JPH01314918A - 振動子を使って電磁パラメータを検出する装置およびその方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、一般的には変換装置、とりわけ電磁パラメー
タの検出と測定のためのセンサに関する。

本発明は、光学素子と光学手法を用いて電磁パラメータ
の検出、測定において使用するのにとりわけ適している
。

（従来の技術） 電気センサでは不可能な物理変数を測定しかつより良い
性能を提供するために、在来の電気センサに代わる光セ
ンサが開発された。電気信号を検出・送信するのに光の
ほうが良い他の理由は、電波妨害および固有の電気絶縁
がないことである。

在来の光センサの１つの型式は光フアイバ法を使用して
いる。フーレンワイダー（Ｆｕｌｅｎｗｉｄｅｒ）らの
米国特許第４．０７１，７５３号では、入力および出力
光ファイバの端が合わされていて、光は１個のファイバ
から他のファイバに送られる。いろいろな装置（明らか
に機械装置）が出力光ファイバの端を機械または音響源
に結合する。機械または音響源からの信号は２個のファ
イバ間の光結合係数を変えるので、かかる係数を測定す
ることによって、機械または音響情報を測定することが
できる。

フラー（Ｆｕｌｌｅｒ）の米国特許第４，４１９，８９
５号は、平行ではあるが少しずれている１対の片持式光
ファイバを含む角加速度計を開示している。角運動は２
個の光フアイバ間で結合された光信号を変調する。かか
る変調を測定することによって、角加速度が検出される
。上記の型の変換器では、光センサは光結合された２個
の光ファイバを含む。２個のファイバ間の光結合係数は
、測定すべき物理パラメータと共に変化するので、かか
る係数を測定することによってパラメータを検出・測定
することができる。

もう１つの型式の光センサでは、測定すべき物理パラメ
ータは変換素子の振動運動を変調する。

かかる変調は２個の光ファイバの端と端との間に結合さ
れる光の強度を変えるので、かかる変化を測定すること
によって物理パラメータを検出・測定することができる
。かかる型式の変換器はアドルフソン（Ａｄｏｌｆｓｓ
ｏｎ　）らの米国特許第４，３４５．４８２号に開示さ
れている。変換素子は振動ばね、強誘電素子または圧電
素子であることができる。シークリング（Ｓｉｃｈｌｉ
ｎｇ）らの米国特許第４，３７９，２２６号では、少し
似た光センサが開示されている。シークリングらの特許
に使用された変換素子は板ばねねじり回転装置、フィラ
メントに取り付けられた強磁性素子または水晶振動子の
ような圧電素子である。シークリングらは、２個のファ
イバ間で光結合を達成するように、入力光ファイバから
受けた光を出力光ファイバに向けて反射する変換素子に
鏡が取り付けられている配列をも開示している。

カーラ−（Ｋａｒｒｅｒ）らの米国特許第３，５６１，
８３２号のような他の特許において、圧電水晶共振子が
一段と詳しく開示されている。かかる共振子は応力を受
けると周波数変化を示し、応力を測定するのに用いられ
る。ワイヤー（Ｗｅｉｓｓｅｒ　）の米国特許第３，９
０２．３５５号に開示された通り、気体圧力を測定する
のに強磁性音さが使用されている。音さの共振周波数は
気体圧力の変化によって変わるので、音さの共振周波数
の変調を測定することによって気体圧力を測定すること
ができる。ラウデンスラガ−（Ｌｏｗｄｅｎｓｌａｇｅ
ｒ）らの米国特許第４，２７９゜０２８号では、同じ原
理を用いて大気圧の変化を測定する非密封式音さ水晶振
動子の使用が開示されている。

１９７７年第３１回年次周波数管理討論会議事録の、件
名「圧力−力変換器としてのｘ−ｙ湾曲時計水晶の使用
」において、米陸軍エレクト・コマンドのニー・ジエニ
ス（Ａ、Ｇｅｎ１ｓ）らは、同じ原理で圧力を測定する
Ｘ−Ｙ湾曲時計水晶の使用を開示している。しかし水晶
振動子に関する上記の開示はどれも、その圧電特性と同
時に水晶振動子の光特性の使用を示していない。

水中聴音器のダイヤフラムに接続された格子構造物を利
用する光センサは、１９８１年２月、応用光学（Ａｐｐ
ｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃｓ）の第２０巻第３号の件名「シ
ュリーレン法に基づくマルチモード光ファイバ水中聴音
器」という記事の中でダブりニー・ビー・スピルマン（
Ｗ、　Ｂ、　Ｓｐｉｌｌｍａｎ）によって開示されてい
る。格子構造物は、２個ファイバ間で結合される光を変
えるように２個の光ファイバの端と端との間に置かれる
。かくてダイヤフラムを振動させる音響信号により、２
個のファイバ間で結合された光の対応する振動が生じる
と思われる。

次に音響信号は、ファイバ間の光結合の変調によって測
定される。音波を測定するいろいろな水中聴音器が、ダ
ブリュー・ビー・スピルマンによる上記の記事に開示さ
れている。

内燃期間のエンジン・ノックのような機械振動を検出す
るために圧電センサが使用されてきた。

かかる応用はハミッシュ（ｌｌａｍｉｓｃｈ　）らの米
国特許筒４，３４９，４０４号に記載されている。この
種の圧電加速センサと組み合わされる高インピーダンス
は、エンジン点火系統によって作られるような電気雑音
を生じやすい。真鍮性片持ばりを使用する加速度計は、
１９８４年２月　１日「応用光学」第２３巻第３号の中
の「傾斜鏡光フアイバ加速度計」という記事においてソ
ーツ（Ｓｏｒｔ）らによって説明されている。

力、圧力、応力および音波を検出・測定するほかに、水
晶振動子は温度を測定するのに用いられてきた。このよ
うな１つの計器、すなわちカリフォルニア州、パロー・
アルド−市のヒューレソトーパッカード社製モデル）Ｉ
Ｐ　２８０１は、米国特許筒３．４２３，６０９号にお
いてハモンド（ｌｌａｍｍｏｎｄ　）により説明された
水晶温度計に基づいている。カリフォルニア州、オーレ
ンジ市のスタテク社は水晶温度計者さ（モデルＴＳ−２
）を製造している。米国特許筒４，３９８，１１５号の
中でガグネペイン（Ｇａｇｎｅｐａｉｎ）らち、温度表
示水晶振動板を説明している。

水晶振動子検出器は高感度マイクロ・バランス検出器と
しても使用されている。べたつく物質または特定の薬品
または分子を選択的に吸収したり吸着したりする物質で
被覆された水晶振動子は、発振器の質量を増加し、それ
によってその共振周波数は減少する。米国特許筒３，５
６１，２５３号の中でドーマン（Ｄｏｒｍａｎ）は、発
振する水晶振動板を用いる粒子検出装置を説明している
。米国特許筒３゜７１５．９１１号の中でチュアン（Ｃ
ｈｕａｎ　）は、振動する水晶振動板のマイクロ・バラ
ンスによって大気粒状物質の質量を測定している。選択
吸収性被覆でおおわれた水晶振動子は、フレイチェソト
（Ｆｒｅｃｈｅｔｔｅ　）らの米国特許筒４，１１１．
０３６号（二酸化硫黄検出について）、コムパネク（Ｋ
ｏｍｐａｎｅｋ）の米国特許筒４，１９３，０１０号、
およびギルバウルト（Ｇｕｉｌｂａａｌｔ　）によって
環境分析化学のインターン・ジェ−（Ｉｎｔｅｒｎ、　
Ｊ　）　、１９８１年第１０巻第８９〜９８頁の「圧電
結晶検出器を用いる環境汚染物質の分析」という記事の
中で説明されている。

水晶振動子を用いて物理パラメータを測定する上述のす
べての応用において、振動子は物理パラメータを検出・
測定するための電気信号を供給する非光学式振動検出器
として使用される。これらの電気信号は次に電子回路に
よって処理される。

かかる水晶振動子検出器は望ましくない電波妨害を受け
る。マイクロリソグラフ工程、化学工程、および他の製
造工程のような水晶振動子共振構造物を組み立てる方法
が当業者によ（知られている。

かかる工程は例えば、いずれもシユラウド（Ｓｔａｕｄ
ｔｅ　）に対して発行された米国特許筒３，６８３゜２
１３号および第３，９６９，６４０号において開示され
ている。一定の温度−周波数特性を提供し、その共振周
波数に同調し、音さの湾曲および撚り（ねじり）モード
のような運動を生じるように位置および構造ならびに励
起電極を形成する水晶振動子共振器のカットを定める方
法もよく知られている。

これらの運動は水晶振動子の基本周波数または上音周波
数あるいはその両方で可能となる。これらの方法の例は
、オグチ（Ｏｇｕｃｈｉ）らの米国特許筒３．９６９，
６４１号、コクレ（Ｋｏｑｕｒｅ）らの米国特許筒４．
３７７．７６５号、ヨダ（Ｙｏｄａ）の米国特許筒４，
３８２゜２０４号、およびダベリー（Ｄｅｂｅｌｙ）の
米国特許筒４．３８４．２３２号において開示されてい
る。さらに、水晶振動子音さは、音さの両方の歯を含む
面に直角な方向に振動されることがある。かかる方法も
周知のとおりである。

（発明の概要） この発明の変換装置は、物理パラメータを検出するため
である。変換装置は、パラメータにさらされた時にその
大きさが変換する部材と部材に接続された共鳴器を含み
、部材がパラメータに応答して大き−さを変えるとき、
部材は共鳴器に力を加えて、その結果、共鳴器の共振周
波数を変調することになる。また、変換装置は、共鳴器
を共鳴させる手段と、パラメータを検出するための部材
に加えられた力によって生じた共鳴器の共鳴周波数の変
調を検出する手段を含んでいる。

本発明の別の見地は、電気信号を検出するための変換装
置に向けられる。装置は、光を透過するピエゾ゛電気部
材と部材を振動させるために部材に電気信号を加える手
段を含む。さらに、装置は、部材に光を供給する手段を
含む。したがって、部材を透過した光は、部材の方向と
横切る方向にあるので、部材の振動は、部材を透過する
光を変調する。

さらに、装置は、電気信号を検出するために部材を透過
した光の変調を検出する手段を含む。

（実施例） この発明において、非光学変換装置が使われるかもしれ
ないとはいえ、光学変換装置は、とりわけ有利である。

したがって、この発明の適用において使われる光学変換
装置は、最初に第１−１００図を参考にして詳述される
。

この発明は、電磁干渉や雑音から免れる光学信号を与え
る高感度な小形変換装置を与える。

この発明は、電波妨害および雑音に強い信号を供給する
高感度の小形変換器を提供する。

この発明のある実施例では、物理パラメータは変換器の
振動の周波数を検出することによって測定され、かかる
周波数は伝送損によって低下されない。この発明の水晶
振動子変換器は、かかる変換器が高精度でしかも安価に
作られるような程度まで水晶振動子および水晶振動子音
きの製造工程が発達したので、容易に組み立てることが
できる。

