JP6002329B2 - Optical interference sensor and measurement system using the same - Google Patents

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Description

本発明は、光(レーザ光)の干渉法(ホモダイン干渉若しくはマッハツェンダー干渉)を利用して、センサ対象物の速度や加速度等の物理量を正確に且つコンパクトな手法で、更に高ダイナミックレンジ及び高サンプリング周波数で計測する光干渉式センサ及びそれを用いた計測システムに関する。   The present invention uses a light (laser light) interferometry (homodyne interference or Mach-Zehnder interference) to accurately and compactly measure physical quantities such as velocity and acceleration of a sensor object, with a higher dynamic range and higher The present invention relates to an optical interference sensor that measures at a sampling frequency and a measurement system using the same.

従来加速度、速度などの物理量を計測するセンサとしては、永久磁石の磁力の内部でコイルを巻いた振動子を自由振動させて電磁誘導電流を計測する動コイル方式、或いは磁力の内部でコイルを巻いた振動子の変位が発生しないように制御して計測するサーボ方式、或いは2枚の金属板でコンデンサを形成し、その静電容量の変化から加速度を計測する静電容量式などがある。これらは、振動子の変位の時間的変化を電磁誘導電流や静電容量などの電気信号に変換してから、速度や加速度を求めるという方式をとっている。   Conventional sensors for measuring physical quantities such as acceleration and speed include a moving coil method in which an electromagnetic induction current is measured by freely vibrating a vibrator wound with a coil within the magnetic force of a permanent magnet, or a coil wound within a magnetic force. There are a servo system that controls and measures so as not to cause displacement of the vibrator, or a capacitance type that measures acceleration from a change in capacitance by forming a capacitor with two metal plates. In these methods, a change in the displacement of the vibrator over time is converted into an electric signal such as an electromagnetic induction current or a capacitance, and then the speed and acceleration are obtained.

これらの方法では、振動子の応答特性(目的の周波数領域で、微小加速度から大きな加速度まで連続的に変位を起こす振動子)の設計と、変化に対応する電気信号のディジタル化の精度向上という設計上の制限の中で、センサが作製される。例えば地震動を観測する場合、地震動に相当する周波数帯域(0.01Hz〜100Hz)で変位を大きくとれる振動子は、振り子やバネのサイズが大きくなって実用には適さない。この問題に対し、サーボ型加速度計が開発され、変位を相殺させるような電流を与えることにより、変位が少ない構造で高ダイナミックレンジを実現している。   In these methods, the design of the response characteristics of the vibrator (vibrator that continuously displaces from a small acceleration to a large acceleration in the target frequency range) and the improvement of the accuracy of digitization of the electrical signal corresponding to the change Within the above limitations, sensors are made. For example, when observing seismic motion, a vibrator that can take a large displacement in a frequency band (0.01 Hz to 100 Hz) corresponding to the seismic motion is not suitable for practical use because the size of the pendulum and the spring is large. In response to this problem, servo accelerometers have been developed, and a high dynamic range is realized with a structure with little displacement by applying a current that cancels the displacement.

しかしこの方法でも、ダイナミックレンジが電気信号を計測するに際して限界(低い方は増幅器の1/fノイズや熱雑音、高い方は電子回路の動作電圧の限界)があるため、電圧範囲は約1μV〜±5V程度、分解能は140dB程度が限界であり、低ノイズや電子回路の工夫をしても、146〜150dBが限界と言われている。また、同時にこの方法では、精度向上のためには電気設計も機構設計も複雑となり、取り扱いが繊細でかつ高コストで実用化には不向きのセンサとなっている。   However, even with this method, the dynamic range is limited when measuring an electrical signal (lower is the 1 / f noise and thermal noise of the amplifier, and the higher is the limit of the operating voltage of the electronic circuit), so the voltage range is about 1 μV to The limit is about ± 5 V and the resolution is about 140 dB, and even if low noise or an electronic circuit is devised, it is said that the limit is 146 to 150 dB. At the same time, this method complicates both the electrical design and the mechanical design to improve accuracy, making the sensor delicate and costly and unsuitable for practical use.

一方、低コストで小型の加速度センサを実現するために、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を用いた静電容量式センサが開発されてきた。それは、小さな加速度に応答する微小な変位の変化を検出するために、2つの極板の間に小さな隙間を空けたコンデンサを構成し、振動によってそのコンデンサ間の隙間の距離が変化したり、極板がスライドすることによってコンデンサの面積が変化したりすることによる静電容量の変化を検出する方法である。   On the other hand, in order to realize a small acceleration sensor at low cost, a capacitive sensor using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology has been developed. In order to detect small displacement changes in response to small accelerations, a capacitor with a small gap between two plates is formed, and the distance between the capacitors changes due to vibration, This is a method of detecting a change in capacitance due to a change in the area of the capacitor by sliding.

この方法は、小型で低コストの加速度センサは実現するものの、静電容量の計測の限界から、ダイナミックレンジは100dB程度となっているのが実情である。   Although this method can realize a small and low-cost acceleration sensor, the dynamic range is about 100 dB due to the limit of capacitance measurement.

特開2010−71939号公報JP 2010-71939 A 特開2011−202961号公報JP 2011-202961 A 特表2008−500547号公報Special table 2008-500547 gazette 特開2011−185943号公報JP 2011-185943 A 特許第5118004号公報Japanese Patent No. 5111804 特許第5118246号公報Japanese Patent No. 5118246 特許第4153464号公報Japanese Patent No. 4153464

前述の静電容量型の加速度センサは、感度を大きくするためには電極間の距離を小さくするか、電極の面積を大きくすることが要求される。一方で、より大きな振動でも計測できるような測定をしようとすると、可動電極の可動領域が大きいことが要求される。そのため、電極の面積を大きくする方向で開発が進められている。このようなトレードオフのために、静電容量型のMEMS加速度センサのダイナミックレンジは、100dB程度にとどまっている。   In order to increase the sensitivity of the above-described capacitance type acceleration sensor, it is required to decrease the distance between the electrodes or increase the area of the electrodes. On the other hand, if a measurement that can be measured even with a larger vibration is attempted, the movable region of the movable electrode is required to be large. For this reason, development is proceeding in the direction of increasing the electrode area. Due to such a trade-off, the dynamic range of the capacitive MEMS acceleration sensor is only about 100 dB.

また、従来の光干渉法では、光ファイバに接続した反射鏡を固定点として、計測対象物(変位面)に設置した反射鏡との相対的な変位を算出している。かかる従来方法では、対象物の変位だけでなく、光ファイバの微小な変位、固定点までの温度の影響など、光ファイバ系内部の誤差要因を除去できないという問題がある。   In the conventional optical interference method, a relative displacement with respect to a reflecting mirror installed on a measurement object (displacement surface) is calculated with a reflecting mirror connected to an optical fiber as a fixed point. In such a conventional method, there is a problem in that error factors inside the optical fiber system such as not only the displacement of the object but also the minute displacement of the optical fiber and the influence of the temperature to the fixed point cannot be removed.

一方、従来MEMS技術で静電容量型のセンサを作成しようとすると、感度を高くすることが難しかった。例えば特表2008-500547号公報(特許文献3)若しくは特開2011-185943号公報(特許文献4)では、高感度の静電容量型MEMS加速度計を作成するために、コンデンサの電極面をスライドすることにより電極板の面積を変えて静電容量を変更する仕組みになっている。さらに、固有周期を下げるために柔らかいバネを入れながら、振動方向以外の振動を避けるために中間枠帯を設けている。しかし、中間枠帯を入れても電極間距離を変える方向は完全には防げないため、電極板のズレによる静電容量変化と、電極間距離の変化による静電容量の変化とを区別することができないという問題がある。   On the other hand, it has been difficult to increase the sensitivity when creating a capacitive sensor using conventional MEMS technology. For example, in Japanese translations of PCT publication No. 2008-500547 (Patent Document 3) or JP 2011-185943 (Patent Document 4), the electrode surface of a capacitor is slid to create a high-sensitivity capacitive MEMS accelerometer. By doing so, the capacitance is changed by changing the area of the electrode plate. Furthermore, an intermediate frame is provided to avoid vibrations other than the vibration direction while inserting a soft spring to lower the natural period. However, even if an intermediate frame is inserted, the direction of changing the distance between the electrodes cannot be completely prevented. Therefore, it is necessary to distinguish between changes in capacitance due to electrode plate displacement and changes in capacitance due to changes in the distance between electrodes. There is a problem that can not be.

更に、センサとしては300℃以上の高温度の環境においても、連続して正確に計測できることが強く要請されている。   Furthermore, there is a strong demand for sensors to be able to measure continuously and accurately even in high temperature environments of 300 ° C. or higher.

本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、部品を繋げるジョイント部を持たずMEMS技術によって加工が容易でかつ一体成形が可能であり、無電源で作動するセンサにより、300℃以上の高温環境下でも連続計測が可能で、高ダイナミックレンジ及び高サンプリング周波数で物理量を計測でき、160dB程度の高分解能を有する光干渉式センサ及びそれを用いた計測システムを提供することにある。   The present invention has been made under the circumstances as described above, and an object of the present invention is to provide a sensor that does not have a joint portion for connecting parts, can be easily formed by MEMS technology, can be integrally formed, and operates without a power source. Provides an optical interference sensor capable of continuous measurement even in a high temperature environment of 300 ° C or higher, capable of measuring physical quantities with a high dynamic range and high sampling frequency, and having a high resolution of about 160 dB and a measurement system using the same. There is.

本発明は光干渉式センサに関し、本発明の上記目的は、センサ本体の内部に、振動方向に対してバネ部材で支持された振動子を備え、前記振動方向に向かって前記振動子の前面に配設された変位面と、前記振動子の後面に、前記変位面と同軸に配設された基準面とを備え、光を前記基準面に照射すると共に、前記基準面からの反射光を受光する第1の光路系と、前記光を前記変位面に照射すると共に、前記変位面からの反射光を受光する第2の光路系と、前記第1の光路系又は前記第2の光路系に介挿された遅延部とを具備し、前記第1の光路系及び前記第2の光路系で受光された光を合波することによって、前記基準面と前記変位面の光路差を計測ことにより達成される。   The present invention relates to an optical interference sensor, and the object of the present invention is to provide a vibrator supported by a spring member in the vibration direction inside the sensor body, and to the front surface of the vibrator toward the vibration direction. A displacement surface disposed on the rear surface of the vibrator; a reference surface disposed coaxially with the displacement surface; and irradiating the reference surface with light and receiving reflected light from the reference surface. A first optical path system that irradiates the displacement surface with the light, a second optical path system that receives reflected light from the displacement surface, and the first optical path system or the second optical path system. By measuring the optical path difference between the reference plane and the displacement plane by combining the light received by the first optical path system and the second optical path system. Achieved.

