with high accuracy.

さらに、この光学式センサにおいては、各光ファイバの端面近傍が全て平行に配設されることから、光ファイバに屈曲部を必要としないので、光源の発光波長スペクトルの変化による検出精度の劣化が抑制され、高精度の検出が行える
また、本発明に係る光学式センサにおいては、構成を有することにより、第1乃至第3の光ファイバの端面が無反射コーティングがなされているので、各光ファイバの端面における損失を低下させることができる。
Further, in this optical sensor, since the vicinity of the end face of each optical fiber is all arranged in parallel, the optical fiber does not require a bent portion, so that the detection accuracy deteriorates due to a change in the emission wavelength spectrum of the light source. is suppressed, also enables highly accurate detection, the optical sensor according to the present invention, by having the structure 3, since the end faces of the first to third optical fibers nonreflective coating have been made, each light Loss at the end face of the fiber can be reduced.

さらに、本発明に係る光学式センサにおいては、構成を有することにより、第2及び第3の光ファイバの端面が光軸に対する傾斜面となっており、第1の光ファイバが配設された方向の反対側に向けた傾斜面となされているので、各光ファイバの端面近傍を全て平行に配設しても、第2及び第3の光ファイバに入射する光は、これら光ファイバの端面において屈折して入射され、第2及び第3の光ファイバヘの反射光の入射効率を向上させることができる。 Furthermore, in the optical sensor according to the present invention, by having the configuration 4 , the end surfaces of the second and third optical fibers are inclined with respect to the optical axis, and the first optical fiber is disposed. Since the inclined surface is directed to the opposite side of the direction, even if the vicinity of the end face of each optical fiber is arranged in parallel, the light incident on the second and third optical fibers is the end face of these optical fibers. The incident light is refracted and the incident efficiency of the reflected light to the second and third optical fibers can be improved.

すなわち、本発明は、光学式センサの検出部における裸ファイバ部の屈曲をなくすことにより、小型化が可能となされるとともに機械的な信頼性が向上され、かつ、光源の発光波長スペクトルの変化による検出精度の劣化が抑制されて、高精度の検出が行えるようになされた光学式センサを提供することができるものである。   That is, according to the present invention, it is possible to reduce the size and improve the mechanical reliability by eliminating the bending of the bare fiber portion in the detection portion of the optical sensor, and to change the emission wavelength spectrum of the light source. It is possible to provide an optical sensor that is capable of performing highly accurate detection while suppressing deterioration in detection accuracy.

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。   The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は、本発明の実施の形態に係る光学式センサの構成を示すブロック図である。   FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an optical sensor according to an embodiment of the present invention.

本発明に係る光学式センサは、図1に示すように、検出光を発する光源となるLED(発光ダイオード)1を有している。このLED1は、例えば、1.3μm帯で発光するものである。このLED1が発する検出光は、第1の光ファイバ4の一端面より入射され、この第1の光ファイバ4内を伝搬して、他端面(出射端面)より出射される。この第1の光ファイバ4は、出射ポートとして機能する。この出射光は、被検出物となる反射板(ダイヤフラム)2の反射面3に照射される。   As shown in FIG. 1, the optical sensor according to the present invention includes an LED (light emitting diode) 1 serving as a light source that emits detection light. The LED 1 emits light in a 1.3 μm band, for example. The detection light emitted from the LED 1 is incident from one end face of the first optical fiber 4, propagates in the first optical fiber 4, and is emitted from the other end face (exit end face). The first optical fiber 4 functions as an emission port. This emitted light is applied to the reflecting surface 3 of the reflecting plate (diaphragm) 2 that is to be detected.

反射板2は、第1の光ファイバ4の出射端面との相対距離Dが、圧力や温度などの物理量に応じて変化するように配設されている。   The reflecting plate 2 is disposed such that the relative distance D with respect to the emission end face of the first optical fiber 4 changes according to physical quantities such as pressure and temperature.