在来の変換器と対比して、この発明の水晶振動子変換器
はその圧電特性が使用されるだけではなく、その光特性
も使用される。電気絶縁を得るとともに電波妨害および
雑音に対する抵抗を得るために、この発明の実施例の多
くでは光フアイバ法が使用されている。

第１図は、この発明の好適な実施例を示す物理パラメー
タ測定用光変換器の部分概略および部分斜視図である。

第１図に示されたとおり、光変換器（１０）は評価装置
（１２）と変換装置（１４）とを含む。

２つの装置は光ファイバによって連結されているので、
変換器（１０）は遠隔場所で物理パラメータを検出する
ので特に好適である。変換装置（１４）は物理パラメー
タを検出するように係る遠隔場所に置かれるが、評価装
置（１２）は係る遠隔場所からはるかに離すことができ
る。

物理パラメータ測定用の変換装置（１４）に光を供給す
るために、光源（１６）は光ファイバの光ガイド（２２
）の中に走光束（２０）を作るようにドライバ（１９）
によって制御される。例えば、光源（１６）は発光（赤
外線を含む）ダイオード（ＬＥＤ）および白熱灯バルブ
、アーク灯、またはレーザであることができる。光ファ
イバ（２２）は、圧電水晶振動子音さ共振器（２４）の
基部（４４）に光結合されて、ファイバ（２２）から水
晶振動子に入る光（２６）の通路を提供する。光束（２
６）は、光ガイドとしても作用する水晶者さ振動子（２
４）によって導かれる。この光ガイド現象は、水晶振動
子（２４）のよく磨かれた鏡面および水晶とそれを囲む
媒体との間の屈折率の差によるものである。これはステ
ップ・インデックス・光ファイバで経験した方法に似た
方法で作動する。水晶撮動子の表面を機械的または化学
的に磨く代わりに、振動子表面に金属被覆を施しても反
射面が得られる。光束（２６）は、アーム（２８）およ
び（３０）の先細部分（３６）ならびに（３８）によっ
て収束される光束（３２）および（３４）として、水晶
振動子２４の両アーム（２８）ならびに（３０）に沿っ
て進む。これらの光束は次に、表面（４０）および（４
２）で水晶振動子を励起する。

音さ振動子共振器（２４）は、基部（４４）と、間隙（
４６）によって分離されている１対の共振アーム（２８
）および（３０）とを備えた構造である。共振アーム（
２８）および（３０）の対は、矢印（４８）および（５
０）によって示される方向に基本振動周波数で湾曲モー
ドとして知られるモードにおいて、音さの面内で相互に
反対の移送で振動する。

第１図のＸカット音さは、米国特許第３，６８３，２１
３号、第３　、９６９　、６４０号、第３，９６９，６
４１号、および第４．３７７：７６５号に説明されたよ
うなマイクロリソグラフ法を用いて組み立てられている
。この水晶振動子は腕時計のような低電力で安価な応用
のタイミング源として最も普通に使用されている。共振
器（２４）は、水晶の代わりにロッシェル塩（ＫＮａＣ
４Ｈ４０６４１（２０）　、チタン酸バリウム（ＢａＴ
ｉＯ３）　、電気石およびへ叶　（（ＮＨ４）　Ｉｔ　
２　ＰＯ４）のような任意な他の圧電材料、あるいは本
項の上記特許において言及されたような強誘電性材料を
用いても組み立てられる。

薄膜駆動電極（５２）および（５４）はアーム（２８）
ならびに（３０）の上部、下部または側部に沿って置か
れるが、なるべく第１図に示されるとおり上部表面に置
かれることが望ましい。これらの電極は酸化スズ、ニッ
ケル、クロム、金、銀またはこれらの金属導体の組合せ
のような導電被覆材料の真空蒸着によって作られる。２
（［１ｉ１の駆動電極に電圧が加えられると、アーム（
２８）および（３０）は反対位相で動き、技術的に周知
の方法で駆動される°ならば振動し続けるであろう。

表面（４０）および（４２）を通して送られる光束（３
２）ならびに（３４）は、光ファイバ（６０）の端に投
影される。光ファイバ（６０）における光束（６２）の
大きさは、アーム（２８）および（３０）の湾曲運動に
左右される。表面（４０）および（４２）の連続横運動
は、光束（６２）の対応する変調を生じさせる。　　。

光束（６２）は光ファイバ（６０）の末端（６４）から
光ヰ★出器（６６）の上に放射する。光検出器（６６）
はピン・ホトダイオード、ホトトランジスタ、ホトレジ
スタまたは光電子増倍管であることができる。光検出器
（６６）からの信号は増幅器（６８）によって増幅され
る。光検出器（６６）からの信号（７０）の交流成分の
振幅は、共振器（２４）のアーム（２８）および（３０
）の振動の振幅を表す出力信号（７４）を供給する弁別
回路（７６）によって作られる。ディジタル周波数信号
（７８）も弁別回路（７６）によって作られる。信号（
７８）は、共振器（２４）のアーム（２８）および（３
０）の振動に影響する物理パラメータを表わす出力信号
（８２）を供給する周波数カウンタ（８０）に加えられ
る。信号（７８）は、位相遅延素子すなわち位相素子（
８４）およびドライバ（８６）を経て、ＬＥＤまたは固
体レーザであることができる光源（８８）にも加えられ
る。

光源（８８）からの光は、光ガイド（９０）を介してホ
トダイオードまたは光電池（９２）に導かれる。ある場
合には、光電値、（９２）は発振駆動信号の発生を助け
る電圧調整器、電圧増倍管その他の回路を含むことがあ
る。光電池（９２）は駆動電極（５２）および（５４）
に接続される出力を供給し、それによってアーム（２８
）および（３０）の振動が作られる。位相遅延素子（８
４）および電気回路の残り部分は帰還制御ループを形成
し、それによって水晶共振器は周波数制御素子として共
振器（２４）と共に振動を持続する。

帰還ループを使用する代わりに、振動子は別法として光
源（８８）からの光の周期的またはランダムなパルスに
よって駆動することができる。

物理パラメータを測定するために、変換装置（１４）は
、共振器（２４）の振動の周波数または振動の振幅もし
くはその両方がかかる物理パラメータによって変調され
るような方法で置かれる。

かかる変調により、光検出器（６６）によって検出され
る光束（６２）の変調が行われる。光検出器（６６）は
光束（６２）を表す電気信号を供給する。次に評価回路
（１２）の電気構成部品は、物理パラメータに起因する
変調の振幅、位相および周波数を表す電気信号（７４）
ならびに（８２）を供給する。

変換装置（１４）、または変換゛装置（１４）と評価装
置（１２）との間の接続には追加の電気回路は使用され
ていない。評価装置（１２）は、測定の場所から離して
電気的に分離された環境に置くことができる。この方法
で、第１図の変換器（１０）は電波妨害を受けにくい。

変換装置（１４）は光変換器（１０）の使い捨て部分を
構成する。

水晶振動子音さ共振器（２４）は装置（１４）の中の光
ファイバ・リードと同様に安価であるので、装！（１４
）全体は自由に使い捨てにすることができる。

使い捨て方式の装置（１４）の光ファイバ・リードは、
在来の方法で評価装置（１２）に接続するための長い光
ファイバ・ケーブルに接続される。

共振器（２４）のアーム（２８）および（３０）の共振
周波数は制御することができる。例えば金属膜おもり（
９６）および（９８）は、水晶共振器（２４）の組立中
に共振アーム（２８）および（３０）の上に真空蒸着さ
れる。共振器の共振周波数を増加するために、おもり（
９６）および（９８）の部分は例えばレーザによる在来
の方法で切り取ることができる。適当な切取りの量は、
共振器（２４）の共振周波数を所望の周波数に調節する
ように定められる。さらに、おもり　（９６）および（
９８）の異なる量の切取りによって、２個のアームの共
振周波数を合致させ、それによって↑辰勤子のＱすなわ
ちクォリティ・ファクタが最適にされる。

第２Ａ図は本発明のもう１つの別な実施例を示す光変換
器の概略図である。この実施例では、１個の光ファイバ
または１束のファイバ（１００）は、変換装置（１４）
の水晶振動子音さ共振器（１０２）と評価装置（１２）
とを接続している。

まず評価装置（１２）か、ら、光源（１０６）　　（Ｌ
ＥＤ、レーザまたはアーク灯であることができる）はフ
ァイバ（１００）によって共振器（１０２）のアーム（
１１０）および（１１２）の振動端に光束（１０Ｂ）を
供給する。光束は、第２Ｂ図に示されるような光吸収格
子（１１４）および（１１６）によって変調される。こ
の二重格子構造物を通って進む光束（１１８）は、光ガ
イドとして作用するアーム（１１０）および（１１２）
によって、第１図について説明された通り水晶振動子共
振器（１０２）の基部に置かれる光電池（１２０）に導
かれる。光束（１１８）に応じて、光電池（１２０）は
ワイヤ（１２２）および（１２４）を通して共振器（１
０２）の駆動電極（第２Ａ図に一部図示されている）に
対して出力を供給し、それによって第１図について説明
した方法と同様な方法でアーム（１１０）および（１１
２）を基本の湾曲モードで振動させる。

しかし光束（１１８）の一部は、光電池（１２０）の表
面から反射される。これは、光電池（１２０）のシリコ
ンの固有の反射性を使用したり、光電池（１２０）の前
部表面に部分反射鏡を被覆することによって達成される
。さらに、選択性狭帯域光吸収被覆を水晶振動子（１０
２）の表面に置いて、光束（１１８）をさえぎることが
できる。

この被覆の１つの好適な場所は、光電池（１２０）の鏡
被覆の前面である。水晶素子（１０２）の温度は、格子
（１１４）および（１１６）による光エネルギーの吸収
により、またこの選択性吸収被覆によるこの狭帯域内の
光エネルギーの吸収によって増加されるであろう。水晶
素子（１０２）の温度は、狭帯域内のエネルギーの量を
変えることによって調節することができる。言うまでも
ないと思うが、水晶振動子の温度は本発明の他のすべて
の実施例において、いま説明した方法と同様の方法で調
節することができる。