本発明は計測システムに関し、本発明の上記目的は、前記各光干渉式センサと、強度変調及び位相変調された計測用光信号を発生し、前記照射用の光とする計測用光信号発生部と、前記受光された光の時分割多重信号を受光し、光−電気変換してディジタル化し、計測光、参照光及び干渉光に基づく位相変動信号をセンサ信号として出力するセンサ信号演算処理部とを具備することにより達成される。   The present invention relates to a measurement system, and the object of the present invention is to provide an optical signal generator for measurement that generates each optical interference sensor and an intensity-modulated and phase-modulated measurement optical signal as the irradiation light. And a sensor signal arithmetic processing unit that receives the time-division multiplexed signal of the received light, digitizes it by photoelectric conversion, and outputs a phase variation signal based on measurement light, reference light, and interference light as a sensor signal; It is achieved by comprising.

例えば従来の加速度センサは、高温でも一定時間動作する電子部品を選定して保温箱などに内蔵し、ペルチェ素子で冷却させながら数ヶ月間、200℃で加速度計測を行っているが、高温環境下で1年間以上継続して動作するセンサは存在しない。しかしながら、本発明の光干渉式センサは、Si単結晶若しくはSiO2単結晶からMEMS技術で加工作製されたホモダイン干渉方式若しくはマッハツェンダー方式の光干渉式センサであり、振動子の両面の相対変位を、1MHz以上の高サンプリング周波数で求めることにより、速度及び加速度を算出している。光干渉式センサは電源を必要としないので、電子部品による温度の影響を考慮する必要がなく、高温環境下で動作するSi若しくはSiO2で光ファイバ、センサ本体、バネ、反射面(反射鏡)を一体構成しているので、高温でも長時間正常に動作するセンサの作製が可能となる。Si単結晶は常圧では融点が1400℃、SiO2単結晶は常圧では500℃程度まで低温型石英の構造であるので、300℃程度の状態ではいずれも層転移を起こすことなく、物性が連続的に変化する。For example, a conventional acceleration sensor selects electronic components that operate for a certain period of time even at high temperatures and incorporates them in a heat insulation box, etc., and measures acceleration at 200 ° C for several months while cooling with a Peltier device. There is no sensor that operates continuously for more than one year. However, the optical interference type sensor of the present invention is a homodyne interference type or Mach-Zehnder type optical interference type sensor processed by MEMS technology from a Si single crystal or SiO 2 single crystal, and the relative displacement of both sides of the vibrator is measured. The speed and acceleration are calculated by obtaining at a high sampling frequency of 1 MHz or higher. The optical interference sensor does not require a power supply, so there is no need to consider the temperature effect of electronic components. Optical fiber, sensor body, spring, reflecting surface (reflecting mirror) with Si or SiO 2 operating in high temperature environment Therefore, a sensor that operates normally for a long time even at high temperatures can be manufactured. Si single crystals have a melting point of 1400 ° C at normal pressure, and SiO 2 single crystals have a low-temperature quartz structure up to about 500 ° C at normal pressure. It changes continuously.

また、従来、光干渉法を利用し、無電源で動作する加速度計は存在しているが、計測範囲がレーザ光波長の1/2までの領域に限られており、ダイナミックレンジは100dBが限界であった。しかしながら、本発明の光干渉式センサ及び計測システムでは、照射する例えば波長1.55μmのレーザ光を1〜10nsecの光パルスとし、位相を90°ずらせた光パルスと共に反射面に照射し、その反射光との干渉光を光−電気変換し、更にディジタル化することによって相対変位の変化を検出する方法を採用している。そのため、レーザ光の波長の1/2という制限がなく、1pm〜10nmの分解能を保ったまま半波長の10,000倍(7.7mm)を超える変位を連続的に検出することができる。これにより、例えば0.1nmの分解能で2mmまでの変位を1MHzで測定するモードでは、144dBのダイナミックレンジを実現することができる。   Conventionally, there are accelerometers that use optical interferometry and operate without a power supply, but the measurement range is limited to the region up to half the laser beam wavelength, and the dynamic range is limited to 100 dB. Met. However, in the optical interference sensor and measurement system of the present invention, for example, a laser beam with a wavelength of 1.55 μm is converted into an optical pulse of 1 to 10 nsec, and the reflection surface is irradiated with a light pulse whose phase is shifted by 90 °. The method employs a method of detecting a change in relative displacement by photoelectrically converting the interference light with the light and further digitizing it. Therefore, there is no restriction of 1/2 of the wavelength of the laser beam, and displacement exceeding 10,000 times half wavelength (7.7 mm) can be continuously detected while maintaining a resolution of 1 pm to 10 nm. Thereby, for example, in a mode in which a displacement of up to 2 mm is measured at 1 MHz with a resolution of 0.1 nm, a dynamic range of 144 dB can be realized.

従来の光干渉法では、光ファイバに接続した反射鏡をセンサ対象物とは異なる固定点(基準面)として、対象物(変位面)に設置した反射鏡との相対的な変位を検出するようになっている。かかる従来方法では、センサ対象物の変位だけでなく、光ファイバの微小な変位、固定点までの温度の影響など、光ファイバ系内部の誤差要因を除去できないという問題がある。これに対し本発明の光干渉式センサでは、対象物(センサ本体)の内部に基準面を設け、対象物の運動系内部での変位面の相対的な変位を直接計測するようにしているので、計測値は振動子の振動特性による変位だけを示す。そのため、ファイバ系の微小振動や温度による計測誤差の影響を受けない利点がある。   In the conventional optical interferometry, the reflection mirror connected to the optical fiber is used as a fixed point (reference surface) different from the sensor object, and the relative displacement with the reflection mirror installed on the object (displacement surface) is detected. It has become. In such a conventional method, there is a problem in that error factors inside the optical fiber system such as not only the displacement of the sensor object but also the minute displacement of the optical fiber and the influence of the temperature up to the fixed point cannot be removed. On the other hand, in the optical interference sensor of the present invention, a reference surface is provided inside the object (sensor body), and the relative displacement of the displacement surface inside the motion system of the object is directly measured. The measured value indicates only the displacement due to the vibration characteristics of the vibrator. Therefore, there is an advantage that it is not affected by measurement errors due to minute vibrations or temperature of the fiber system.

本発明では、振動子やバネの材質としてりん青銅などの金属バネ材料ではなく、MEMS加工に適したSi単結晶やSiO2単結晶を用いている。Si単結晶やSiO2単結晶は金属材料に比べて温度係数、ヤング率が小さく、微小加速度に対し完全弾性体として挙動する。一方、りん青銅など金属材料は、結晶構造の格子欠陥や粒界の固着力のばらつきにより、微小加速度を受けた時に変位を起こさなかったり、飛び変位を生じることがある。しかし、Si単結晶やSiO2単結晶を用いることにより、材料の均質性が保持されると共に、微小加速度による微小変位時の線形性が保持され、微小変位を計測することで微小加速度(例えば1nG)から大加速度(例えば10G)までを検出することができる。本発明では微小変位計測(分解能で0.1nm以下)を実現するため、Si単結晶やSiO2単結晶の振動子を採用しており、微小変位を検出する方式として適切である。In the present invention, a Si single crystal or SiO 2 single crystal suitable for MEMS processing is used as the material of the vibrator and the spring, not a metal spring material such as phosphor bronze. Si single crystal and SiO 2 single crystal have a smaller temperature coefficient and Young's modulus than metal materials, and behave as a complete elastic body against minute acceleration. On the other hand, metallic materials such as phosphor bronze may not cause displacement or may cause jump displacement when subjected to minute acceleration due to lattice defects in the crystal structure and variations in the fixing force of grain boundaries. However, by using Si single crystal or SiO 2 single crystal, the homogeneity of the material is maintained, and the linearity at the time of minute displacement by minute acceleration is retained, and minute acceleration (for example, 1 nG) is measured by measuring minute displacement. ) To a large acceleration (for example, 10G) can be detected. In the present invention, in order to realize a minute displacement measurement (with a resolution of 0.1 nm or less), a Si single crystal or SiO 2 single crystal vibrator is employed, which is suitable as a method for detecting a minute displacement.

光干渉型センサ(第1特許)の原理を説明するための構成図である。It is a block diagram for demonstrating the principle of an optical interference type sensor (1st patent). 光干渉型センサ(第1特許)の動作例を示すタイムチャートある。It is a time chart which shows the operation example of an optical interference type sensor (1st patent). 光干渉型センサ(第1特許)の特性例を示す図である。It is a figure which shows the example of a characteristic of an optical interference type sensor (1st patent). 光干渉型センサ(第2特許)の原理を説明するための構成図である。It is a block diagram for demonstrating the principle of an optical interference type sensor (2nd patent). 光干渉型センサ(第2特許)の動作例を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the operation example of an optical interference type sensor (2nd patent). 光干渉型センサ(第2特許)の特性例を示す図である。It is a figure which shows the example of a characteristic of an optical interference type sensor (2nd patent). 本発明に係る光干渉式センサの第1実施形態の結線・構造例を示す平面構成図である。It is a plane block diagram which shows the connection and the structural example of 1st Embodiment of the optical interference type sensor which concerns on this invention. 本発明に係る光干渉式センサの第2実施形態の結線・構造例を示す平面構成図である。It is a plane block diagram which shows the connection and the structural example of 2nd Embodiment of the optical interference type sensor which concerns on this invention. 本発明に係る光干渉式センサ(ホモダイン型)を複数用いた計測システムの構成例(システム第1実施形態)を示すブロック構成図である。1 is a block configuration diagram showing a configuration example (system first embodiment) of a measurement system using a plurality of optical interference sensors (homodyne type) according to the present invention. 本発明に係る光干渉式センサ(マッハツェンダー型)を複数用いた計測システムの構成例(システム第2実施形態)を示すブロック構成図である。It is a block block diagram which shows the structural example (system 2nd Embodiment) of the measurement system using two or more optical interference type sensors (Mach-Zehnder type) which concern on this invention. 本発明に係る光干渉式センサの第3実施形態の結線・構造例を示す平面構成図である。It is a plane block diagram which shows the connection and the structural example of 3rd Embodiment of the optical interference type sensor which concerns on this invention. 本発明に係る光干渉式センサの第4実施形態の結線・構造例を示す平面構成図である。It is a plane block diagram which shows the connection and the structural example of 4th Embodiment of the optical interference type sensor which concerns on this invention. 本発明に係る光干渉式センサの第5実施形態の結線・構造例を示す平面構成図である。It is a plane block diagram which shows the connection and the structural example of 5th Embodiment of the optical interference type sensor which concerns on this invention. 第5実施形態の一部を詳細に示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of 5th Embodiment in detail.