第1の光ファイバ4より出射され反射板2の反射面3に照射された検出光は、この反射面3によって反射されて、第2及び第3の光ファイバ5,6の端面(入射端面)に入射する。これら第2及び第3の光ファイバ5,6は、通信用として一般的に使用されているシングルモード光ファイバである。これら第2及び第3の光ファイバ5,6は、反射ポートとして機能し、入射された反射光を第1及び第2の受光素子となる第1及び第2のPD(フォトダイオード)7,8にそれぞれ伝送する。   The detection light emitted from the first optical fiber 4 and applied to the reflecting surface 3 of the reflecting plate 2 is reflected by the reflecting surface 3, and the end surfaces (incident end surfaces) of the second and third optical fibers 5 and 6 are reflected. Is incident on. These second and third optical fibers 5 and 6 are single mode optical fibers generally used for communication. The second and third optical fibers 5 and 6 function as reflection ports, and the first and second PDs (photodiodes) 7 and 8 that serve as first and second light receiving elements for the incident reflected light. Respectively.

そして、第1及び第2のPD7,8からの電気信号は、それぞれを増幅する増幅器9,9を介して、演算処理回路10に送られる。この演算処理回路10は、増幅器9,9により増幅された電気信号の比をとり、各光ファイバ5,6の入射端面と反射面3との間の相対距離を算出し、反射板2の変位量を算出する。   The electric signals from the first and second PDs 7 and 8 are sent to the arithmetic processing circuit 10 via the amplifiers 9 and 9 that amplify the electric signals. The arithmetic processing circuit 10 calculates the relative distance between the incident end face of each of the optical fibers 5 and 6 and the reflecting surface 3 by taking the ratio of the electric signals amplified by the amplifiers 9 and 9, and the displacement of the reflecting plate 2. Calculate the amount.

この光学式センサにおいては、第1、第2及び第3の光ファイバ4,5,6の端面近傍と、これらに対向配置された反射板2とは、検出部11を構成しており、互いの間の相対位置関係が、一体的に構成された保持部材によって維持されている。この検出部11において、第1、第2及び第3の光ファイバ4,5,6は、互いに光軸方向を平行として配設されている。したがって、この検出部11は、小型化することが容易であり、また、光ファイバ4,5,6に屈曲部を必要としないので、機械的な信頼性を向上させることができる。   In this optical sensor, the vicinity of the end faces of the first, second and third optical fibers 4, 5 and 6 and the reflecting plate 2 arranged so as to oppose them constitute a detecting unit 11, and each other. The relative positional relationship between the two is maintained by an integrally formed holding member. In the detection unit 11, the first, second, and third optical fibers 4, 5, and 6 are arranged with the optical axis directions parallel to each other. Therefore, the detection unit 11 can be easily reduced in size, and the optical fibers 4, 5, and 6 do not need a bent portion, so that mechanical reliability can be improved.

また、この検出部11においては、各光ファイバ4,5,6を保護するために樹脂を充填した場合において、温度変化によって樹脂が収縮、膨張しても、光ファイバ4,5,6に応力が加わらず、伝搬する光に損失が生じたり出射される光の強度分布に歪みが生ずることがなく、検出精度を高精度に維持することができる。   Further, in the detection unit 11, when the resin is filled to protect the optical fibers 4, 5, and 6, even if the resin contracts and expands due to a temperature change, the optical fibers 4, 5, and 6 are stressed. Therefore, no loss occurs in the propagating light and no distortion occurs in the intensity distribution of the emitted light, and the detection accuracy can be maintained with high accuracy.

さらに、この光学式センサにおいては、検出部11において各光ファイバ4,5,6が全て平行に配設されることから、光ファイバ4,5,6に屈曲部を必要としないので、光源(LED1)の発光波長スペクトルの変化による検出精度の劣化が抑制され、高精度の検出が行える
図2は、検出部11の構成を示す側面図である。
Further, in this optical sensor, since the optical fibers 4, 5 and 6 are all arranged in parallel in the detection unit 11, no bent portions are required in the optical fibers 4, 5 and 6, so 2 is a side view showing the configuration of the detection unit 11. FIG. 2 is a side view showing the configuration of the detection unit 11. FIG.