光電池（１２０）から反射された光（１２６）は、二重
格子構造物（１１４）および（１１６）を通るその第２
通過によって一部だけ吸収される。

光（１２６）の主部は間隙および格子を通って戻り、光
ファイバ（１００）に沿い、在来の光ファイバ・スプリ
ッタ（１２Ｂ）を経て送り返され、光検出器（１３０）
の上に当たる。光検出器（１３０）からの信号は増幅器
（１３２）によって増幅され、回路１ｆｉ！！（１３４
）のアナログおよびデジタル回路によって処理されて、
共振器（１０２）の周波数、振幅または位相のどれかを
表す出力信号を供給する。共振器（１’０２＞のアーム
（１１０）および（１１２）の振動は測定すべき物理パ
ラメータによって影響され、出力（１３６）はかかる変
調の影響を示すであろう。そのとき物理パラメータは出
力信号（１３６）によって検出・測定される。また回路
網（１３４）は光源ドライバ（１３Ｂ）に適当な位相の
信号（１３７）をも供給して、在来の方法で共振器（１
０２）を共振させるように光源（１（１６）の光度を調
節する。光源（１０６）は走光束（１０８）を常時供給
する。

しかしある場合には、それは共振器（１０２）の振動を
開始させるように変調されたりパルス化されることがあ
る。

アーム（１１０）および（１１２）は先細部分（１４０
）および（１４２）を有し、その先細は水晶とそれを囲
む媒体との間に与えられた屈折率比を得るだけ浅く、そ
れによって光束（１１８）および（１２６）の全内部反
射が可能となる。

格子（１１４）および（１１６）はおのおの、交互配列
の透明ストリップと光吸収ストリップとによって構成さ
れている。アーム（１１０）および（１１２）の端に置
かれた格子（１１６）は、矢印（１４４）および（１４
６）の方向に相互に反対位相で移動する。格子（１１６
）は光吸収材ではなく、光（１０８）の部分を光検出器
（１３０）に向けて反射する鏡のような光反射材で作る
こともできる。いずれの構造でも、物理パラメータに起
因するアーム（１１０）および（１１２）の振動の変調
は光検出器（１３０）によって検出される。

第３Ａ図は、本発明の第２の実施例を示す水晶振動子音
さ共振器の斜視図である。第３Ｂ図は第３Ａ図の共振器
の一部の部分切取断面図である。

この実施例では、第２図の格子構造物に相当する光学装
置は、共振器がホトリソグラフによって作られるときに
同時に作られる。これによって工程数が減少されるとと
もに、その所要生産費が減少される。第３Ａ図および第
３Ｂ図の代替実施例の評価装置（１２）は、第２Ａ図お
よび第２Ｂ図のそれと同じであり、簡単のため省略され
ている。

第３Ａ図および第３Ｂ図に用いられている光ファイバ（
１００）ならびに光束（１０Ｂ）の参照数字は第２Ａ図
および第２Ｂ図のものと同じである。

第３Ａ図に示される通り、光束（１０８）は変形された
音さ共振器（１５０）の基部に取付けられた光ファイバ
（１００）を通して送られる。

光束（１０８）は振動アーム（１５２）によって導かれ
る。第３Ａ図に示されるとおり、振動アーム（１５２）
は、光束（ｌ　Ｏ８）を収束して変調格子構造物として
働く複数個の先細部分（１５４ａ）で終わっている。ア
ーム（１５８）は、部分（１５４ａ）に対向する同様な
先細端部分（１５４ｂ）を持つその端でＵ形となってい
る。対向する２群の先細部分（１５４ａ）と（１５４ｂ
）は、第２Ａ図および第２Ｂ図の格子構造物に相当する
光学装置を構成している。第３Ａ図は、各群に３個の先
細部分がある対向する２群の構造を示す。

言うまでもないと思うが、１ｆ！Ｉ、２個、または３個
を越える先細部分を各群に使用することができ、これら
は本発明の範囲内である。

光束（１０８）の一部は辺（１５５）によって内部反射
され、光束（１０８）を収束する。光束（１０８）の一
部は光束（１６０）として共振器（１３０）のアーム（
１５８）の上部に導かれる。

この送られた光束（１６０）は、次にｔＪｉ（１６２）
によって反射された光束（１６４）となり、これは光ガ
イド（１５２）を下ってその光通路を引き返す。しかし
矢印（１６６）によって示される通り、光束（１０８）
の一部はアーム（１５８）の先細表面（１５７）の外側
に反射して出て、失われる。先細部分（１５４ａ）、（
１５４ｂ）の光導道端表面（１６８）および（１７０）
は、中立の非振動位置でそれらが最大の光変調を与える
ように約５０％重なるような構造となっている。

表面（１６８）が出る光束の、表面（１７０）に入る部
分のみが反射されて戻るであろう。かくて、アーム（１
５２）および（１５Ｂ）の相対運動は、光束（１６０）
ならびに（１６４）におけるエネルギーの比を変える。

戻る光束（１６４）の部分は、光ファイバ（１００）を
通って送り戻され、第２Ａ図について上述の通り検出さ
れる。戻る光束（１６４）の部分は光電池（１７２）の
上に落ち、これによって光電池から電極（１７４）およ
び（１７６）を駆動する電圧が発生される。光束（１６
４）は周期的に変わるので、光電池（１７２）は振動電
流を加えて、アーム（１５２）および（１５８）をそれ
らの共振周波数で反対位相に振動させる。

アーム（１５Ｂ）はさらに（１７８）で先細され、アー
ム（１５２）および（１５８）が前述の通り事実上同じ
共振周波数を持つようにその質量を減少している。２個
のアームの上に付着された薄膜おもりは、それらの共振
周波数を所望の値に調節するために使用される。上述の
対向群の先細部分は光センサの感度を向上させる。第１
図について、共振器（２４）と光ファイバ（６０）の対
向表面は、同様な方法で、光センサ（１０）の感度を向
上させるように形作ることができる。別法として、対向
表面はセンサの感度を向上させるために、第２図の格子
（１１４）および（１１６）に似た格子を具備すること
がある。第３Ａ図、第３Ｂ図の対向群の先細部分または
第２Ｂ図の格子あるいはその両方が、主として第５Ａ図
、第７図、第８Ａ図、第８Ｂ図、第９Ａ図、第１０図、
第１１図、第１３Ａ図および第１４Ａ図のものを含む、
本出願の他の実施例にも同様な方法で適用される。

第４図は本発明の別な第３実施例を示す共振器の斜視図
である。第４図の音さ共振器は、第１図〜第３図の前の
実施例の湾曲モードと共にねじれモードで振動する共振
器によって特に測定するようにされている。ねじれモー
ドで振動する音さ共振器を用いる物理パラメータの測定
は、ねじれモード振動の共振周波数が共振器の温度と共
に事実上直線的に変化し得る、１つの貴重な機能である
点において好都合である。これに対比して、湾曲モード
で振動する共振器の共振周波数は、放物線の形の周波数
−温度特性を持つ。かくて、第４図に示されるような共
振器は、温度を測定するのに好都合である。別法として
、第４図の共振器は湾曲モードでもねじれモードでも振
動することができる。２つの異なる振動モードは、それ
らの周波数を大幅に異にすることができるので、電気的
に分離することができる。例えばねじれモードは２００
ＫＨ２で、湾曲モードは２０ＫＨ２で作動することがで
きる。

第４図に示される通り、共振器（１８０）の３つの異な
る振動モードは、ねじれモードについては矢印（１８２
）と（１８４）で、垂直モードすなわち正常モード（こ
の場合アームは２個の歯の面に直角な方向に振動する）
については矢印（１８３）と（１８５）で、そして湾曲
モードについては矢印（１９０）と（１９２）で示され
ている。

共振器（１８０）はアーム（１８６）および（１８８）
を含む。第１図の光源（１６）に似た光源からの光（１
９４）は、光ファイバ（１９６）を通ってアーム（１８
６）に導かれる。光ファイバ（１９６）は共振器（１８
０）の基部と共に光学的に連続であり、したがって光束
（１９４）も光束（１９８）としてアーム（１８６）に
沿って導かれる。アーム（１８６）および（１８Ｂ）は
２つの異なる方向に先細になっている。１つの先細は表
面（２００）として示されるアーム（１８６）の１つの
辺である。他の先細は表面（２０３）として示されるア
ーム（１８６）の底面である。

表面（２００）によって示される第１先細は光束（１９
Ｂ）を鏡（２０４）に向けて収束する。光束（１９８）
は光束（２０６）として鏡（２０４）から反射される。

表面（２０３）によって示される第２先細は、光束（２
０６）を表面（２０８）に向けて収束し続ける。この光
の一部は小さな間隙（２１０）を横切り、アーム（１８
８）の表面（２１２）を通って共振器に再び入る。この
光は次に光束（２１６）として鏡（２１４）によってア
ーム（１８８）の下方に反射され、光束（２２２）とし
て共振器（１８０）の基部に向かう。

光束（２２２）は次に、光ファイバ（２２４）によって
第１図の検出器（６６）に似た光検出器に導かれる。ア
ーム（１８８）は、表面（２２０）および（２２１）と
して示されるアーム（１８６）の先細部分に対応する先
細部分を備えている。

２個の先細によって極めて小さな矩形区域（２０８）お
よび（２１２）が作られ、それを通して２個のアーム（
１８６）、（１８８）が光結合される。２個のアーム（
１８６）、（１８８）がねじれモード（矢印１８２．１
８４）、湾曲モード（矢印１９０．１９２）、または垂
直（正常）モード（矢印１８３．１８５）、あるいは上
記３つのモードの任意な組合せで振動するとき、共振器
の２個のアーム間の光結合係数は変更され、それによっ
て光束（２２２）が変調され、その光束は光検出器によ
って検出される。

第１図について上記で説明された光および電気帰還によ
り作られる光束（２２６）は、光ファイバを通って光電
池（２３０）に供給される。光電池−（２３，０）は、
共振器（１８０）を共振させる駆動電極（２３’２）お
よび（２３４）用の変化する電流を作る。光ファイバ（
１９６）と（２２４）との間にファイバ（２２８）およ
び光電池（２３０）を置べと、コンパクトな構造になる
。

第３Ａ図、第３Ｂ図および第４図を第１図、第２Ａ図な
らびに第２Ｂ図に比較すると、第３Ａ図、第３Ｂ図およ
び第４図の共振器はそれに取付けられた光ファイバ・リ
ードと共に、光変換装置の使い捨て部分を構成し、自由
に使い捨てができる。