本発明に係る光干渉式センサは、Si若しくはSiO2(石英)の単結晶基板をMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術でエッチング処理して作製し、バネ部材と振動子の空間を密閉(シールド)処理して閉空間としている。センサ本体内の空間に設けられた振動子の一方を変位面(光の反射面)、他方を基準面(光の反射面)とし、基準面に対する変位面の相対変位1nm〜10mm位の範囲を、例えば1pm〜1nmの分解能で1MHz〜100MHzのサンプリング周波数を用いて光干渉法で計測することによって、振動子の変位面が外力によって受ける物理量を正確かつ高速度に、大きなダイナミックレンジ(例えば140dB〜170dB)で求めることが可能なセンサである。光干渉式センサで得られた計測データを、高サンプリング周波数で演算処理することによって、容易に速度センサや加速度センサとして利用することができる。The optical interference sensor according to the present invention is produced by etching a single crystal substrate of Si or SiO 2 (quartz) using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology, and sealing the space between the spring member and the vibrator (shield). Processed into a closed space. One of the vibrators provided in the space inside the sensor body is the displacement surface (light reflection surface) and the other is the reference surface (light reflection surface). For example, by measuring with optical interferometry using a sampling frequency of 1 MHz to 100 MHz with a resolution of 1 pm to 1 nm, the physical quantity that the displacement surface of the vibrator receives due to external force can be accurately and at high speed, with a large dynamic range (e.g., 140 dB to It is a sensor that can be obtained at 170 dB). By processing the measurement data obtained by the optical interference sensor at a high sampling frequency, it can be easily used as a speed sensor or an acceleration sensor.

高サンプリング周波数(1MHz〜100MHz)で計測された振動子の変位面の変位データから、振動計測で求められるサンプリング周波数(10Hz〜10kHz)にデシメーションする過程で相対変位の分解能を10pmに上げ、速度、加速度を求めるデシメーションフィルタ処理を行う。これにより、振動子の変位面の基準面に対する相対変位を10pmの分解能で±1mmの範囲で計測し、サンプリング周波数1kHzでダイナミックレンジ166dBの速度センサ、加速度センサを実現できる。   From the displacement data of the displacement surface of the transducer measured at a high sampling frequency (1 MHz to 100 MHz), the resolution of the relative displacement is increased to 10 pm in the process of decimating the sampling frequency (10 Hz to 10 kHz) obtained by vibration measurement, Decimation filter processing for obtaining acceleration is performed. As a result, the relative displacement of the displacement surface of the vibrator with respect to the reference surface is measured in a range of ± 1 mm with a resolution of 10 pm, and a speed sensor and an acceleration sensor with a dynamic range of 166 dB at a sampling frequency of 1 kHz can be realized.

本発明の光干渉式センサを加速度センサに適用した場合、微小な加速度(約1nG)から大加速度まで(約10G)に正確に応答し、それに対応する変位を±10pm〜±1mmの範囲で出力する振動子の構造を用いている。従来の静電容量型MEMS加速度センサでは、電極板間距離の変化若しくは電極板がスライドすることによる電極板面積の変化によって計測を行っていたが、それらには電気的限界などがあり、高ダイナミックレンジを取ることができなかった。しかし、本発明では電極面は存在せず、小さな変位と共に、大きな変位をも正確に計測できることに特徴がある。   When the optical interference sensor of the present invention is applied to an acceleration sensor, it accurately responds from minute acceleration (about 1nG) to large acceleration (about 10G) and outputs the corresponding displacement in the range of ± 10pm to ± 1mm. The structure of the vibrator is used. In conventional capacitive MEMS acceleration sensors, measurement is performed by changing the distance between the electrode plates or by changing the electrode plate area due to the sliding of the electrode plates. Could not take the range. However, the present invention is characterized in that there is no electrode surface and that a large displacement can be accurately measured together with a small displacement.

本発明では、振動子の両面を変位面及び基準面とし、変位面及び基準面の相対変位及びそれに伴う物理量を、光干渉法を用いた物理量の計測方法(例えば特許第5118004号(第1特許)、特許第5118246号(第2特許))によって計測する。具体的には、センサ本体の内部に1軸のバネ部を構成し、このバネ部で支持された振動子の両面をそれぞれ変位面及び基準面とし、それぞれの面にレーザ光の反射ミラーを設ける。外力による本振動子の変位量(加速度、速度)は、それぞれの反射光の干渉信号から光路差を導くことで求める。   In the present invention, both sides of the vibrator are used as a displacement surface and a reference surface, and the relative displacement between the displacement surface and the reference surface and the accompanying physical quantity are measured using a physical quantity measurement method (for example, Japanese Patent No. 5118004 (first patent) ), Patent No. 5118246 (second patent)). Specifically, a uniaxial spring portion is formed inside the sensor body, and both surfaces of the vibrator supported by the spring portion are used as a displacement surface and a reference surface, respectively, and a laser beam reflecting mirror is provided on each surface. . The amount of displacement (acceleration, speed) of the vibrator due to external force is obtained by deriving the optical path difference from the interference signal of each reflected light.

振動子が振動方向の1軸方向に変位する1軸支持式では、基準面と変位面に照射された光が反射面から同方向に反射され、ホモダイン干渉若しくはマッハツェンダー干渉の干渉信号に基づいて光路差を求めることができる。   In the uniaxial support type in which the vibrator is displaced in the uniaxial direction of the vibration direction, the light applied to the reference surface and the displacement surface is reflected in the same direction from the reflecting surface, and is based on the interference signal of homodyne interference or Mach-Zehnder interference. The optical path difference can be obtained.

振動子とバネ部材はセンサ本体の振動方向の中心(中心線)に対して対称形の形状を有し、振動子とセンサ本体の間をシームレスに結ぶバネ部材で閉空間を形成し、振動子の振動に伴ってダンパ効果を持つようになっている。   The vibrator and the spring member have a symmetrical shape with respect to the center (center line) of the vibration direction of the sensor body, and a closed space is formed by a spring member that seamlessly connects the vibrator and the sensor body. It has a damper effect with the vibration.

本発明は、本出願人に係る特許第5118004号(第1特許)及び特許第5118246号(第2特許)に開示されている光干渉法の原理を用いており、先ずその概略を説明する。   The present invention uses the principle of the optical interferometry disclosed in Japanese Patent No. 5118004 (first patent) and Japanese Patent No. 5118246 (second patent) according to the present applicant.

図1は、特許第5118004号(第1特許)に示される光干渉型センサ(ホモダイン干渉)の概略構成であり、図2(A)に示すような光パルスの参照光Rが、光ファイバ11から光カプラ10に入射されて光ファイバ12から照射(参照光R)されると共に、その照射光が基準反射面14から反射される。また、図2(B)に示すような光パルスの計測光Sが光ファイバ11から光カプラ10に入射され、遅延時間t/2をもって光ファイバ13から照射されると共に、その照射光(計測光S)が計測反射面15から反射される。本例は、基準反射面14に対して、参照光Rの照射もその反射光の受光も同一の光ファイバ12で行い、計測反射面15に対して、計測光Sの照射もその反射光の受光も同一の光ファイバ13で行うようになっており、1本の光ファイバで投受光を行うホモダイン干渉型と称される。基準反射面14及び計測反射面15から反射された光は光カプラ10で合波され、反射光R,I,Sとして、入射された光ファイバ11から出射される。入力される光パルスは短いので、その間は光のレベルは変化しないと考える。   FIG. 1 is a schematic configuration of an optical interference sensor (homodyne interference) disclosed in Japanese Patent No. 5118004 (first patent). Reference light R of an optical pulse as shown in FIG. Is incident on the optical coupler 10 and irradiated from the optical fiber 12 (reference light R), and the irradiated light is reflected from the reference reflecting surface 14. Further, the measurement light S of an optical pulse as shown in FIG. 2B enters the optical coupler 10 from the optical fiber 11 and is irradiated from the optical fiber 13 with a delay time t / 2, and the irradiated light (measurement light). S) is reflected from the measurement reflecting surface 15. In this example, irradiation of the reference light R and reception of the reflected light are performed on the standard reflection surface 14 by the same optical fiber 12, and the measurement light S is irradiated on the measurement reflection surface 15 by the reflected light. Light reception is also performed by the same optical fiber 13, which is referred to as a homodyne interference type in which light is projected and received by a single optical fiber. The light reflected from the reference reflection surface 14 and the measurement reflection surface 15 is combined by the optical coupler 10 and emitted from the incident optical fiber 11 as reflected light R, I, and S. Since the input light pulse is short, it is considered that the light level does not change during that time.

光カプラ10で合波された反射光は図2(C)に示すように、参照光R、計測光Sと共に、参照光R及び計測光Sが干渉する干渉光Iを含むことになり、参照光R及び計測光Sの位相差θ、つまり基準面(基準反射面14)と計測面(計測反射面15)との位相差θは、下記数1で表される。なお、計測光Sは同一経路で照射され、その反射光Sも同一経路を経るので、合計遅延時間はt/2+t/2=tとなる。   As shown in FIG. 2C, the reflected light combined by the optical coupler 10 includes the reference light R and the measurement light S, and the interference light I with which the reference light R and the measurement light S interfere. The phase difference θ between the light R and the measurement light S, that is, the phase difference θ between the reference surface (reference reflection surface 14) and the measurement surface (measurement reflection surface 15) is expressed by the following equation (1). The measurement light S is irradiated through the same path, and the reflected light S also passes through the same path, so that the total delay time is t / 2 + t / 2 = t.

Figure 0006002329
そして、位相変化に対するcosθの特性は図3に示すようになり、反射光の干渉光I,参照光R,計測光Sを計測してcosθを求めることにより、光信号レベル変動の影響を受けない光干渉型センサを構成することができる。
Figure 0006002329
The characteristics of cosθ with respect to the phase change are as shown in FIG. An optical interference sensor can be configured.