この光学式センサにおいては、図2に示すように、第1の光ファイバ4の出射端面は、光軸に対する傾斜面となっており、第2及び第3の光ファイバ5,6が配設された方向の反対側に向けて、図2中θで示す所定角度だけ傾斜した傾斜面となされている。   In this optical sensor, as shown in FIG. 2, the exit end face of the first optical fiber 4 is inclined with respect to the optical axis, and the second and third optical fibers 5 and 6 are provided. The inclined surface is inclined by a predetermined angle indicated by θ in FIG.

第1の光ファイバ4の出射端面がこのような傾斜面となっていることにより、この第1の光ファイバ4の出射端面から出射される検出光は、この出射端面において屈折され、反射板2の反射面3により反射されたときに、第2及び第3の光ファイバ5,6に良好に結合する。   Since the exit end face of the first optical fiber 4 has such an inclined surface, the detection light emitted from the exit end face of the first optical fiber 4 is refracted at the exit end face, and the reflector 2 When the light is reflected by the reflecting surface 3, the second and third optical fibers 5 and 6 are well coupled.

反射面3への入射角度をθとすると、この入射角度をθは、以下のように示すことができる。 When the incident angle to the reflecting surface 3 is θ 2 , this incident angle θ 2 can be expressed as follows.

θ=sin−1(n/n×sinθ)−θ
ここで、nは、第1の光ファイバ4のコアの屈折率であり、nは、外部媒質(例えば、空気)の屈折率である。
θ 2 = sin −1 (n 1 / n 2 × sin θ) −θ
Here, n 1 is the refractive index of the core of the first optical fiber 4, n 2 is the refractive index of the external medium (e.g., air).

図3は、各光ファイバ5,6の入射端面と反射面3との間の相対距離Dの変化に対する光強度及び強度比の変化特性を示すグラフである。   FIG. 3 is a graph showing the change characteristics of the light intensity and the intensity ratio with respect to the change of the relative distance D between the incident end face of each of the optical fibers 5 and 6 and the reflecting surface 3.

この光学式センサにおいては、図3に示すように、第2及び第3の光ファイバ5,6の入射端面と反射板2の反射面3との間の相対距離Dの変化により、第1及び第2のPD7,8において検出される光強度(P1,P2)及びこれらの強度比F(P1,P2)が変化する。図3において、横軸は相対距離Dを示し、左側の縦軸は光強度、右側の縦軸は強度比を示している。   In this optical sensor, as shown in FIG. 3, the first and the second optical fibers 5 and 6 are changed in the first and second optical fibers 5 and 6 by the change in the relative distance D between the incident end faces and the reflecting surface 3 of the reflecting plate 2. The light intensity (P1, P2) detected in the second PDs 7, 8 and the intensity ratio F (P1, P2) thereof change. In FIG. 3, the horizontal axis indicates the relative distance D, the left vertical axis indicates the light intensity, and the right vertical axis indicates the intensity ratio.

ここで、強度比F(P1,P2)は、以下の式により算出している。   Here, the intensity ratio F (P1, P2) is calculated by the following equation.

F(P1,P2)=(P2−P1)/(P1+P2)
この光学式センサにおいては、強度比F(P1,P2)は、ほぼ線形のスロープ形状を有する曲線となっている。反射板2の変位量の検出を行う場合には、このスロープ形状を曲線を使用することができる。この場合、より線形であるほうが、距離変化を物理量に変換する補正関数がシンプルとなり、演算処理が容易であり、誤差が小さいという利点がある。
F (P1, P2) = (P2-P1) / (P1 + P2)
In this optical sensor, the intensity ratio F (P1, P2) is a curve having a substantially linear slope shape. When detecting the amount of displacement of the reflecting plate 2, a curve can be used for this slope shape. In this case, the more linear is advantageous in that the correction function for converting the distance change into a physical quantity becomes simple, the arithmetic processing is easy, and the error is small.

一方、検出感度については、スロープの傾き〔Δ=dF(P1、P2)/dD〕で表され、この傾きが大きいほど検出感度が高くなる。   On the other hand, the detection sensitivity is represented by a slope slope [Δ = dF (P1, P2) / dD], and the detection sensitivity increases as this slope increases.