共振器（１８０）の電気的パターンは、ねじれモードま
たは湾曲モードもしくは両モードでアームを振動させる
ような構造にすることができる。

これらの方法は技術的によく知られており、米国−特許
第４３７７７６５号および第４３８２２０４号に記載さ
れている。１−回の測定で両モードが使用される場合は
、光束（２２６）は２つのモードを別個に駆動するため
に２つの別な駆動周波数を含む。かくて、前の実施例で
は、金属膜のおもりが共振周波数調節用として共振器（
１８０）に付着される。アームが矢印（１８３）および
（１８５）によって示される通り振動子の面に垂直に移
動する垂直湾曲モードも、駆動電極の位置を適当にする
ことによって実行される。

共振器（１８０）が湾曲およびねじれの両モードで同時
に振動されると、２個の異なる物理パラメータが各モー
ドに異なる量だけ影響を及ぼすことがある。２つのモー
ドに別々に及ぼす各パラメータの影響を較正することに
よって、２個のパラメータを同時に測定することがモー
ドの周波数を測定することにより可能である。かかる２
個のパラメータは温度と圧力であることができる。

第５Ａ図は本発明の第４代替実施例を示す対向する格子
パターンを持つ対向する１対の圧電者さの簡潔化された
斜視図である。第５Ｂ図は、第５Ａ図の音さの平面図で
ある。光束（２５０）は光ファイバ（２５２）によって
導かれ、レンズ（２５６）によってビーム（２５４）に
コリメートされる。レンズ（２５６）は在来形の集光レ
ンズまたは例えば日本板ガラス社製のグレーテッド・イ
ンデックス・ロッド・マイクロレンズであることができ
る。光ビーム（２５４）はレーザからも直接得られる。

コリメートされた光ビーム（２５４）の部分は、第５Ｂ
図に示されるような対向する格子素子（２６２）、（２
６４）をそれぞれ備えた第１水晶音さ（２５８）および
第２水晶音さ（２６０）を通過する。格子（２６２）は
アーム（２６６）および（２６８）の上に置かれ、また
対向格子（２６４）はアーム（２７０）および（２７２
）の上に置かれている。この格子構造物を通過するコリ
メート・ビームからの光は、２１ＦＩＪの音さの運動に
よって位相はずれの電流を作る光電池（２７４）の上に
投射される。電気接続（２７６）および（２７８）は、
光電池の出力を駆動音さ（２６０）に接続する。音さ（
２，６０）の駆動電極は、音さ（２５８）の駆動電極に
接続されて、２個の音さが反対位相で振動するようにな
っている。接続は第５Ａ図に示される通りである。かく
て、アーム（２６６）および（２６８）が湾曲して離れ
て運動するとき、アーム（２７０）および（２７２）は
向き合って運動し、それによって対向格子構造物は光ビ
ーム（２５４）を変調することができる。

光ファイバ（２５２）は、物理パラメータを測定するた
めに格子構造物で変調される光を受けるファイバとして
も働く。第１格子（２６２）は光吸収材料または螢光体
で作られ、温度を表示するのに用いられる。第２格子（
２６４）は光反射材料で作られている。かくて、第２格
子（２６４）によって反射された光（２７８）は格子（
２６２）の透明な部分を通り、第１図、第２Ａ図および
第２Ｂ図について上述した方法で光検出器によって検出
するため光ファイバ（２５２）の上にレンズ（２５６）
によって集束される。こうして検出された光は、２個の
音さの組合せ作用によって変調される。この方法で、２
個の音さの振動を変調する物理パラメータが検出・測定
される。前の実施例のように、２個の音さの共振周波数
は、その上に付着された金属膜のおもりを刈り取ること
によって調節することができる。必要な場合、２個の音
さ間で電極の接続を追加すると、音さの運動が同期され
ることがある。

上述の説明において、２個の音さはそれぞれの基本湾曲
モードで振動されている。格子を位置（２８０）に移す
と、湾曲モードの第１倍音振動が検出される。技術的に
周知の在来形電極パターンは、この倍音振動を駆動・発
生させるのに用いられる。第５Ａ図、第５Ｂ図では音さ
（２５８）、（２６０）は薄い平板の形で示されている
が、言うまでもなく、その厚さは図示のような厚さに制
限されず、音さの機能に影響を及ぼさずにその幅よりも
大きくなるように自由に増加することができる。本出願
の他の実施例における変換器の断面寸法は同様に変える
ことができる。

２個の音さは第５Ｂ図に示される通り共に接近して置か
れることが望ましい。２個の格子構造物は、格子構造物
（２６２）の各透明ストリップが格子構造物（２６４）
の対応する不透明ストリップの半分と片側で重なるよう
に、第５Ｂ図に示される通り約５０％だけ重なり合う。

格子構造物（２６４）の各不透明ストリップは、格子（
２６２）に関して同様に置かれている。かかる配列によ
って、２個の音さ間の相対運動に対する最大感度が得ら
れる。

２（［１ｉ１の格子構造物を作るために螢光体を使用す
ると、音さの環境温度が上述の他の物理パラメータと同
時に測定できるという利点がある。温度測定に螢光体を
用いる方法は、ライツカシャイム（Ｗｉｃｋｅｒｓｈｅ
ｉｍ　）の米国特許第４０７５４９３号および第４２１
５２７５号、ならびにサムルスキーの米国特許第４２４
５５０７号に開示されている。

第６図は本発明の光センサが圧力測定に使用される方法
を示す光圧力変換器の概略図である。第６図に示される
通り、圧力変換器（３００）は分離ダイアフラム（３０
４）によって囲まれた管状容器（３０２）を含む。容器
（３０２）の中に、第３Ａ図に示された種類の水晶者さ
形共振器（３０６）が置かれている。

圧力変換器を説明するために第３Ａ図の共振器が第６図
に示されているが、言うまでもなく、上述の音さ変換器
のどれでも１つがそれに変わって使用される。第７図、
第８Ａ図、第８Ｂ図、第９Ａ図、第９Ｂ図、第９Ｃ図お
よび第１０図について説明される形の音さ共振器もそれ
に変わって使用される。かかる構造はすべて本発明の範
囲内である。

ダイアフラム（３０４）のコンプライアンスにより、容
器（３０２）の内側の内圧とその外側の外圧とが平衡を
保つ。かくて、一定の環境の圧力を測定するために、容
器（３０２）はその出口がかかる環境内のダイアフラム
に通じるように置かれるので、容器内の内圧は測定すべ
き環境の圧力に等しい。容器（３０２）の内圧は容器内
の気体密度を変化させ、したがって共振器（３０６）の
共振周波数をも変化させて、上述の方法で光信号に変換
される。取付けられたチュービング（３０８）は、圧力
変換器に−様な外径を与える一方で、光ファイバ（３１
０）および他の器具を入れる空間を提供する。第６図の
圧力変換器は医学応用でカテーテルとして容易に使用さ
れる。変換器の圧力感度は、共振器の回りに異なる密度
−圧力または粘度−圧力の特性を持つ異なる気体あるい
は気体混合物を置くことによって変えることができる。

第６図の圧力変換器は、容器の底の近くの流体内に変換
器を置き、流体の密度が既知であったり測定される場合
に変換器より上の流体の高さに測定された圧力を関連さ
せることによって、レベル検出器として使用することが
できる。流体のレベルより上の容器内に置かれた同じ形
の追加の圧力変換器は、気圧の変化を測定・補償するこ
とができる。流体の密度を測定するために、２個の変換
器は既知の垂直距離に離して流体の中に置かれる。

変換器の２つの場所の間の圧力差は、流体の密度を与え
るであろう。これは、容器の底の流体内で測定された圧
力と組み合わされて、流体レベルを与えるであろう。

第７図は、本発明の光センサが粒子を検出するのに用い
られる方法を説明するための、マイクロ質量バランス共
振器の簡潔化された斜視図である。

第７図に示される通り、共振器（３５０）は容器（図示
されていない）の中に置かれ、光ファイバ（３５２）を
介して遠隔監視場所にある評価装置（これも図示されて
いない）に接続されている。

このファイバは、共振器と共に一層好適にインタフェー
スするように、矩形端部分（３５４）に形成される。２
個の振動する歯（３５６）および（３５８）は、上述の
実施例と同様な方法で鏡（３６０）から反射される光を
変調する。開口板（３６２）は音さの前面に置かれ、２
個の開放窓（３６４）および（３６４）を含み、それに
よって空気中の粒子は容器内に入り、２個の歯に衝突し
てその歯の上の２つの区域（３６８）および（３７０）
に付着する。１ミクロン以下の極めて小さい微粒子の場
合、金またはニッケルの被覆は付着表面（３６８）およ
び（３７０）であることができる。１ミクロンより大き
な微粒子では、高温真空グリスの薄層のような粘着性物
質がこれらの粒子を付着することができる。これらの粒
子の追加の質量は歯の重量を増加し、それに対応して共
振周波数は減少する。

かくて、水晶振動子に付着する微粒子物質の重量は、音
さ（３５０）の共振周波数の対応する変化を測定するこ
とによって測定し得る。

第７図に示される通り、音さ（３５０）はフレーム（３
７２）を含む。これは２個の歯（３６８）および（３７
０）に関する鏡／光電池（３６０）の位置決めを容易に
するので、鏡を歯に関して定位置に保つために余分な部
品は不要となるであろう。かくて、第１図の共振器もフ
レームを含むことがあるので、光ファイバ（６０）は２
個の歯（２８）および（３０）に関してその位置を固定
するためにフレームに取付けることができる。

第２Ａ図から、共振器（１０２）にフレームと一体構造
であってもよいので、光ファイバ（１００）はフレーム
に取付けることができる。

第８Ａ図は、気体状汚染物質を検出・測定する水晶前さ
共振器の概略図である。振動する音さ（４００）は前述
の型式のどれでもよい。音さ（４００）の両アームは、
検出すべき特定の化合物に接着する化学活性化合物（４
０２）および（４０４）を持っている。水晶振動子の残
り部分は、化学的に活性でない煉石またはスピネルのよ
うな保護被覆で覆われることがある。ハウジング（４０
６）は、検出すべき気体を容器の外部から内部に選択的
に通す半透膜（４０８）を含む。気体分子の区域（４０
２）、（４０４）への付着に起因する音さアームの質量
の変化は、遠隔で検出・測定される音さの共振周波数を
変化させる。例えば、膜（４０８）がハイパーホビック
でありかつ水蒸気を除く大部分の気体を通すマイクロ・
チャンネル・テフロンから作られる場合、および場所（
４０２）および（４０４）がパラジウムの薄膜によって
被覆されている場合、変換器（４００）は大部分の気体
の存在を検出するのに用いられる。より選択能力のある
化学センサは、膜（４０８）の性質および歯の上の物質
の接着または収着性に左右される。例えば、膜は粒子ま
たは抗原に対して選択的に化学活性であり、区域（４０
２）および（４０４）によって引続き収着される気体を
開放させる。