図4は、特許第5118246号(第2特許)に示される光干渉型センサ(ホモダイン干渉)の概略構成であり、図5(A)に示すような領域#1及び#2で位相差90°を有する光パルスの参照光Rが、光ファイバ21から光カプラ20に入射されて光ファイバ22から照射(参照光R)されると共に、その照射光が基準反射面24から反射され光ファイバ22に入射する。また、図5(B)に示すような領域#1及び#2で位相差90°を有する光パルスの計測光Sが光ファイバ21から光カプラ20に入射され、遅延時間t/2をもって光ファイバ23から照射されると共に、その照射光(計測光S)が計測反射面25から反射されて光ファイバ23に入射する。なお、領域#1及び#2の時間比はいずれのパルスも2対1となっている。基準反射面24及び計測反射面25から反射された光は光カプラ20で合波され、反射光R,I1,I2,Sとして入射された光ファイバ21から出射される。   FIG. 4 is a schematic configuration of an optical interference sensor (homodyne interference) shown in Japanese Patent No. 5118246 (second patent), and a phase difference of 90 ° in regions # 1 and # 2 as shown in FIG. The reference light R of the optical pulse having the above is incident on the optical coupler 20 from the optical fiber 21 and irradiated (reference light R) from the optical fiber 22, and the irradiated light is reflected from the reference reflecting surface 24 and is applied to the optical fiber 22. Incident. Further, the measurement light S of an optical pulse having a phase difference of 90 ° in the regions # 1 and # 2 as shown in FIG. 5B is incident on the optical coupler 20 from the optical fiber 21, and has an optical fiber having a delay time t / 2. In addition, the irradiation light (measurement light S) is reflected from the measurement reflection surface 25 and enters the optical fiber 23. The time ratio between the regions # 1 and # 2 is 2 to 1 for both pulses. The light reflected from the reference reflection surface 24 and the measurement reflection surface 25 is combined by the optical coupler 20 and emitted from the incident optical fiber 21 as reflected light R, I1, I2, and S.

基準反射面24及び計測反射面25に照射された光はいずれも反射されるので、反射光は図5(C)に示すように、参照光R、計測光Sと共に、参照光R及び計測光Sが干渉する2つの異なる干渉光I1及びI2を含むことになり、複数の異なる位相の干渉出力が得られる。   Since both the light applied to the standard reflecting surface 24 and the measuring reflecting surface 25 are reflected, the reflected light is the reference light R and measuring light together with the reference light R and measuring light S as shown in FIG. Two different interference lights I1 and I2 with which S interferes are included, and a plurality of interference outputs having different phases are obtained.

第1特許では、参照光と計測光の位相関係が、位相差90度を動作点としたときに、計測可能な位相の最大は±90°(半波長)しかなく、これを越えることは原理的に不可能であるが、第2特許では、90°位相をずらした光パルスを一定の周波数(例えば1MHz)で入力することにより、その壁を乗り越えて計測することが可能になっている。   According to the first patent, when the phase relationship between the reference beam and the measuring beam is 90 degrees, the maximum measurable phase is only ± 90 ° (half wavelength), and it is the principle that it exceeds this. However, in the second patent, by inputting an optical pulse whose phase is shifted by 90 ° at a constant frequency (for example, 1 MHz), it is possible to measure over the wall.

図6は、90°位相差があるcosθ1とcosθ2による連続計測の様子を示している。計測値は両者の値のうち、1/√2と-1/√2の間にあるものを常に選択する。位相の変動方向は、直前に計測した位相との差から判定する。このことにより、その半波長の長さを越えた変位を計測することが可能となる。   FIG. 6 shows a state of continuous measurement using cos θ1 and cos θ2 having a phase difference of 90 °. The measurement value is always selected between 1 / √2 and -1 / √2 among the two values. The phase fluctuation direction is determined from the difference from the phase measured immediately before. This makes it possible to measure the displacement beyond the half wavelength length.

本発明では上述した第1特許及び第2特許の計測原理を応用し、以下に説明する光干渉式センサ及びそれを用いた計測システムを構築する。   In the present invention, the above-described measurement principles of the first and second patents are applied to construct an optical interference sensor described below and a measurement system using the same.

図7は、本発明に係るホモダイン干渉型で、1軸支持式の光干渉式センサ100の構造例(センサ第1実施形態)を示す平面構成図及び結線図であり、計測対象物であるセンサ本体110はSi結晶体基板若しくはSiO2結晶体基板からMEMS技術によって一体的に作製され、センサ本体110は方形状の空洞部111を有し、U字状の直線で形成された4つのバネ112A,112B,113A,113Bで支持された振動子114を空洞部111内に備えている。振動子114及びバネ112A〜113BもMEMS技術によって作製される。振動子114並びにバネ112Aと112B、バネ113Aと113Bは、振動方向(図示X方向)の中心線CL1に対して対称な形状となっており、振動子114はY方向には無視できる程度の変化にとどまり、X方向の1軸に変位する構造になっている。振動子114の前面中央部には、鏡面処理された平面な反射面(変位面)115が設けられており、振動子114の後面中央部には鏡面処理された平面な反射面(基準面)116が設けられている。センサ本体110は、例えば縦横が10mm、厚さは400μmであり、反射面115及び116はミラーであっても良い。FIGS. 7A and 7B are a plan configuration diagram and a connection diagram showing a structural example (sensor first embodiment) of a homodyne interference type single-axis support type optical interference sensor 100 according to the present invention, and a sensor that is a measurement object The main body 110 is integrally manufactured from a Si crystal substrate or a SiO 2 crystal substrate by MEMS technology, and the sensor main body 110 has a square cavity 111 and four springs 112A formed by U-shaped straight lines. , 112B, 113A, 113B are provided in the cavity 111. The vibrator 114 and the springs 112A to 113B are also produced by MEMS technology. The vibrator 114, the springs 112A and 112B, and the springs 113A and 113B have a symmetrical shape with respect to the center line CL1 in the vibration direction (X direction in the drawing), and the vibrator 114 has a negligible change in the Y direction. However, it has a structure that is displaced to one axis in the X direction. A mirror-processed flat reflecting surface (displacement surface) 115 is provided at the center of the front surface of the vibrator 114, and a mirror-treated flat reflecting surface (reference surface) is provided at the center of the rear surface of the vibrator 114. 116 is provided. The sensor main body 110 may be, for example, 10 mm in length and width and 400 μm in thickness, and the reflecting surfaces 115 and 116 may be mirrors.

図示はしないが、空洞部111はMEMS加工の後、硼珪酸ガラス板などでシールドされて密閉され、閉空間となっている。つまり、閉空間内に振動子114、バネ112A〜113Bが配設されている。閉空間内は真空であっても、気体が充填されていても良い。   Although not shown, the cavity 111 is sealed and sealed by a borosilicate glass plate or the like after MEMS processing, thereby forming a closed space. That is, the vibrator 114 and the springs 112A to 113B are disposed in the closed space. The closed space may be a vacuum or may be filled with gas.

計測システム300は後述するが、計測システム300には、照射する光(レーザ光)を伝送する光ファイバ101A、反射された光を光サーキュレータ101から入射する光ファイバ101Cが接続されており、光サーキュレータ101には光ファイバ101Bを経て光カプラ102が接続されている。光カプラ102には、基準面となる反射面116に光を照射し、その反射光を受光する光ファイバ102Aと、変位面となる反射面115に遅延部103を経て光を照射し、その反射光を受光する光ファイバ102Bとが接続されている。また、光ファイバ102A及び102Bの各先端には、光の平行照射及び平行受光を確実に行うためのコリメータ104A及び104Bが設けられているが、必須のものではない。   Although the measurement system 300 will be described later, the measurement system 300 is connected to an optical fiber 101A that transmits light to be irradiated (laser light) and an optical fiber 101C that receives reflected light from the optical circulator 101. An optical coupler 102 is connected to 101 via an optical fiber 101B. The optical coupler 102 is irradiated with light through a delay portion 103 to an optical fiber 102A that receives the reflected light 116, which receives the reflected light, and the reflecting surface 115 that serves as a displacement surface, and reflects the reflected light. An optical fiber 102B that receives light is connected. Further, collimators 104A and 104B for reliably performing parallel light irradiation and parallel light reception are provided at the tips of the optical fibers 102A and 102B, but this is not essential.

このような構成において、計測システム300で発生された計測用光信号は、光ファイバ101A、光サーキュレータ101、光ファイバ101B、光カプラ102、光ファイバ102A、コリメータ104Aを経て基準面の反射面116に照射される。反射面116は平面であり、反射面116から反射された反射光は、逆にコリメータ104A、光ファイバ102A、光カプラ102、光ファイバ101B、光サーキュレータ101を経て、光ファイバ101Cから計測システム300に入射される。光カプラ102で分波された計測用光信号は、遅延部103を具備した光ファイバ102B、コリメータ104Bを経て変位面となる反射面115に照射され、反射面115から反射された反射光は逆にコリメータ104B、光ファイバ102B、光カプラ102、光ファイバ101B、光サーキュレータ101を経て、光ファイバ101Cから計測システム300に入射される。   In such a configuration, the measurement optical signal generated in the measurement system 300 passes through the optical fiber 101A, the optical circulator 101, the optical fiber 101B, the optical coupler 102, the optical fiber 102A, and the collimator 104A, and is reflected on the reflection surface 116 of the reference surface. Irradiated. The reflection surface 116 is a flat surface, and the reflected light reflected from the reflection surface 116 passes through the collimator 104A, the optical fiber 102A, the optical coupler 102, the optical fiber 101B, and the optical circulator 101, and then passes from the optical fiber 101C to the measurement system 300. Incident. The measurement optical signal demultiplexed by the optical coupler 102 is applied to the reflecting surface 115 serving as a displacement surface via the optical fiber 102B provided with the delay unit 103 and the collimator 104B, and the reflected light reflected from the reflecting surface 115 is reversed. Then, the light enters the measurement system 300 from the optical fiber 101C via the collimator 104B, the optical fiber 102B, the optical coupler 102, the optical fiber 101B, and the optical circulator 101.

本実施形態では、振動子114が中心線CL1に対して対称であると共に、4つのバネ112A〜113Bで均等に前後に支持されているので、振動運動に対して振動子114は振動方向(X方向)にのみ変位し、他の方向(例えばY方向)には無視できる程度の変位である。その結果、変位面の反射面115も振動方向(X方向)にのみ変位するので、確実にかつ正確に光路差を計測することができる。本実施形態では、基準面116及び変位面115は同一線上にかつ振動子114と一体になっているので、光路差を振動子の変位量の2倍として計測することができる。   In the present embodiment, the vibrator 114 is symmetrical with respect to the center line CL1 and is equally supported by the four springs 112A to 113B in the front-rear direction. (Direction) and is negligible in other directions (for example, Y direction). As a result, the reflecting surface 115 of the displacement surface is also displaced only in the vibration direction (X direction), so that the optical path difference can be measured reliably and accurately. In this embodiment, since the reference surface 116 and the displacement surface 115 are on the same line and integrated with the vibrator 114, the optical path difference can be measured as twice the displacement amount of the vibrator.