図4は、第1の光ファイバの出射端面の傾斜角度θを変えた場合における相対距離Dの変化に対する強度比の変化特性を示すグラフである。   FIG. 4 is a graph showing the change characteristic of the intensity ratio with respect to the change of the relative distance D when the inclination angle θ of the emission end face of the first optical fiber is changed.

この光学式センサにおいて、第1の光ファイバ4の出射端面の傾斜角度θを変化させると、図4に示すように、強度比F(P1,P2)を示すスロープの傾きが変化する。すなわち、第1の光ファイバ4の出射端面の傾斜角度θを大きくすることにより、強度比F(P1,P2)を示すスロープの傾きが大きくなり、検出感度を高くすることができる。   In this optical sensor, when the inclination angle θ of the emission end face of the first optical fiber 4 is changed, the slope of the slope indicating the intensity ratio F (P1, P2) changes as shown in FIG. That is, by increasing the inclination angle θ of the emission end face of the first optical fiber 4, the slope of the slope indicating the intensity ratio F (P1, P2) is increased, and the detection sensitivity can be increased.

なお、図4に示す特性は、第1の光ファイバ4と第2の光ファイバ5との中心軸間距離d1及び第2の光ファイバ5と第3の光ファイバ6との中心軸間距離d2をいずれも127μmとした場合のものである。   The characteristics shown in FIG. 4 are the distance between the central axes d1 of the first optical fiber 4 and the second optical fiber 5, and the distance d2 between the central axes of the second optical fiber 5 and the third optical fiber 6. These are for the case of 127 μm.

なお、第1乃至第3の光ファイバ4,5,6の端面は、反射板2の反射面3との間の多重反射による検出精度の悪化を防ぐために、無反射コーティングを施しておくことが望ましい。   The end surfaces of the first to third optical fibers 4, 5, and 6 may be provided with a non-reflective coating in order to prevent deterioration in detection accuracy due to multiple reflection between the reflection surfaces 2 of the reflection plate 2. desirable.

さらに、第2の及第3の光ファイバ5,6の入射端面を、光軸に対する傾斜面とし、第1の光ファイバ4が配設された方向の反対側に向けた傾斜面とすることも、検出感度を向上させるうえで効果的である。この場合には、第2及び第3の光ファイバ5,6に入射する反射光が、これら光ファイバの入射端面において屈折して入射され、第2及び第3の光ファイバ5,6ヘの反射光の入射効率を向上させることができる。   Further, the incident end surfaces of the second and third optical fibers 5 and 6 may be inclined surfaces with respect to the optical axis, and may be inclined surfaces opposite to the direction in which the first optical fiber 4 is disposed. It is effective in improving detection sensitivity. In this case, the reflected light incident on the second and third optical fibers 5 and 6 is refracted and incident on the incident end faces of these optical fibers, and is reflected on the second and third optical fibers 5 and 6. The incident efficiency of light can be improved.

本発明の実施の形態に係る光学式センサの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the optical sensor which concerns on embodiment of this invention. 前記光学式センサにおける検出部の構成を示す側面図である。It is a side view which shows the structure of the detection part in the said optical sensor. 前記光学式センサにおける第2及び第3の光ファイバの入射端面と反射面との間の相対距離の変化に対する光強度及び強度比の変化特性を示すグラフである。It is a graph which shows the change characteristic of the light intensity and intensity ratio with respect to the change of the relative distance between the incident end face of the 2nd and 3rd optical fiber in the said optical sensor, and a reflective surface. 前記光学式センサにおいて第1の光ファイバの出射端面の傾斜角度を変えた場合における相対距離の変化に対する強度比の変化特性を示すグラフである。It is a graph which shows the change characteristic of the intensity ratio with respect to the change of a relative distance at the time of changing the inclination | tilt angle of the output end surface of a 1st optical fiber in the said optical sensor.