第８Ａ図の変換器は、その上の気体の凝縮を検出するこ
とにより圧力の検出にも使用される。変換器を囲む気体
の温度が事実上一定に保たれるならば、変換器の上の気
体の凝縮は気体の圧力に比例する。変換器の下の凝縮の
質量を測定することによって、気体の圧力が測定される
。

第８Ｂ図は、二重音さ配列が使用される気体汚染物質検
出器のもう１つの実施例を示す概略図である。この場合
、２個の音さ（４２０）および（４２２）は２つの分離
した異なる周波数で振動する。容器（４２４）は、異な
る物質であることができかつそれによって異なる気体を
検出する気体透過領域（４２６）と、選択性収着領域（
４２８）とを備えている。入力光ビーム（４３２）は雨
音さの運動によって変調され、Ｈ［ｌｉｌの音さの２つ
の共振周波数を含む変調出力信号（４３４）を作る。電
気処理ユニット（図示されていない）はこれら２つの異
なる周波数を分離することができ、それによって周波数
の変化を測定することができ、かくて２個の音さの上に
付着された２つの各気体の量を測定することができる。

他の例では、音さの１つは化学収着区域を含まず、温度
または圧力センサとして作動し、それによって組合せ式
温度−化学センサまたは圧力−化学センサを構成する。

この能力は、化合物の検出がその温度または圧力に大き
く左右される場合特に役立つ、同様な方法で、閉端形の
音さ（後で説明する）を含む２個を越える音さは、多く
の気体を測定したり温度および圧力を監視したりして化
合物を検出するのに使用される。明らかに、第８Ａ図に
示されるものと異なる形の音さ、例えば第１図、第２Ａ
図、第３図、第４図、第５Ａ図、第９Ａ図および第１０
図に示されるような音さが使用される。かかる配列はす
べで、本発明の範囲内である。

第９Ａ図、第９Ｂ図および第９Ｃ図は、２個の閉端前さ
共振器を含むロード・センシティブニ重バー共振器を有
する本発明の第５実施例を示す。

閉端前さ共振器の共振特性は技術的によく知られている
。閉端前さ共振器の光変調法は、上述の閉端前さ共振器
に似ている。第９Ａ図および第９Ｃ図について、２個の
閉端前さ共振器（４５０）および（４５２）は事実上反
対位相で振動するので、光吸収格子（４５４）は光反射
格子（４５８）と組み合わされ、また光吸収格子（４５
６）は光反射格子（４６０）と組み合わされて、格子（
４５８）、（４６０）から反射されてレンズ（４６４）
に向かう光を変調し、次に検出のために光ファイバ（４
６２）に向かう反射光を集束する。鏡／光電池（４６６
）は第５Ａ図および第５Ｂ図の素子（２７４）と同じ機
能を果たす。

第９Ｂ図に示される通り、閉端前さ共振器の対が容器（
４６Ｂ）の中に対称に置かれている。容器（４６８）は
、内圧Ｐ２と外圧Ｐ１との圧力差を検出するたわみダイ
アフラム（４７０）によって環境から分離されており、
それによって閉端前さ共振器の力のローディングに変化
が生じる。力のローデイグの変化は２（１Ｍの共振器の
共振周波数を変え、第９Ａ図、第９Ｂ図および第９Ｃ図
の変換器は圧力差を測定するのに用いられる。圧力差を
測定する代わりに、第９Ａ図、第９Ｂ図および第９Ｃ図
の変換器はダイアフラムの中心に加えられる圧縮力また
は張力を測定するのにも使用される。かくて、ダイアフ
ラムの中心に置かれるおもり（４７２）は共振構造物に
力を加えて、矢印（４７１）の方向のどんな加速または
振動運動でもその共振周波数を変えるであろう。

第１０図は、本発明の第６代替実施例を説明するととも
に本出願の発明が力および圧力を測定するのに用いられ
る方法をも説明するための、光変換器の部分断面および
部分正面図である。第１０図に示される通り、図示の形
状の水晶振動子共振器（５００）は圧力または力Ｐ１を
測定するのに用いられる。光ファイバ（５０２）は光信
号を共振器（５００）に送受信する。共振器（５００）
は、前の圧力変換器の実施例と同じようにハウジング（
５０３）およびダイアフラム（５０４）によって別まれ
でいる。圧力または力Ｐ１はダイアフラム（５０４）の
上に加わって、２個の棒共振器（５０６）および（５０
Ｂ）の共振周波数を変える。２個の棒共振器は、それぞ
れの共振周波数の変調の検出・測定を簡単にするために
同じ共振周波数を持つように、同じ負荷をかけられるこ
とが望ましい。２個の共振器が同じ負荷をかけられるこ
とを保証するために、Ｐｌはダイアフラム（５０４）に
均等に加えられるべきである。

２個の棒共振器の間に２個のアーム（５１０）および（
５１２）がある。光束（５１４）は光ファイバ（５０２
）を通り、アーム（５１０）を下り、２個のアーム間の
間隙（５１６）を横切ってアーム（５１２）に進み、光
電池（５１８）の前部表面の鏡によって反射され、光フ
ァイバ（５０２）への通路を引返し、次に光検出器に送
られるが、この方法は他の実施例に関して上記に説明し
た方法と同様である。棒共振器（５０６）および（５０
８）はおのおの、シャッタ（５２２）ならびに（５２４
）を構成す−る突起部分を備えている。

棒共振器（５０６）および（５０Ｂ）の振動は、シャッ
タ（５２２）ならびに（５２４）を経て、光ファイバ（
５−０２）に反射して戻される光束を変調するが、それ
はダイアフラム（５０４）によって共振器（５００）に
送られる力が光ファイバ（５０２）により導かれる光束
を測定することによって検出・測定されるような方法で
行われる。

上述の他の実施例と同様に、第１０図に示される変換器
は光ファイバ（５０２）に接続される測定器具の使い捨
て部分を構成し、したがって器具は測定の場所から□離
して置くことができる。

ダイアフラムによって実際に送られる圧力の量は、ダイ
アフラムのこわさに左右される。ダイアフラムがこわい
場合は、圧力の多くは容器（５０３）のフレームによっ
て支持され、はんの小部分が共振器によって支持される
。適当なこわさのダイアフラムを選択することによって
、変換器（５００）は所望の範囲の圧力を検出するよう
に同調される。

第９Ａ図、第９Ｂ図および第９Ｃ図ならびに第１０図の
光センサは、閉端者さ形変換器を使用する２つの実施例
である。上述の通り、両実施例は圧力または力を測定す
るのに用いられる。しかしこの２つの実施例は、第９Ｂ
図の物質（４７２＞がいずれの実施例でも変換器の上部
に置かれるならば、他の多くの物理パラメータを測定す
るのにも使用できる。いずれの実施例も加速度を測定す
るのに使用できる。変換器の上部に置かれる物質がゼロ
加速であるならば、共振周波数の変調は単に物質の重さ
を表すに過ぎない。しかし変換器が加速されている場合
は、変換器の加速度により物質は変換器に力を与えるが
、この力は加速の方向次第で自らの重さより大きくなっ
たり小さくなる。

素子（５１０）、（５１２）は在来の方法で駆動電橋（
図示されていない）により振動するようにされる。２個
の素子のいずれか一方を、間隙付きの開端者さにするこ
とができる。第１０図において、素子（５１０）は間隙
（５６，，３）によって分離された２個の対称な歯を持
つ開端者さとなるような間隙（５６３）（点線で示され
ている）を備えている。いずれかの素子によって形成さ
れる開端者さは、閉端者さの振動から区別し得る周波数
で振動するようにされる。

かかる開端者さが温度測定に用いられるならば、第１０
図の完全装置は温度と共に圧力、力または加速度のよう
な他の物理パラメータを同時に測定するのに使用される
。

閉端者さの２つの実施例は、振動または音波の測定にも
使用される。ダイアフラム（４７０）またはダイアフラ
ム（５０４）は、２つの実施例の変換器に変化する圧力
または力を加えさせる音波によって振動される。かかる
変化する力または圧力は、第９Ａ図、第９Ｂ図、第９Ｃ
図および第１０図についての上述の方法と同じ方法で検
出される。

閉端者さの２つの実施例は、第４図、第７図、第８Ａ図
および第８Ｂ図の温度、化合物ならびに微粒子の検出に
関する上述の開端者さの場合と同様な方法で使用される
。かかるすべての応用は本発明の範囲内である。

上記応用のほかに、閉端者さの２つの実施例は変位（ひ
ずみ）を検出するのにも使用される。第１１図は変位を
検出する閉端者さ共振器の簡易断面図である。閉端者さ
（５４０）はコンブライアント多重板ばね素子（５４２
）に接続されたり、それと一体構造になっている。ばね
素子は、特に水晶の単片から作られているとき、低ヒス
テリシス、超線形のコンブライアントばね素子として作
用する。変位ｄｘは、ばね定数Ｋを持つ水晶ビーム（５
４’４）を曲げる。この結果、音さ共振器（５４０）に
張力または圧縮力が加わる。かくて、ばね（５４２）は
変位ｄｘを共振器（５４０）に加わる力に変え、そのと
き力は上述の方法で測定される。共振器（５４０）に加
わる力の大きさは、ばね（５４２）の所望のばね定数Ｋ
を選択することによって調節することができる。変位ｄ
ｘを所望の力に変える適当なばね定数を持つばねは、在
来の方法で選択することができる。鏡／光電池（５４６
）は第１０図の素子（５１８）と同じ機能を果たす。

下記の表は、これまで説明された開端および閉端前さ型
変換器の応用を要約するものである：応用　　　　　　
　　変換器の型式 圧力　　　　　　　開端、閉端前さ 温度　　　　　　　開端、閉端前さ 力　　　　　　　　　　　閉端前さ 変位（ひずみ）　　　　　ばね付閉端音さ加速度　　　
　　　　　　物質付閉端者さ化合物　　　　　　開端、
閉端前さ 微粒子／マイクロ 物質バランス　　　開端、閉端前さ 第１−２　Ａ図から第１２Ｅ図までは、本発明の光セン
サがさらに他の物理パラメータを測定するのに用いられ
る方法を説明する概略図である。かかる各応用は、物理
パラメータがまずそれを表す電気信号に変換され、次に
圧電または強誘電水晶振動子に加えられて、振動子を振
動させる点でよく似ている。振動子の振動はそのとき、
物理パラメータを測定するために光学的に検出される。