図8は、本発明に係るマッハツェンダー干渉型で、1軸支持式の光干渉式センサ120の構造例(センサ第2実施形態)を示す平面構成図及び結線図であり、計測対象物であるセンサ本体130はセンサ第1実施形態と同様に、Si結晶体基板若しくはSiO2結晶体基板からMEMS技術によって一体的に作製され、センサ本体130は方形状の空洞部131を有し、U字状の直線で形成された4つのバネ132A,132B,133A,133Bで支持された振動子134を空洞部131内に備えている。センサ第1実施形態と同様に、振動子134並びにバネ132Aと132B、バネ133Aと133Bは、振動方向(図示X方向)の中心線CL2に対して対称な形状となっており、振動子134はY方向には無視できる程度の変位にとどまり、X方向の1軸に変位する構造になっている。振動子134の前面中央部には、鏡面処理された断面V字状の形状で再帰特性を有する反射面(変位面)135が設けられており、振動子134の後面中央部には、鏡面処理された断面V字状の形状で再帰特性を有する反射面(基準面)136が設けられている。本例も空洞部134はMEMS加工の後、硼珪酸ガラス板等でシールドされて密閉され、閉空間となっている。反射面(変位面)135及び反射面(基準面)136はV型ミラーであっても良い。FIG. 8 is a plan configuration diagram and a connection diagram showing a structural example (sensor second embodiment) of a Mach-Zehnder interference type uniaxial support type optical interference sensor 120 according to the present invention, which is a measurement object. Similar to the first embodiment of the sensor, the sensor main body 130 is integrally manufactured from the Si crystal substrate or the SiO 2 crystal substrate by MEMS technology, and the sensor main body 130 has a rectangular cavity 131 and is U-shaped. An oscillator 134 supported by four springs 132A, 132B, 133A, 133B formed by straight lines is provided in the cavity 131. Similar to the sensor first embodiment, the vibrator 134, the springs 132A and 132B, and the springs 133A and 133B have a symmetrical shape with respect to the center line CL2 in the vibration direction (the X direction in the drawing). The displacement is negligible in the Y direction, and is displaced to one axis in the X direction. A reflection surface (displacement surface) 135 having a V-shaped cross-section that has been mirror-finished and having recursive characteristics is provided at the center of the front surface of the vibrator 134. A reflecting surface (reference surface) 136 having a V-shaped cross section and having recursive characteristics is provided. In this example as well, the cavity 134 is sealed and sealed with a borosilicate glass plate or the like after MEMS processing, thereby forming a closed space. The reflection surface (displacement surface) 135 and the reflection surface (reference surface) 136 may be V-shaped mirrors.

計測システム300には、照射する光(レーザ光)を伝送する光ファイバ121及び反射光を入射する光ファイバ126が接続されている。光ファイバ121には照射光を分波する光カプラ122が接続され、光ファイバ126には反射光を合波する光カプラ127が接続されている。光カプラ122には、基準面となる反射面136に光を照射する光ファイバ123Aと、変位面となる反射面135に遅延部124を経て光を照射する光ファイバ123Bとが接続されている。また、光カプラ127には、反射面136からの反射光を受光する光ファイバ128Aと、反射面13からの反射光を受光する光ファイバ128Bとが接続されている。また、光ファイバ123A,123B及び128A,128Bの各先端には、光の平行照射及び平行受光を確実に行うためのコリメータ125A,125B及び129A,129Bが設けられているが、必須のものではない。   Connected to the measurement system 300 are an optical fiber 121 that transmits light to be irradiated (laser light) and an optical fiber 126 that receives reflected light. An optical coupler 122 that demultiplexes irradiation light is connected to the optical fiber 121, and an optical coupler 127 that combines reflected light is connected to the optical fiber 126. Connected to the optical coupler 122 are an optical fiber 123A for irradiating light to a reflecting surface 136 serving as a reference surface, and an optical fiber 123B for irradiating light to a reflecting surface 135 serving as a displacement surface via a delay unit 124. The optical coupler 127 is connected to an optical fiber 128 </ b> A that receives reflected light from the reflecting surface 136 and an optical fiber 128 </ b> B that receives reflected light from the reflecting surface 13. Further, collimators 125A, 125B and 129A, 129B are provided at the tips of the optical fibers 123A, 123B and 128A, 128B to ensure parallel irradiation and light reception of light, but this is not essential. .

なお、反射面135及び136はV字状(直交)の形状となっており、いずれも一方の面に照射された光が方向変換され、他方の面から入射と同一方向に反射されるような再帰特性を有している。V字状(直交)の形状だけではなく、プリズムを用いて同様な再帰特性の反射面を形成することも可能である。   The reflecting surfaces 135 and 136 are V-shaped (orthogonal), and the light irradiated to one surface is changed in direction and reflected from the other surface in the same direction as incident. Has recursive properties. In addition to the V-shaped (orthogonal) shape, it is also possible to form a reflective surface having similar recursive characteristics using a prism.

このような構成において、計測システム300で発生された計測用光信号は、光ファイバ121を経て光カプラ122で分波され、一方は光ファイバ123A、コリメータ125Aを経て基準面の反射面136に照射され、他方は光ファイバ123B、コリメータ125Bを経て変位面の反射面135に照射される。反射面136からの反射光は、コリメータ129A、光ファイバ128Aを経て光カプラ127に入射され、反射面135からの反射光は、コリメータ129B、光ファイバ128Bを経て光カプラ127に入射される。光カプラ127で合波された光は、光ファイバ126を経て計測システム300に入射される。   In such a configuration, the measurement optical signal generated by the measurement system 300 is demultiplexed by the optical coupler 122 via the optical fiber 121, and one of the signals is irradiated to the reflection surface 136 of the reference surface via the optical fiber 123A and the collimator 125A. The other is irradiated to the reflecting surface 135 of the displacement surface through the optical fiber 123B and the collimator 125B. The reflected light from the reflecting surface 136 enters the optical coupler 127 via the collimator 129A and the optical fiber 128A, and the reflected light from the reflecting surface 135 enters the optical coupler 127 via the collimator 129B and the optical fiber 128B. The light combined by the optical coupler 127 enters the measurement system 300 through the optical fiber 126.

本センサ実施形態2もセンサ実施形態1と同様に、振動子134が中心線CL2に対して対称であると共に、4つのバネ132A〜133Bで均等に前後に支持されているので、振動運動に対して振動子134は振動方向(X方向)にのみ変位し、他の方向(例えばY方向)には無視できる程度の変位である。その結果、変位面の反射面135も振動方向(X方向)にのみ変位するので、確実にかつ正確に光路差を計測することができる。本実施形態では、基準面136及び変位面136は同一線上にかつ振動子と一体になっていると共に、V字状の基準面136及び変位面136で2回反射されるため、光路差を4倍の変位量で計測することができる。   Similarly to the sensor embodiment 1, the sensor embodiment 2 is symmetrical with respect to the center line CL2 and is equally supported by the four springs 132A to 133B. Thus, the vibrator 134 is displaced only in the vibration direction (X direction) and is negligible in other directions (for example, the Y direction). As a result, the reflecting surface 135 of the displacement surface is also displaced only in the vibration direction (X direction), so that the optical path difference can be measured reliably and accurately. In this embodiment, the reference surface 136 and the displacement surface 136 are on the same line and integrated with the vibrator, and are reflected twice by the V-shaped reference surface 136 and the displacement surface 136, so that the optical path difference is 4 It can be measured with double displacement.

上記ホモダイン干渉型及びマッハツェンダー干渉型の1軸支持式センサは、いずれもバネ部材と振動子は天井板及び底板でシールドされた密閉の閉空間を構成し、振動子の運動に伴って左右の空間体積が変化することにより、充填気体の粘性によりダンパ効果をもたらす。これにより、大きな加速度がかかった時の振動子とセンサ本体との衝突を避け、耐久性をもたらす。振動子とバネ部材は振動方向に対して対称な形を持つ構造であり、振動方向以外の他軸感度を下げる効果が大きい。   In the homodyne interference type and Mach-Zehnder interference type single-axis support sensors, both the spring member and the vibrator constitute a sealed closed space where the ceiling plate and the bottom plate are shielded, By changing the spatial volume, a damper effect is brought about by the viscosity of the filling gas. This avoids a collision between the vibrator and the sensor body when a large acceleration is applied, and provides durability. The vibrator and the spring member have a structure having a symmetric shape with respect to the vibration direction, and the effect of lowering the sensitivity of other axes other than the vibration direction is great.

次に、上述した光干渉式センサを用いた計測システムの構成例を、図面に示して説明する。   Next, a configuration example of a measurement system using the above-described optical interference sensor will be described with reference to the drawings.

図9の計測システムは、センサの第1実施形態で示したホモダイン干渉型で、1軸支持式の光干渉式センサ100を複数(本例では3個)用いて、各センサに加わる加速度等の物理量を計測する例(システム第1実施形態)を示している。センサ#1〜#3は同一の構造であり、図7で説明した内容と同一であるので説明を省略する。なお、図9では、センサ#3を省略している。   The measurement system of FIG. 9 is a homodyne interference type shown in the first embodiment of the sensor, and uses a plurality of (three in this example) uniaxial support type optical interference sensors 100, such as acceleration applied to each sensor. The example (system 1st embodiment) which measures a physical quantity is shown. The sensors # 1 to # 3 have the same structure and are the same as the contents described with reference to FIG. In FIG. 9, sensor # 3 is omitted.