符号の説明Explanation of symbols

1 LED
2 反射板
3 反射面
4 第1の光ファイバ
5 第2の光ファイバ
6 第3の光ファイバ
7 第1のPD
8 第2のPD
9 増幅器
10 演算処理回路
11 検出部
1 LED
2 Reflecting plate 3 Reflecting surface 4 First optical fiber 5 Second optical fiber 6 Third optical fiber 7 First PD
8 Second PD
9 Amplifier 10 Arithmetic Processing Circuit 11 Detector

Claims (4)

光源と、
前記光源から出射された光が一端側に入射され、この光を他端側に伝搬して他端側の端面よりこの光を出射して、該端面から相対距離だけ離間されて配置された被検出物に出射光を照射する第1の光ファイバと、
端面を前記被検出物に向けるとともに、少なくとも端面の近傍において前記第1の光ファイバに平行となされ該第1の光ファイバに対して所定の距離を隔てて配設され、前記被検出物により反射された前記出射光の反射光が端面より入射される第2の光ファイバと、
端面を前記被検出物に向けるとともに、少なくとも端面の近傍において前記第1の光ファイバに平行となされ該第1の光ファイバに対して前記第2の光ファイバと同一の方向に該第2の光ファイバよりも離間して配設され、前記被検出物により反射された前記出射光の反射光が端面より入射される第3の光ファイバと、
前記第2及び第3の光ファイバにより伝搬された反射光をそれぞれ受光して電気信号に変換して出力する第1及び第2の受光素子と、
前記第1及び第2の受光素子において検出される光強度に基づいて、これらの強度比を算出し、この強度比から前記被検出物の変位量を算出する演算処理手段と
を備え、
前記第1の光ファイバの端面は、光軸に対する傾斜面となっており、前記第2及び第3の光ファイバが配設された方向の反対側に向けた傾斜面となされている
ことを特徴とする光学式センサ。
A light source;
The light emitted from the light source is incident on one end side, propagates the light to the other end side, emits the light from the end face on the other end side, and is disposed at a relative distance from the end face. A first optical fiber for irradiating the detection object with emitted light;
The end surface is directed to the object to be detected, and at least in the vicinity of the end surface is parallel to the first optical fiber and is disposed at a predetermined distance from the first optical fiber, and is reflected by the object to be detected. A second optical fiber into which the reflected light of the emitted light is incident from an end surface;
The end face is directed to the object to be detected and at least near the end face, the second light is parallel to the first optical fiber and in the same direction as the second optical fiber with respect to the first optical fiber. A third optical fiber that is disposed away from the fiber and receives the reflected light of the emitted light reflected by the object to be detected from an end surface;
First and second light receiving elements that receive reflected light propagated by the second and third optical fibers, respectively, convert the light into electrical signals, and output the electrical signals;
Calculation means for calculating the intensity ratio of these based on the light intensity detected in the first and second light receiving elements , and calculating the displacement amount of the detected object from the intensity ratio ,
The end surface of the first optical fiber is an inclined surface with respect to the optical axis, and is an inclined surface directed to the opposite side of the direction in which the second and third optical fibers are disposed. An optical sensor.
前記第1及び第2の受光素子において検出される光強度をP1,P2としたとき、これらの強度比F(P1,P2)は、以下の式により算出する  When the light intensities detected in the first and second light receiving elements are P1 and P2, the intensity ratio F (P1, P2) is calculated by the following equation.
ことを特徴とする請求項1記載の光学式センサ。  The optical sensor according to claim 1.
F(P1,P2)=(P2−P1)/(P1+P2)  F (P1, P2) = (P2-P1) / (P1 + P2)
前記第1乃至第3の光ファイバの端面は、無反射コーティングがなされている
ことを特徴とする請求項1、または、請求項2記載の光学式センサ。
The end faces of the first to third optical fibers, according to claim 1, characterized in that no reflective coating is being made, or, an optical sensor according to claim 2, wherein.
前記第2及び第3の光ファイバの端面は、光軸に対する傾斜面となっており、前記第1の光ファイバが配設された方向の反対側に向けた傾斜面となされている
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一に記載の光学式センサ。
The end surfaces of the second and third optical fibers are inclined surfaces with respect to the optical axis, and are inclined surfaces on the opposite side of the direction in which the first optical fibers are disposed. optical sensor according to any one of claims 1 to 3,.
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