上述の開端および閉端前さ型変換器はすべて、かかる方
法で物理パラメータを測定するのに使用される。

振動子変換器を振動させる駆動エネルギーは自らが測定
すべき物理パラメータまたは変数から発生するので、前
の実施例で用いられた光電池は振動子を振動させるため
にもはや不要となる。

第１２Ａ図は光信号を測定する変換装置の一部の概略図
である。光信号（５５０）は、これを表わす電圧を発生
させる光検出器（５５２）に向けられる。端子Ａ、Ｂの
両端の電圧信号は次に、光信号の交流成分を測定するた
めに上述の実施例の開端および閉端前さ変換器の駆動電
極に加えられる。

第１２Ｂ図は電波または放射信号を測定する変換装置の
一部の概略図である。第１２Ｂ図に示される通り、電波
または放射信号（５５４）は、端子Ａ、Ｂの両端に電圧
信号を順次発生させる光検出器（５５Ｂ）によって検出
されるルミネセンスにより信号を光信号に変換する変換
スクリーン（５５６）に向けられる。次に電圧信号は、
信号を測定する上述の実施例の開端および閉端前さ変換
器の駆動電極に再び加えられる。紫外線、可視光線、赤
外線、放射線または電離すなわちＸ線信号を光信号に変
換する、多数の螢光スクリーンおよび水晶ベースの変換
スクリーンが利用できる。トリマックスという商品名で
３Ｍ社によって製造された型の螢光変換スクリーンは、
Ｘ線検出に使用される。多くの他の既知螢光材料が使用
される。

適当な材料は、測定すべき特定の信号次第で選択される
。

第１２Ｃ図は電気信号を測定する変換装置の一部の概略
図である。変化する電気信号（５６０）が、上述の開端
および閉端前さ型変換器を駆動するために直接加えられ
る。しかし、水晶振動子用の直流成分が大き過ぎる場合
は、信号（５６０）の直流成分を阻止する直流阻止コン
デンサ（５６２）が使用される。コンデンサ（５６２）
は、電気信号（５６０）の振幅が一定に保たれているな
らば、変換器としても使用される。コンデンサのキャパ
シタンスは、コンデンサを機械的に同調させることによ
り、または温度、圧力あるいは音波のような変化する物
理パラメータの影響によって変えることができる。これ
はさらに、本応用の光センサを用いて光学的に検出され
る変化する電圧を端子Ａおよび已に生じさせる。

第１２Ｄ図は変化する磁界を測定する変換装置の一部の
概略図である。第１２Ｄ図に示される通り、電線（５６
４）のコイルのような磁気変換器が変化する磁界（５６
６）のすぐ前に置かれている。変化する磁界は端子Ａ、
Ｂの両端に電圧信号を発生させるが、この信号は磁気信
号（５６６）を検出する音さ変換器を駆動するのに用い
られる。

第１２Ｅ図は、力を測定する変換装置の一部の概略であ
る。力（５６８）は圧電力変換器（７５０）に加えられ
、それによって変換器はかかる力を測定する第１図につ
いて上述された音さ型変換器を駆動するのに用いられる
電圧信号を端子ＡおよびＢの両端に作る。

第１図から第１１図までに関する光センサおよびその応
用の上記説明において、変換器は抗原および帰還装置か
らの光によって振動される。測定すべき物理パラメータ
は変換器の振動を変調する。

物理パラメータはそのとき、かかる変調を測定すること
によって測定される。物理パラメータは音さの変調の振
幅、周波数または位相を測定することによって測定され
る。

第１２Ａ図から第１２Ｅ図までに関して説明された変換
装置およびその応用において、測定すべき物理パラメー
タはまず電気信号に変換され、この信号は次に音さ変換
器を動かすのに使用される。

変換器を振動させる別の光源または光電池は使用されて
いない。かくて、測定すべき物理パラメータが変化しな
いならば、（例えば定磁界が第１２Ｄ図の装置によって
測定できないならば）、音さはその共振周波数以下で変
調しない。その代わりに音さの歯すなわち棒は電圧に応
じて相互に離れたり接近したりする。かかる変位は物理
パラメータを測定するために測定される。

第１図から第１１図までに関して説明された実施例と同
様に水晶振動子が光源と光電池とによって別々に振動さ
れない水晶振動子を使用するさらに他の実施例が下記に
説明される。代わりに、振動子は測定すべき物理パラメ
ータに直接応動する。

言うまでもないと思うが、下記の実施例は水晶振動子変
換器として説明されるが、他の材料で作られた他の変換
器は、物理パラメータの影響を受けてかかる変換器が曲
げられたりたわんだりするかぎり、使用することができ
る。かかる構造は全て本発明の範囲内に入る。

１つのかかる変換器は、本発明の第７代替実施例を説明
する変換器の断面図である第１３Ａ図に示されている。

第１３Ａ図に示されるとおり、変換器（６００）は第１
０図の振動子（５００）と基本的に同じ形状を持つ水晶
振動子を含む。２個の棒すなわちビーム（６０４）、（
６０６）はアーム（６１２）と（６１４）との間の間隙
に伸びているシャ・ツタ（６０８）および（６１０）の
他に、シャッタと対向する棒（６０４）、（６０６）の
（則に２（固のフィンガ（６２２）および（６２４）を
備えている。２（［！ｉｔの各フィンガ（６２２）およ
び（６２４）は、それぞれのダイアフラム（６２６）な
らびに（６２８）と接触している。２個のダイアフラム
は、水晶振動子（６０２）に取付けられるフレーム部材
（６３０）および（６３２）の上に置かれている。２個
のダイアフラムは相互に構造が同じであったり違ったり
することがある。光ファイバ（６３４）は、水晶振動子
（６０２）からの変調された光信号を送る部材（６３２
）の穴を通る。光は光源（図示されていない）から、フ
ァイバ（６３４）を通って振動子（６０２）に供給され
る。供給された光はアーム（６１４）、（６１２）を通
り、鏡（６３６）によって反射され、反射された光を光
検出器（図示されていない）に送るファイバ（６３４）
までその通路を引き返す。力、圧力、変位および音波の
ような測定すべき物理パラメータは２個のダイアフラム
（６２６）および（６２８）に加えられる。２個のフィ
ンガ（６２２）および（６２４）が２個のダイアフラム
に接続されているので、ダイアフラムの運動は鏡により
反射されかつ光ファイバによって光検出器に送られる光
をシャッタ（６０８）、（６１０）で振幅変調させる。

２個のダイアフラムの１つの上に物質が取付けられるな
らば、ダイアプラムを横切る方向の物質の加速度は、シ
ャッタを偏向させて光検出器により検出された光を変調
させる。かくて、変換器（６００）は加速度計としても
使用される。

第１３Ｂ図は、本発明の第８代替実施例を説明するもう
１つの水晶者さ型共振器の断面図である。

第１３Ｂ図に示される通り、変換器（６５０）は第３Ａ
図の水晶振動子（１５０）と基本的に同一である音さ振
動子（６５２）を含むが、ただし振動子（６５２）は振
動子（１５０）に比べて形状が少し違うとともに振動子
（６５２）は２個のフィンガ（６２２）、（６２４）を
余分に備えている。第１３Ａ図と第１３Ｂ図を比較する
と、第１３Ｂ図の変換器（６５０）は第１３Ａ図の変換
器（６００）と同じであるが、ただし第１３Ａ図の振動
子（６０２）の代わりに異なる形状の振動子（６５２）
が使用されている。両図において機能的に同一な部品は
同じ数字で表されている。

上記の変換器（６００）に関して説明した方法と同様な
方法で、第１３図の変換器（６５０）は圧力、力、変位
、加速度および音波を測定するのに用いられる。第１図
、第２Ａ図、第４図、第５Ａ図の変換器の実施例は同様
に変形されて、第１３Ｂ図の振動子（６５２）の代わり
に使用することができる。かかる構造はすべて、本発明
の範囲内である。

第１４Ａ図は、本発明の第９代替実施例を説明する光変
換器の斜視図である。光変換器（７００）は、フレーム
（７０６）によって囲まれる中央歯（７０４）を持つ水
晶振動子（７０２）を含む。

振動子の一端を先細にすることによって、中央歯および
包囲フレームはその先端が極めて薄くなる。

かかる先細は、第１４Ｂ図の振動子（７０２）の部分断
面図からも見ることができる。光ファイバ（７１０）は
、それが受けるべき鏡（７１２）から反射される光を、
振動子（７０２）に供給する。

中央歯の端に施された厚い金属膜のおもり（７１４）は
、加速度を検出するために中央歯を囲む歯に対する中央
歯の慣性モーメントを増加する。（７１６）によって示
される方向の運動は、中央歯とそのフレームとの間に相
対変位を生じさせ、それによってファイバ（７１０）に
反射して戻される。光ビームの光変調も生じる。

中央歯は、ロッド（７１８）のような細長い部材を通し
て、適当に取付けられたダイアフラム（７２０）にも接
続される。圧力、力、変位または音波のような測定すべ
き物理パラメータはダイアフラムを動かす。ダイアプラ
ムの運動はロッド（７１８）によって伝えられ、中央歯
とそのフレームとの間に相対運動を生ぜしめ、それによ
ってファイバ（７１０）に送り返される光も変調される
。

そのとき物理パラメータが測定できる。この場合もまた
、ダイアフラム（７２０）に接触して物質を置くことに
よって、物質の加速度が同じ方法で測定される。

第１５図は、本発明の第１０代替実施例を説明するため
に、変換素子が一部切り取られかつ斜視図で示されてい
る変換装置の簡易概略図である。

変換装置（８００）は検出ユニッ）（８０２）を含む。

ユニット（８０２）は２個の窓（８０６）および（８０
８）を持つハウジング（８０４）を含む。ハウジング（
８０４）は音さセンサ（８１０）を備えている。音さ（
８１０）は湾曲、ねじれまたは垂直の振動モードで作動
する開端型あるいは閉端型のいずれでもよい。検出ユニ
ット（８０２）は、他の実施例について上述した物理パ
ラメータのどれでもを検出するのに用いられる。

ハウジング（８０４）の内側表面（８１２）は、音さの
特定な振動モード次第で光を吸収したり反射したりする
ことができる。光源（８２０）はレーザ（８２２）を音
さ（８１０）に向ける。レーザ・ビーム（８２２）は音
さによって反射されたり変調され、反射または変調され
た光（８２４）は結局検出装置（８３０）によって受信
され、音さ（８１０）の振動を変調する物理パラメータ
が測定されることになる。光ビーム（８２２）が音さ（
８１０）の振動により変調されて変調された光ビームを
生じる方法は、第１６Ａ図、第１６Ｂ図および第１６Ｃ
図について以下に説明される。