計測システム300は計測用光信号発生部310及びセンサ信号演算処理部320で構成されており、計測用光信号発生部310は、高安定のレーザ光源311で発生された連続レーザ光を強度変調して光パルスを生成する光強度変調部312と、光パルスの位相を90°(π/2)ずらせて出力する光位相変調部313とで構成されている。計測用光信号発生部310は計測信号及び計測の参照として使用する参照信号を発生する。光位相変調部313からの計測用光信号(光パルス)は、光ファイバ101Aを経て光サーキュレータ101に入射され、更に光ファイバ101Bを経て光カプラ160に入射される。計測用光信号発生部310は、周期Tでパルス幅3tの計測用光信号を出力する。この3tパルスは前方の2t幅と後方の1t幅を、位相が90°異なる(直交位相)よう位相変調した構成になっている。計測用光信号は光カプラ160で分波され、一方はセンサ#1の光カプラCP1を経て前述のようにセンサ#1の反射部に照射され、他方は遅延部161Bを具備する光ファイバ161Aを経て光カプラ162に入射される。光カプラ162で分波された一方の光は、センサ#2の光カプラCP2を経てセンサ#2の反射部に照射され、他方の光は遅延部163Bを具備する光ファイバ163Aを経てセンサ#3の光カプラCP3に入射され、センサ#3の反射部に照射される。   The measurement system 300 includes a measurement optical signal generation unit 310 and a sensor signal calculation processing unit 320. The measurement optical signal generation unit 310 intensity-modulates continuous laser light generated by a highly stable laser light source 311. The optical intensity modulation unit 312 that generates the optical pulse and the optical phase modulation unit 313 that outputs the optical pulse with the phase shifted by 90 ° (π / 2). The measurement optical signal generator 310 generates a measurement signal and a reference signal used as a measurement reference. An optical signal for measurement (optical pulse) from the optical phase modulator 313 is incident on the optical circulator 101 via the optical fiber 101A, and further incident on the optical coupler 160 via the optical fiber 101B. The measurement optical signal generator 310 outputs a measurement optical signal with a period T and a pulse width 3t. The 3t pulse has a configuration in which the front 2t width and the rear 1t width are phase-modulated so that the phases are different by 90 ° (orthogonal phase). The optical signal for measurement is demultiplexed by the optical coupler 160, one of which passes through the optical coupler CP1 of the sensor # 1 and irradiates the reflection part of the sensor # 1 as described above, and the other passes through the optical fiber 161A including the delay unit 161B. Then, the light enters the optical coupler 162. One of the lights demultiplexed by the optical coupler 162 is irradiated to the reflection part of the sensor # 2 via the optical coupler CP2 of the sensor # 2, and the other light is sent to the sensor # 3 via the optical fiber 163A including the delay part 163B. Is incident on the optical coupler CP3 and is applied to the reflecting portion of the sensor # 3.

センサ#1〜#3の各基準面の反射面及び各変位面の反射鏡に照射された光はそれぞれ同一の光ファイバで受光され、センサ#3で受光された光は光カプラCP3で合波され、合波された光は光ファイバ163Aを経て光カプラ162に入射される。センサ#2で受光された光は光カプラCP2で合波され、合波された光は光カプラ162で合波され、合波された光は光ファイバ161Aを経て光カプラ160に入射される。また、センサ#1で受光された光は光カプラCP1で合波され、合波された光は光カプラ160で合波され、合波された光は光ファイバ101Bを経て光サーキュレータ101に入射され、更に光ファイバ101Cを経て計測システム300内のセンサ信号演算処理部320に入射される。センサ信号演算処理部320に入射されるセンサ#1、#2、#3の光信号は時分割多重光信号であり、各々のセンサの信号の中に、光信号の無い部分(Z)、参照光部分(R)、干渉光部分(I1,I2)、計測光部分(S)を含んでいる。   The light irradiated to the reflecting surfaces of the reference surfaces and the reflecting mirrors of the displacement surfaces of the sensors # 1 to # 3 is received by the same optical fiber, and the light received by the sensor # 3 is multiplexed by the optical coupler CP3. The combined light is incident on the optical coupler 162 through the optical fiber 163A. The light received by the sensor # 2 is combined by the optical coupler CP2, and the combined light is combined by the optical coupler 162, and the combined light enters the optical coupler 160 via the optical fiber 161A. The light received by the sensor # 1 is combined by the optical coupler CP1, the combined light is combined by the optical coupler 160, and the combined light is incident on the optical circulator 101 through the optical fiber 101B. Further, the light enters the sensor signal calculation processing unit 320 in the measurement system 300 through the optical fiber 101C. The optical signals of the sensors # 1, # 2, and # 3 incident on the sensor signal arithmetic processing unit 320 are time-division multiplexed optical signals, and each sensor signal includes a portion (Z) where there is no optical signal, reference The optical part (R), the interference light part (I1, I2), and the measurement light part (S) are included.

複数のセンサを観測する場合、入射するパルスのタイミングと図9に示す遅延部162B及び163Bによる遅延量とを合わせて、入射したときにセンサ#1による干渉光、センサ#2による干渉光、センサ#3による干渉光をそれぞれ(受信タイミングをずらして)独立にセンサ信号演算処理部320で受信し解析する。   When observing a plurality of sensors, the timing of incident pulses and the delay amounts of the delay units 162B and 163B shown in FIG. 9 are combined, and when incident, the interference light by sensor # 1, the interference light by sensor # 2, and the sensor Interference light from # 3 is received and analyzed by the sensor signal calculation processing unit 320 independently (shifting the reception timing).

センサ信号演算処理部320はセンサ#1〜#3について光信号(R,I1,I2,S)を入力し、光−電気変換部(O/E)321で電気信号に変換し、そのアナログ電気信号をA/D変換部322においてディジタル化する。ディジタル化された信号はRフィルタ323A、I1フィルタ323B、I2フィルタ323C、Sフィルタ323Dにおいてそれぞれ必要な周波数帯域の制限を受け、cos演算部324に入力され、cos演算部324においてパルス入力直前の光信号がない部分をゼロ点として、参照光R,干渉光I1,I2,計測光Sのゼロ点補正後、cosθ1及びcosθ2が下記数2及び数3に従って演算される。   The sensor signal calculation processing unit 320 inputs optical signals (R, I1, I2, S) for the sensors # 1 to # 3, converts them into electric signals by an optical-electric conversion unit (O / E) 321 and outputs the analog electric signals. The signal is digitized by the A / D converter 322. The digitized signal is subjected to frequency band restrictions required by the R filter 323A, the I1 filter 323B, the I2 filter 323C, and the S filter 323D, and is input to the cos arithmetic unit 324. After correcting the zero point of the reference light R, the interference lights I1 and I2, and the measurement light S with the portion where there is no signal as the zero point, cos θ1 and cos θ2 are calculated according to the following equations 2 and 3.

Figure 0006002329
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Figure 0006002329
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ただし、干渉光I1と干渉光I2は直交位相にあることから、cosθ1とcosθ2は90°離れた位相関係にある。

cos演算部324で演算されたcosθ1及びcosθ2が、差分演算部325に入力され、θ1、θ2、Δθ1、Δθ2が演算され、演算された差分Δθが周期Tで積算演算部326に入力される。差分演算部325では、cosθ1とcosθ2を用いて次の(1)〜(7)の処理を実行する。
(1)cosθ1、cosθ2について、絶対値が0に近い方を識別する。
(2)cosθ1、cosθ2について、その大小を比較して識別する。
(3)cosθ1、cosθ2が参照光位相で90°離れていること、絶対値が0に近い側を基準として、2つの大小の条件から、余弦曲線上に2つのcosθ位置を定める。
(4)余弦曲線上の定められたcosθ1、cosθ2位置より、その角度θ1、θ2を求める。
(5)1周期前のcosθ1、cosθ2より得られた角度をθ1a、θ2aとする。
(6)1周期前との位相変化の差分ΔθをΔθ1=θ1−θ1a、Δθ2=θ2−θ2aとして求める。
(7)差分Δθ1、Δθ2より、cosθ1、cosθ2で、絶対値が0に近い側の差分をΔθとして選択し、出力する。

差分演算部325で演算された差分Δθは積算演算部326に入力され、積算演算部326で差分Δθが積算され、積算値が変位センサ信号θsとして出力される。
Figure 0006002329
Figure 0006002329
However, since the interference light I1 and the interference light I2 are in a quadrature phase, cos θ1 and cos θ2 are in a phase relationship 90 degrees apart.

The cos θ1 and cos θ2 calculated by the cos calculation unit 324 are input to the difference calculation unit 325, θ1, θ2, Δθ1, and Δθ2 are calculated, and the calculated difference Δθ is input to the integration calculation unit 326 at a period T. The difference calculation unit 325 executes the following processes (1) to (7) using cos θ1 and cos θ2.
(1) For cos θ1 and cos θ2, the one whose absolute value is closer to 0 is identified.
(2) The cos θ1 and cos θ2 are identified by comparing their magnitudes.
(3) Two cos θ positions are determined on the cosine curve based on two large and small conditions on the basis that cos θ1 and cos θ2 are 90 ° apart from each other in the reference light phase and the absolute value is close to zero.
(4) The angles θ1 and θ2 are obtained from the determined cos θ1 and cos θ2 positions on the cosine curve.
(5) The angles obtained from cos θ1 and cos θ2 one cycle before are θ1a and θ2a.
(6) The difference Δθ in phase change from the previous cycle is obtained as Δθ1 = θ1-θ1a and Δθ2 = θ2-θ2a.
(7) From the differences Δθ1 and Δθ2, the difference on the side of the cos θ1 and cos θ2 whose absolute value is close to 0 is selected as Δθ and output.

The difference Δθ calculated by the difference calculation unit 325 is input to the integration calculation unit 326, the difference Δθ is integrated by the integration calculation unit 326, and the integration value is output as the displacement sensor signal θs.

なお、本例では3個の光干渉式センサ100(#1〜#3)を設置しているが、1つでも良く、或いは4個以上のセンサについても同様に適用できる。また、光−電気変換された電気信号をA/D変換して後にディジタル的なフィルタ処理を施しているが、電気信号をアナログでフィルタ処理して後にA/D変換してディジタル化処理しても良い。   In this example, the three optical interference sensors 100 (# 1 to # 3) are installed, but one may be used, or the same applies to four or more sensors. In addition, A / D conversion is applied to the electrical signal that has been converted from light to electricity, and then digital filtering is performed. However, the electrical signal is subjected to analog filtering and then A / D converted to digitization. Also good.

次に、図8で説明したマッハツェンダー干渉型で、1軸支持式の光干渉式センサ120を複数(本例は3個)用いて、各センサに加わる加速度等の物理量を計測する例(システム第2実施形態)を図10に示して説明する。センサ#1〜#3は同一の構造であり、図8で説明した内容と同一であるので説明を省略する。また、計測システム300も同図9のシステム第1実施形態と同様であり、説明を省略し、図10ではセンサ#3を省略している。   Next, an example of measuring a physical quantity such as acceleration applied to each sensor by using a plurality of Mach-Zehnder interference type optical interference sensors 120 (three in this example) of the Mach-Zehnder interference type described in FIG. A second embodiment) will be described with reference to FIG. The sensors # 1 to # 3 have the same structure and are the same as the contents described in FIG. Also, the measurement system 300 is the same as that of the first embodiment of the system shown in FIG. 9, and the description thereof is omitted. In FIG. 10, the sensor # 3 is omitted.