レーザ・ビーム（８２２）の一部は、窓（８０８）にも
入って光電池（８３２）に当たる。光電池（８３２）は
、音さ（８１０）を順次電気駆動する一体構造の発振器
（８３４）を駆動する電気エネルギーを供給する。

第１５図の変換装置の利点は、多数の変換素子がレーザ
・ビームによって質問される散在した他の方法では接近
できない場所に置くことができる点である。装置が安価
に作られかつ作動されるように、光ファイバまたはレー
ザ・ビーム以外の接続は不要である。

第１６Ａ図、第１６Ｂ図および第１６Ｃ図は、音さの振
動が光ビーム（８２２）を変調する異なる方法を示す音
さ（８１０）の歯（８４２）、（８４４）の概略図であ
る。

第１６Ａ図に示される通り、音さ（８１０）はねじれモ
ードで振動することができる。２個の歯の前部表面は光
反射材料で被覆されているので、光ビーム（８２２）は
ビーム（８２２）とある角度をなしてビーム（８２４）
に反射されるであろう。

このような場合、第１５図の内側表面（８１２）は光吸
収性である。次に検出装置（８３０）は、音さの振動を
変調する物理パラメータを測定する歯の回転の量すなわ
ち周波数を検出する。

第１６Ｂ図では、２個の歯は湾曲モードで振動する。２
個の歯の前部表面は光吸収材料で被覆されている。鏡す
なわち逆反射素子（８４６）が歯の後に置かれている。

光ビームは次に、その入射通路に沿って鏡（８４６）で
反射される。歯の湾曲振動は、鏡（８４６）により反射
された光の量を変調する。測定すべき物理パラメータは
、歯の振動を変調する。したがって、ビーム（８２４）
の変調の測定は物理パラメータの位相、周波数または振
幅を表わす。第１６Ｃ図では、２個の歯の前部表面は光
反射材料で被覆されている。しかし７２個の歯は開口を
備えた光吸収スクリーン（８５０）の間に置かれている
ので、歯が振動すると、スクリーン（８５０）によって
カバーされる歯の反射区域が変調される。このような方
法で、歯の振動は反射されたビーム（８２４）の強度を
変調する。

第１７Ａ−２２図は、電磁パラメータに敏感な部材に接
続された共鳴器を用いて、電流、磁場。

電圧等の電磁パラメータを測定するための具体例を示す
。パラメータは、ある特定の方向に沿って部材の大きさ
に変化を与える。パラメータによって部材の大きさに変
化が生じるとき、部材は共鳴器に力を与え、その結果、
共鳴器の共鳴周波数が変化するような方法で部材は共鳴
器と接続されている。

そして、共鳴器の共鳴周波数が、パラメータを検出し測
定するために検出される。前述した共鳴光学変換装置は
、電磁気パラメータを測定する際にとりわけ有利である
。前に示したように、その変換装置を共鳴させ調べる。

このように光学変換装置と光学システムは、高電圧や磁
場によって影響されない。このために、強磁場に置いた
り高電圧下にさらしても、そのような変換装置は、高精
度を維持する。その結果、高電圧送電線における高電圧
ポテンシャルでの電圧差の精密な測定と同時に電流の測
定にも、そのシステムは使用できる。

前述した多くの光学変換装置の実施例において、変換装
置は、光フアイバケーブルによって供給される光パワー
によって発生する電圧を変換装置に加えることによって
共鳴させられる。電気的に絶縁した光フアイバケーブル
によって高電圧環境下での測定が可能になる。前述の実
施例のほとんどは、光フアイバケーブルが、変換装置の
共鳴のための光パワーの供給に使われているのに対し、
第１５−１６Ｃ図に示すレーザビームシステムは、遠隔
的に電力を供給し、センサを調べるための、高電圧への
応用においても使用できる。この特定の実施例において
は、光フアイバケーブルを通して光パワーを供給するか
わりに、遠隔的に電力を供給し、変換装置を調べるため
に１．光フアイバケーブルを通さずにレーザ光束が直接
、センサに入射する。多くの形態が光学変換装置におい
て使われるので、第１７Ａ−２２図を参照する以下の記
述においては、光学変換装置は、単に１ないし２本の光
ファイバに接続された箱によって表すことにする。もち
ろん、レーザ光束が動力を供給し、変換装置を調べるた
めに使われる場合には、第１７Ａ、−２２図においては
光ファイバは必要でなく、また、そのような光学系は、
第１７Ａ−２２図においても使われていると理解される
。

第１７Ａ図は、磁場を測定するための光学変換装置の斜
視図である。力に感応する光学変換装置（８６０）（第
９Ａ図の変換装置（４５０）、　　（４５２）、第１０
図の（５００）、第１１図の（５４０）に相当）は、接
着層（８６４）によって、磁歪部材（８６２）に（８６
０）の両端において取り付けられている。もし、第９Ａ
図、第１０図。

第１１図の変換装置が使われるなら、１本の光ファイバ
だけが、共鳴器（８６０）の振動に動力を光学的に供給
し、共鳴器（８６０）の共鳴によって生じた光強度の変
調を検出するために使われる。

光学変換装置の他の実施例（第１図のような）が使われ
たならば、１本のファイバで共鳴器に電力を供給し、も
う１本で共鳴器の振動による変調を光学的に検出するよ
うに２本の光ファイバ（８６６）、　　（８６８）が使
われる。簡単のために、後の図第１８Ａ−２２図では、
１本のファイバだけを示す。光学変換装置の他の実施例
（第１５図のような）では、光学ファイバというよりむ
しろ、上述したレーザ光束が使われる。

磁歪部材（８６２）は、磁場方向（８７０）に磁場（８
７０）に応答してその長さが変わる。部材（８６２）は
、共鳴器（８６０）に接着されているので、この長さ変
化は、共鳴器（８６０）に加えられる力を生じさせ、し
たがって、共振周波数の変化を生じる。

共振周波数の変化は、磁場（８７０）を検出・測定する
ために多くの光学変換装置の実施例を参照して前述した
ように検出される。

磁歪効果は、加えられた磁場の軸に沿って強磁性体材料
の大きさの変化として記述される。

典型的な強磁性体材料には、鉄、コバルト、ニッケルあ
るいは、それらの合金のような結晶化金属や金属ガラス
がある。ＦｅＢ５１系に基づいた２６０５ＳＣと２６０
５ＣＯ合金のような金属ガラスも市販されている。ある
応用例では、部材（８６２）を強磁性を示さない他の材
料の板（８６２°）（破線で示した）に接着するのが良
いかもしれない。それ故、部材（８６２）が、磁場（８
７０）に応答して、その長さが変わるとき、板（８６２
“）は変化しない。すなわち、部材（８６２）と板（８
６２“）からなるブロックに曲げが生じる。

曲げもまた、共鳴器（８６０）に、長さの変化と共鳴周
波数の変化を生じさせる。共鳴周波数の変調が、磁場（
８７０）の検出の場合と同様に検出される共鳴素子（８
６０）は、剛性を高く作ることができるので、実際の軸
方向の力の変化によって、その長さはほとんど変化しな
い。

第１７Ｂ図は、電圧ポテンシャル■を測定するための光
学変換装置の斜視図である。第１７Ｂ図で示されるよう
に、部材（８６２”）は、磁歪材料の代わりに電歪材料
からなっている。

部材（８６２′′）に加えられた電圧ポテンシャルＶは
、良く知られた方法で部材に長さ変化を引き起す。この
ため、共鳴器（８６０）に加えられた力によって、共鳴
周波数に変調を与える。

共振周波数の変調は、電界ポテンシャルＶの測定におい
て前述したように検出される。部材（８６２″）は、電
圧■を加えたとき、曲がりが発生するように異なる材料
の板に接着することもできる。

そのような曲げは、共鳴器（８６０）の周波数に変調を
与え、そのような変調は、電圧■を測定するために検出
される。

第１８Ａ図は、いかに本発明が電流を測定するために使
われているかを示すための円柱状の光学変換装置、２つ
のループを形成する循環形電気伝導体、電流を流す伝導
体の平面図である。第１８Ａ図に示すように、電流（８
９４）は、導電体（８９６）に流れる。循環形溝電体（
８９８）は、２つのループ（９００）、　　（９０２）
を形成する。

ループ（９０２）は、導電体（８９６）を取り囲む。電
流（８９４）は、導電体（８９８）内に電流を誘起させ
、発生した電流によってコイル（９００）内に局部磁場
が発生する。コイル（９００）における局部磁場は、共
鳴器（８８０）と光学変換装置（８”８２）からなる変
換装置によって測定される。例えば、変換装置は、第１
７Ａ図のそれと類似した構成でよい。しかし、第１８Ａ
図に示された変換装置は、第１７Ａ図のそれとは異なり
、変換装置の断面図を示す第１８Ｂ図に、よりはっきり
示されている。

第１８Ａ、１８Ｂ図に示すように、変換装置は、変換装
置部（８８２）内に取り付けられた力に感応するセンサ
光学共鳴器（８８０）を含んでいる。

変換装置部（８８２）は、長手方向に伸びた共鳴器（８
８０）の両端に取り付けられた２つの蓋（８８６）、　
　（８８８）を含んでいる。２つの蓋は、２つの環状部
分（８９０）、　　（８９２）を含む環状部材に接続さ
れている。部材（８９２）は、コイル（９００）内の局
部磁場に応答して、長さが変化する磁歪素子である。そ
の長さ変化は、２つの蓋（８８６）、　　（８８８）が
互いに近づけたり、遠ざけたりし、したがって、共鳴周
波数を変えるように共鳴器（８８０）に力を加える。そ
の共鳴周波数の変化は、コイル（９００）内の磁場を検
出するために前述したようにファイバ（８８４）を通し
て検出され、導電体（８９６）に流れる電流（８９４）
が間接的に検出、測定される。

両端の蓋（８８６）、　　（８８８）および共鳴器（８
８０）、磁歪環状部材（８９２）は、温度の関数として
、伸縮する。これらの材質の熱膨脹率が熱による伸縮の
結果、共鳴器（８８０）に加えられる力を生じさせる程
度になるならば、その力は、電流（８９４）にかかわり
なく、共鳴器（８８０）の共鳴周波数に変化を与えるで
あろう。

これは測定精度を悪化させる。したがって、熱の伸縮に
よって生じる測定精度の悪化を減少もしくは、取り除く
のが望ましい。その目的のために、温度補償された環状
部材（８９０）が使われる。