計測システム300内の計測用光信号発生部310からの計測用光信号は、光ファイバ101Aを経て光カプラ170に入射され、光カプラ170で分波された光の一方は光ファイバ170Aを経てセンサ#1の光カプラCP11に入射され、他方は遅延部170Cを具備する光ファイバ170Bを経て光カプラ172に入射される。光カプラ172で分波された光の一方は光ファイバ172Aを経てセンサ#2の光カプラCP21に入射され、他方は遅延部172Cを具備する光ファイバ172Bを経てセンサ#3の光カプラCP31に入射される。   The measurement optical signal from the measurement optical signal generation unit 310 in the measurement system 300 is incident on the optical coupler 170 through the optical fiber 101A, and one of the lights demultiplexed by the optical coupler 170 is transmitted through the optical fiber 170A. The light enters the # 1 optical coupler CP11 and the other light enters the optical coupler 172 via the optical fiber 170B including the delay unit 170C. One of the lights demultiplexed by the optical coupler 172 enters the optical coupler CP21 of the sensor # 2 via the optical fiber 172A, and the other enters the optical coupler CP31 of the sensor # 3 via the optical fiber 172B including the delay unit 172C. Is done.

センサ#3からの2つの反射光は光カプラCP32で合波され、合波された光は光ファイバ178Bを経て光カプラ178に入射される。また、センサ#2からの2つの反射光は光カプラCP22で合波され、合波された光は光ファイバ178Aを経て光カプラ178に入射される。光カプラ178で合波された光は光ファイバ176Bを経て光カプラ176に入射され、センサ#1からの2つの反射光は光カプラCP12で合波され、合波された光は光ファイバ176Aを経て光カプラ176に入射される。光カプラ176で合波された光は光ファイバ101Cを経て計測システム300内のセンサ信号演算処理部320に入射される。センサ信号演算処理部320に入射されるセンサ#1、#2、#3の光信号は時分割多重光信号であり、各々のセンサ信号の中に光信号の無い部分(Z)、参照光部分(R)、干渉光部分(I1,I2)、計測光部分(S)を含んでいる。   The two reflected lights from the sensor # 3 are combined by the optical coupler CP32, and the combined light enters the optical coupler 178 via the optical fiber 178B. The two reflected lights from the sensor # 2 are combined by the optical coupler CP22, and the combined light is incident on the optical coupler 178 via the optical fiber 178A. The light combined by the optical coupler 178 enters the optical coupler 176 via the optical fiber 176B, the two reflected lights from the sensor # 1 are combined by the optical coupler CP12, and the combined light passes through the optical fiber 176A. Then, the light enters the optical coupler 176. The light combined by the optical coupler 176 enters the sensor signal calculation processing unit 320 in the measurement system 300 through the optical fiber 101C. The optical signals of the sensors # 1, # 2, and # 3 incident on the sensor signal calculation processing unit 320 are time-division multiplexed optical signals, and each sensor signal has no optical signal (Z) and a reference optical part. (R), interference light part (I1, I2), and measurement light part (S) are included.

なお、本例では3個の光センサ120(#1〜#3)で説明しているが、1つでも良く、或いは4個以上のセンサについても同様に適用できる。本マッハツェンダー干渉では、照射用の光ファイバとは異なる反射光用の光ファイバに反射光を入射させることにより、反射光と照射光の干渉が起こらず、照射光パルスを連続的に照射した結果発生する干渉光を連続的に伝送できる。これにより、ホモダイン干渉に比べ、1本の光ファイバにより多数のセンサの接続が可能になる。   In this example, three optical sensors 120 (# 1 to # 3) are described. However, one may be used, or the same applies to four or more sensors. In this Mach-Zehnder interference, the reflected light is incident on an optical fiber for reflected light different from the optical fiber for irradiation, so that interference between the reflected light and the irradiated light does not occur, and the irradiation light pulse is continuously irradiated. The generated interference light can be continuously transmitted. Thereby, compared to homodyne interference, a large number of sensors can be connected by one optical fiber.

以下、本発明に係る光干渉式センサの更に他の実施形態について説明するが、これらセンサについても上記計測システムを同様に適用することができる。   Hereinafter, although other embodiment of the optical interference type sensor which concerns on this invention is described, the said measurement system is similarly applicable also to these sensors.

上述の光干渉式センサの各実施形態ではいずれも、基準面を振動子後面の同一軸線(中心線)上に配置しているが、図11の第3実施形態(ホモダイン干渉)に示すように、センサ本体110の中心線CL1に近い固定部に、鏡面処理された反射面(基準面)116を空洞部共に設けた構造としても良い。反射面(基準面)116に光ファイバ102Aからコリメータ104Aを経て光照射され、反射面(基準面)116からの反射光がコリメータ104Aを経て光ファイバ102Aに入射される。   In each of the embodiments of the optical interference sensor described above, the reference plane is arranged on the same axis (center line) of the rear surface of the transducer, but as shown in the third embodiment (homodyne interference) of FIG. A structure in which a mirror-finished reflection surface (reference surface) 116 is provided together with a hollow portion in a fixed portion of the sensor body 110 close to the center line CL1. The reflection surface (reference surface) 116 is irradiated with light from the optical fiber 102A through the collimator 104A, and the reflected light from the reflection surface (reference surface) 116 enters the optical fiber 102A through the collimator 104A.

また、図12の第4実施形態(マッハツェンダー干渉)は、センサ本体130の中心線CL2に近い固定部に、鏡面処理されたV字状の反射面(基準面)136を空洞部共に設けた構造としている。反射面(基準面)136に光ファイバ1129Aからコリメータ125Aを経て光照射され、反射面(基準面)136でV字反射された反射光がコリメータ129Aを経て光ファイバ128Aに入射される。このように、センサ本体に固定された基準面を設けるようにしても、前述と同様に、センサの変位を光路長の変化で計測することができる。   Further, in the fourth embodiment (Mach-Zehnder interference) of FIG. 12, a mirror-shaped V-shaped reflecting surface (reference surface) 136 is provided on the fixed portion near the center line CL2 of the sensor body 130 together with the cavity portion. It has a structure. The reflection surface (reference surface) 136 is irradiated with light from the optical fiber 1129A through the collimator 125A, and the reflected light reflected by the reflection surface (reference surface) 136 is incident on the optical fiber 128A through the collimator 129A. As described above, even when the reference surface fixed to the sensor body is provided, the displacement of the sensor can be measured by the change in the optical path length as described above.

図13に示す第5実施形態のセンサ160は、図8に示す第2実施形態に対応するものであり、センサ本体130側に設けられ、V字状鏡面を複数備えたギザギザ状鏡面161と、このギザギザ状鏡面161に凹凸が逆に対向するように振動子134側に設けられ、V字状鏡面を複数備えたギザギザ状鏡面162とが、基準面及び変位面としてそれぞれ設けられている。例えば、変位面でのギザギザ状鏡面161及び162の対向関係は図14に示すようになっており、コリメータ125Bから照射された光LG1は、各V字鏡面で次々に反射され、最後に振動子側の鏡面で反射された光LG19がコリメータ129Bに入射される。このように複数回、光をギザギザ状鏡面161及び162でn(2以上の整数)回反射させることにより、光路差をn倍とすることができる。   A sensor 160 of the fifth embodiment shown in FIG. 13 corresponds to the second embodiment shown in FIG. 8, is provided on the sensor body 130 side, and has a jagged mirror surface 161 having a plurality of V-shaped mirror surfaces. A jagged mirror surface 162 provided with a plurality of V-shaped mirror surfaces is provided as a reference surface and a displacement surface, respectively, so that the uneven surface is oppositely opposed to the jagged mirror surface 161. For example, the opposing relationship between the jagged mirror surfaces 161 and 162 on the displacement surface is as shown in FIG. 14, and the light LG1 emitted from the collimator 125B is reflected one after another on each V-shaped mirror surface, and finally the vibrator The light LG19 reflected by the side mirror surface enters the collimator 129B. Thus, the light path difference can be made n times by reflecting the light n times (integer of 2 or more) times by the jagged mirror surfaces 161 and 162 a plurality of times.


次に、ダイナミックレンジについて説明する。

Next, the dynamic range will be described.

測定繰返し周期を1MHz(1μsec)とし、測定するための光の波長を1.55μmとする。測定対象の片振幅を1.55μmの1000倍の1.55mmとすると、往復で2000波長、1/2波長で4000回取れることになる。そのため、1μsecの4000倍で72dBが得られる。その1/2波長を10bitでA/Dサンプルすることにより、60dBを得ることができる。その得られた計測データに含まれる、変位信号に無関係なホワイトノイズは、信号抽出の帯域を0.01Hzから50Hzに絞ることによって削減できる。サンプリング周波数を1MHzから125Hzまでデシメーションすると、√(1/8000)=1/89が39dBである。以上より、ダイナミックレンジは72+60+39=171dB程度取れる可能性がある。   The measurement repetition cycle is 1 MHz (1 μsec), and the wavelength of light for measurement is 1.55 μm. If the amplitude of the measurement target is 1.55 mm, which is 1000 times 1.55 μm, 2000 round trips and 4000 rounds at 1/2 wavelength can be obtained. Therefore, 72 dB is obtained at 4000 times 1 μsec. 60 dB can be obtained by A / D sampling the half wavelength at 10 bits. White noise unrelated to the displacement signal contained in the obtained measurement data can be reduced by narrowing the signal extraction band from 0.01 Hz to 50 Hz. When the sampling frequency is decimated from 1 MHz to 125 Hz, √ (1/8000) = 1/89 is 39 dB. From the above, the dynamic range may be about 72 + 60 + 39 = 171 dB.

以下に本発明の主な特徴を列挙して説明する。   The main features of the present invention will be listed and described below.

光計測とMEMS技術を用いているため電子部品を使わず、対環境性が良く、無電源で高温環境に適している。光計測とMEMS技術を用いているため、約10mm四方と小型である。また、MEMS技術でSi単結晶若しくはSiO2単結晶の微小振動子(格子欠陥極小、微細加工で厚さ20μm長さ5mmのバネ)を作製しているので、微小加速度に応答する振動子である。Because it uses optical measurement and MEMS technology, it does not use electronic components, is environmentally friendly, and is suitable for high-temperature environments with no power supply. Because it uses optical measurement and MEMS technology, it is as small as 10mm square. In addition, it is a vibrator that responds to minute acceleration because it uses a MEMS technology to produce a micro-vibrator of Si single crystal or SiO 2 single crystal (minimum lattice defects, micro-processed spring with a thickness of 20μm and a length of 5mm). .

振動子の基準面と振動子先端の変位面に再帰性反射面を設け、それぞれからの反射光を干渉させることにより、基準面と振動子先端の相対変位だけを抽出するので、振動子の微小変形を捉える光計測が可能である。   A retroreflecting surface is provided on the reference surface of the transducer and the displacement surface at the tip of the transducer, and only the relative displacement between the reference surface and the transducer tip is extracted by interfering the reflected light from each. Optical measurement that captures deformation is possible.

従来、加速度、速度等の物理量を計測するセンサとしては、動コイル式、サーボ式、静電容量式などがあるが、これらはいずれも物理量を電気信号に変換して計測するため、上限、下限共に限界がある。計測の下限については、本方法では変位を電気信号に直さず、光計測だけで扱うので、電気信号特有の限界とは関係なく、微小信号を計測することができる。本方法では、測定上限は振動子の変位の大きさに依存するだけなので、±1mmの変位を持つ振動子があれば140dBのダイナミックレンジが実現できる。   Conventionally, sensors that measure physical quantities such as acceleration and speed include moving coil type, servo type, and electrostatic capacity type, but these all convert physical quantities into electrical signals for measurement. Both have limitations. With respect to the lower limit of measurement, in this method, the displacement is not corrected to an electric signal, but is handled only by optical measurement, so that a minute signal can be measured regardless of the limit specific to the electric signal. In this method, the upper limit of measurement only depends on the magnitude of the displacement of the transducer, so a dynamic range of 140 dB can be realized if there is a transducer with a displacement of ± 1 mm.

また従来の光計測での加速度センサは、1/2波長以内の変位計測に限られており、100dBまでのダイナミックレンジが限界であった。本方法によると、作製した振動子は±1mmまでの変位を持ち、その振動を、センサ本体の基準面と振動子前面の変位面の相対変位として捉えることができる。特許5118004号と特許5118246号に示される光干渉法による計測方式を用いて、上記±1mmの相対変位を計測できるセンサ装置とすることで、140dBの加速度計測が実現できる。また、計測用光パルスを時分割で制御することで、時分割多重の干渉光を捉え信号処理できるので、光ファイバに複数個のセンサを接続した多点計測システムの構成が可能となる。   In addition, the conventional acceleration sensor for optical measurement is limited to displacement measurement within 1/2 wavelength, and the dynamic range up to 100 dB is the limit. According to this method, the manufactured vibrator has a displacement of up to ± 1 mm, and the vibration can be regarded as a relative displacement between the reference plane of the sensor body and the displacement plane of the front face of the vibrator. Using the measurement method based on the optical interferometry shown in Japanese Patent No. 5118004 and Japanese Patent No. 5118246, an acceleration measurement of 140 dB can be realized by using the sensor device capable of measuring the relative displacement of ± 1 mm. In addition, by controlling the measurement light pulse in a time division manner, signal processing can be performed by capturing time division multiplexed interference light, so that a multi-point measurement system in which a plurality of sensors are connected to an optical fiber can be configured.

本発明に係る光干渉式センサは、センサ部に電子回路を使用しないので、計測システム部を除く全ての部分が無電源で作動する。これにより、電子回路が作動しない高温環境下、長期間安定動作が要求される海底環境下での資源探査用の無電源4D観測網、及び海底地震観測網に利用可能である。   Since the optical interference sensor according to the present invention does not use an electronic circuit for the sensor part, all parts except the measurement system part operate with no power supply. Accordingly, the present invention can be used for a non-power source 4D observation network for resource exploration and a submarine seismic observation network under a high temperature environment where an electronic circuit does not operate and under a sea bottom environment where long-term stable operation is required.

また、海底地震観測網を構築するための無電源のセンサネットワーク、低侵襲医療用マイクロデバイスとしての超小型のセンサ、多関節ロボット内蔵用の超小型多点接続のセンサにも応用可能である。   It can also be applied to non-powered sensor networks for constructing submarine seismic observation networks, ultra-small sensors as minimally invasive medical microdevices, and ultra-small multi-point connection sensors built in multi-joint robots.

10,20 光カプラ
14、24 反射面(基準面)
15、25 反射面(計測面)
100 光干渉式センサ(ホモダイン型)
101 光サーキュレータ
102、122、127 光カプラ
116、136 反射面(基準面)
115、135 反射面(変位面)
120 光干渉式センサ(マッハツェンダー型)
200 光干渉式センサ(マッハツェンダー型)
211、221 光カプラ
231 反射面(基準面)
233 反射面(変位面)
300 計測システム
310 計測用光信号発生部
311 レーザ光源
312 光強度変調部
313 光位相変調部
320 センサ信号演算処理部
321 光−電気変換部(O/E)
324 cos演算部
325 差分演算部
326 積算演算部
10, 20 Optical coupler 14, 24 Reflecting surface (reference surface)
15, 25 Reflective surface (measurement surface)
100 Optical interference sensor (homodyne type)
101 Optical circulators 102, 122, 127 Optical couplers 116, 136 Reflecting surface (reference surface)
115, 135 Reflecting surface (displacement surface)
120 Optical interference sensor (Mach-Zehnder type)
200 Optical interference sensor (Mach-Zehnder type)
211, 221 Optical coupler 231 Reflecting surface (reference surface)
233 Reflecting surface (displacement surface)
300 Measurement System 310 Optical Signal Generation Unit for Measurement 311 Laser Light Source 312 Optical Intensity Modulation Unit 313 Optical Phase Modulation Unit 320 Sensor Signal Calculation Processing Unit 321 Optical-Electric Conversion Unit (O / E)
324 cos calculation unit 325 difference calculation unit 326 integration calculation unit

Claims (4)

センサ本体の内部に、振動方向に対してバネ部材で支持された振動子を備え、前記振動方向に向かって前記振動子の前面配設されたV字状の変位面と、前記振動子の後面に、前記変位面と同軸に配設されたV字状の基準面とを備え、
光を前記基準面の一方に照射する第1の光路系と、
前記基準面の一方から方向変換された他方からの反射光を受光する第2の光路系と、
前記光を前記変位面の一方に照射する第3の光路系と、
前記変位面の一方から方向変換された他方からの反射光を受光する第4の光路系と、
前記第1〜第4の光路系のいずれかに介挿された遅延部とを具備し、
前記第2の光路系及び前記第4の光路系で受光された光を合波することによって、前記基準面と前記変位面の光路差を計測できるようになっていることを特徴とする光干渉式センサ。
A sensor body is provided with a vibrator supported by a spring member with respect to the vibration direction, a V-shaped displacement surface disposed in front of the vibrator in the vibration direction, and a rear surface of the vibrator And a V-shaped reference surface disposed coaxially with the displacement surface,
A first optical path system for irradiating one of the reference planes with light;
A second optical path system for receiving reflected light from the other of the reference planes whose direction has been changed;
A third optical path system for irradiating one of the displacement surfaces with the light;
A fourth optical path system for receiving reflected light from the other of the displacement surfaces, the direction of which is changed from the other;
A delay unit interposed in any of the first to fourth optical path systems,
The optical interference characterized in that the optical path difference between the reference plane and the displacement plane can be measured by multiplexing the light received by the second optical path system and the fourth optical path system. Type sensor.
前記V字状の基準面及び前記V字状の変位面が、複数のV状形状を有するギザギザ形状であると共に、前記各基準面及び変位面と対向するように、複数のV状形状を有するギザギザ形状の2つの反射面が配設されており、
前記基準面の一方に照射された光が前記基準面及び前記対向する反射面で複数回反射されて前記第2の光路に入射され、かつ前記変位面の一方に照射された光が前記変位面及び前記対向する変位面で複数回反射されて前記第4の光路に入射されるようになっている請求項4に記載の光干渉式センサ。
The V-shaped reference surface and the V-shaped displacement surface are jagged shapes having a plurality of V-shaped shapes, and have a plurality of V-shaped shapes so as to face the reference surfaces and the displacement surfaces. Two jagged reflective surfaces are arranged,
The light irradiated to one of the reference surfaces is reflected a plurality of times by the reference surface and the opposing reflecting surface, is incident on the second optical path, and the light irradiated to one of the displacement surfaces is the displacement surface. The optical interference sensor according to claim 4, wherein the optical interference sensor is reflected a plurality of times by the opposing displacement surfaces and is incident on the fourth optical path.
センサ本体の内部に、振動方向に対してバネ部材で支持された振動子を備え、前記振動方向に向かって前記振動子の前面配設されたV字状の変位面と、前記振動子の後面に、前記変位面と同軸に配設されたV字状の基準面とを備え、
光を前記基準面の一方に照射する第1の光路系と、
前記基準面の一方から方向変換された他方からの反射光を受光する第2の光路系と、
前記光を前記変位面の一方に照射する第3の光路系と、
前記変位面の一方から方向変換された他方からの反射光を受光する第4の光路系と、
前記第1〜第4の光路系のいずれかに介挿された遅延部とを具備し、
前記第2の光路系及び前記第4の光路系で受光された光を合波する干渉式センサと、
強度変調及び位相変調された計測用光信号を発生し、前記照射用の光とする計測用光信号発生部と、
前記受光された光の時分割多重信号を受光し、光一電気変換してディジタル化し、計測光、参照光及び干渉光に基づく位相変動信号をセンサ信号として出力するセンサ信号演算処理部と、
を具備して成ることを特徴とする計測システム。
A sensor body is provided with a vibrator supported by a spring member with respect to the vibration direction, a V-shaped displacement surface disposed in front of the vibrator in the vibration direction, and a rear surface of the vibrator And a V-shaped reference surface disposed coaxially with the displacement surface,
A first optical path system for irradiating one of the reference planes with light;
A second optical path system for receiving reflected light from the other of the reference planes whose direction has been changed;
A third optical path system for irradiating one of the displacement surfaces with the light;
A fourth optical path system for receiving reflected light from the other of the displacement surfaces, the direction of which is changed from the other;
A delay unit interposed in any of the first to fourth optical path systems,
An interference sensor for combining lights received by the second optical path system and the fourth optical path system;
An optical signal generator for measurement that generates intensity-modulated and phase-modulated optical signals for measurement and is used as the irradiation light; and
Receiving a time-division multiplexed signal of the received light, digitizing by photoelectric conversion, and outputting a phase variation signal based on measurement light, reference light and interference light as a sensor signal; and
A measurement system comprising:
前記干渉式センサが複数設けられ、複数の前記干渉式センサが光カプラを介して前記計測用光信号発生部及び前記センサ信号演算処理部に接続されている請求項8に記載の計測システム。The measurement system according to claim 8, wherein a plurality of the interference sensors are provided, and the plurality of interference sensors are connected to the measurement optical signal generation unit and the sensor signal calculation processing unit via an optical coupler.
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