第１８Ａ図に示したように、部材（８９０）、　　（８
９２）は互いに接続され、かつ、両端の蓋（８８６）、
　　（８８８）にそれぞれ接続されている。

部材（８９０）、　　（８９２）は、２つの両端の蓋に
取り付けられた環状部材を形成している。

部材（８９０）は、それぞれの部材からなる環状部材の
熱膨脹が広い温度範囲で、共鳴器の熱膨脹と一致するよ
うに、また、共鳴器の共鳴周波数が、共鳴器に何も接続
されていないようεこ同じ変化となるように選ばれる。

この環状部材の熱膨脹は、温度変化に応答して、共鳴器
の共鳴周波数の変化に対して補償するように選択するこ
とができる。

例えば、もし、共鳴器の共振周波数が温度の増加に伴っ
てわずかに減少すると、環状部材は、共鳴器の熱膨脹よ
りもわずかに大きい熱膨脹率になるよう作ることができ
る。これは、共鳴器の長さがわずかに引っ張られ、ある
いは増大する効果を持ち、したがって、共鳴器の共鳴周
波数が増加する。

正味の結果は、共鳴周波数が温度によって変わらない共
鳴器となる。

環状部材は、２つの部品、すなわち、磁歪（電歪）環状
部品と、温度補償環状部品からなっているので、温度補
償環状部品は、また、磁歪（電歪）部品の熱膨脹と相殺
されるであろう。例えば、もし、共鳴器が石英と、ニッ
ケルの磁歪材料（その熱膨脹率は、同じ温度上昇に対し
て石英よりも大きい）からなる場合、温度補償部品は、
石英の熱膨脹率より小さい熱膨脹率にすべきである。共
鳴器（８８０）と組立部品（８８２）はともに磁場を容
易に検出・測定するために使われる。

第１７Ａ−２２図の変換装置の利点は、検出のため電流
、＠場あるいは電圧が存在しない場合でさえ、共鳴器は
信号を与えるということである。

これは、測定すべき電磁パラメータがゼロまたは存在し
ないとき、信号が与えられないある既存のシステムとは
、大きく異なる。それ故、信号が与えられない場合、既
存の変換装置のシステムの操作者は、無信号が不調によ
るものか、単に測定すべきパラメータが無いのかどうか
見つけださなければならない。光学変換装置の組立部品
（８８２の円柱形状は、光学変換装置とコイル（９００
）を電磁シールドケース内に置くことで、変換装置（８
８０）、　　（８８２）上の導電体（８９６）のまわり
の磁場の影響を減少させることができる。

第１７Ａ、１７Ｂ図と類似した方法で、磁歪部品（８９
２）は、電歪部品に置きかえられる。すると、共鳴器（
８８０）と組立部品（８８２）はかわりに電界ポテンシ
ャルを測定するために使うことができる。

第１９図は、蝶番式レバーアーム型変換装置の斜視図で
ある。それは、電磁パラメータを測定する目的で力に感
応する光学共鳴器に力を加えるために使われる磁歪（電
歪）素子と、温度補償素子を含んでいる。レバーアーム
構造（９１２）は、２つのアームもしくは部材の１つの
端から離れた点で蝶番式機構（９１８）によって共に接
続された２つのアーム（９１６ａ）、　　（９１６ｂ）
を含んでいる。

蝶番式機構の片方に２つの部品（９１６ａ）（９１６ｂ
）の一端が共鳴器（９１０）の両端に取り付けられてい
る。蝶番式機構のもう一方には、２つの部品の両端が互
いに直列に接続された温度補償素子（９２０）と、磁歪
素子（９２２）に取り付けられている。素子（９２２）
の長さが印加された磁場（図には示されていない）に応
答して変化する。すなわち部品（９１６ａ）、　　（９
１６ｂ）の一端が互いに近づいたり離れたりさせられる
。

そのような動きは、蝶番（９１８）を通して、共鳴器（
９１０）に力を加え、すなわち、共鳴周波数の変化とな
る。第１９図の実施例は、様々な理由で有利である。素
子（９２２）によって共鳴器（９１０）に加えられた力
の量は、蝶番（９１８）の位置を変えることによって調
節できる。

素子（９２２）は、共鳴器（９１０）と離れているので
、共鳴器（９Ｌ　Ｑ）を磁場からシールドできる。素子
（９２２）の長さ変化は、アーム（９１６ａ）、　　（
９１６ｂ）と蝶番（９１８）を通してだけ共鳴器（９１
０）に影響を与えるので、共鳴器（９１０）は、素子（
９２２）の長さ変化によって、横向きに曲がったりねじ
れたりしない。

そのために、蝶番（９１８）は、共鳴器（９１０）に加
えられた力が、共鳴器の長さに沿った方向に限定される
ことを保証している。第１９図の変換装置は、変換装置
（８８０）、、部品（８８２）を第１９図の変換装置に
入れかえることによって第１８Ａ図の配置で電流の測定
に使うことができる。磁歪素子（９２２）が、電歪素子
によって置き換えられるとき、第１９図の変換装置は、
電圧差の測定に使うことができる。

蝶番（９１Ｂ）の位置は、変換装置の動作領域を変える
ために選択することができる。さらに、レバーアーム（
９１６ａ）、　　（９１６ｂ）の質量によって、直線あ
るいは回転加速度に対する変換装置の感度を減少させる
ために蝶番に対して釣合いをとること力くできる。レバ
ー了−ムキ箭造（９１２）は、高強度鋼２石英、ガラス
セラミック、あるいはセラミック材料の単一部品からな
っている。

第２０図は、コンデンサ極板に加えられた電圧差を測定
するために、光学力変換装置を装着した一組の導電性コ
ンデンサ極板を含む蝶番式レバーアーム変換装置の別の
実施例の斜視図である。蝶番式レバーアーム構造（９３
２）は、磁歪素子（９２２）と温度補償素子（９２０）
を使うかわりに、２つのコンデンサ極板（９３４）、　
　（９３６）がレバーアーム部品（９１６ａ）、　　（
９１６ｂ）の両端の一端に取り付けられた以外は、第１
９図の構造（９２２）と類似している。望むならば、コ
ンデンサ極板に隣接した２つのレバーアームの一端は、
コンデンサ極板間のギャップ（９３８）を小さくするた
めに、第２０図に示されるように、四角形の部分を含ん
でいる。

ギャップ（９３８）は、空気あるは、他の電気的に絶縁
され、弾力のある誘電体材料で満たされている。もし、
固い誘電体材料が使われ、２枚のコンデンサ極板に接着
されると、そのような材料の歪がコンデンサ極板に加わ
る引力あるいは反発力の一部を相殺し共鳴器に加わる力
を減少させるので、変換装置の動作域は増大する。しか
し、そのような剛性のある誘電体材料が使われる場合、
温度補償が必要であり、したがって、材料の温度補償ブ
ロックは、第１９図と関連する記述において示したよう
に、板（９３４）上か、扱（９３６）の下に置かれる。

前述の第１８Ａ、１８Ｂ図を参照して、電流は循環電線
（８９８）の２つのループ（９００）。

（９０２）内に発生する磁場を用いて検出される。

電流の検出と測定の他の方法と技術が第２１．２２図を
参照して図解されている。第２１図に示すように、電流
は、第２１図では断面で示されている導電体（９４０）
を通して流れる。第１７Ａ−１９図に示した光学変換装
置のうちの一種類の４個の光学変換装置が使われる。そ
れ故、第２１図のように、４（ｆｌＢの変換装置（９４
２）、　　（９４４）、　　（９４６）、　　（９４８
）は、導電体（９４０）のまわりの半径方向の位置に置
かれる。４個の変換装置によって測定された磁場は、よ
り精度の高い電流測定をするため、平均化される。かわ
りに、第２２図に示すように、電流（９５４）が流れる
導電体（９５２）は、ドーナツツ形状に磁石コア（９５
０）によって、小さなギヤ１．プを除いて、はぼ完全に
囲まれる。磁力線（９５６）によって図示されるように
、ギャップ間の磁場は導電体（９５２）のまわりの磁場
を平均化する。光学共鳴変換装置（９５８）は、ギャッ
プ内の磁場を測定するためにギャップ内に置かれる。そ
のような測定は、正確に電流（９５４）を示す。

この発明は、高圧送電線の電流測定にとりわけ有益であ
る。この応用における共鳴器の高いＱと、変調光信号の
測定に対して、現代の周波数計数技術によって可能な高
い周波数分解能の相乗効果のために、高分解能の電流測
定が可能となる。ショート回路は、過負荷状態が生じて
いる高圧送電線において、大きな過渡電流を発生させる
。

第１７Ａ−２２図に使われている磁歪材料は、飽和する
ので、磁歪材料を使う共鳴器は、過負荷にならない。換
言すれば、共鳴器に使われている磁歪材料が、材料内の
歪が破壊歪以下である点で飽和すれば、共鳴器は、過負
荷状態にならない。

もし、磁歪材料が破壊歪に近い歪で飽和する場合、材料
の大きさの変化は、磁場の変化に対して、非線形な関係
をもち、これは望ましくない。

このため、破壊歪の８０％ぐらいまでで飽和する磁歪材
料を選択することが望ましい。

同様に、この発明は、高圧送電線における高電圧の測定
にとりわけ有益である。再び電圧は、高分解能で測定さ
れ、使われる電歪材料は、高電圧状態で飽和し、したが
って、共鳴器の過負荷状態を妨げることになる。それ故
、電歪材料が破壊歪以下の歪で飽和する限り、共鳴器は
、高電圧状態で、過負荷にならない。

このため、磁歪材料による共鳴器と類似して、破壊歪の
約８０％か、それ以下の歪によって飽和する電歪材料を
用いた共鳴器を使うことが望ましい。

変換装置の応答速度は、共鳴器の大きさ変化に必要な時
間遅れによってのみ制限され、その値は１周期以下であ
る。このため、応答速度は、ここで述べた共鳴器の周波
数（４０，０ＯＯＨｚ）によって制限されず、それぞれ
の周期以内で変調光信号（共鳴器の共鳴によって変調さ
れた）の予期しろる勾配における変化を検出する監視電
子回路の能力によって制限される。上述した利点の点か
ら、この応用に用いた変換装置は、場を計測し、中継す
る高圧電流変換装置への応用がある。

第１７Ａ−２２図の実施例は、電磁パラメータではない
物理パラメータの検出・測定に使うことができ、そのよ
うな応用は、この発明の範囲内である。

使用された方法および構造の上述の説明は単にそれを説
明するためのものであり、その材料、組合せ、形状およ
び大きさのいろいろな変化は特許請求の範囲に入るもの
とする。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適な実施例を説明する物理パラメー
タ測定用の光変換器の部分概略および部分斜視図である
。 第２Ａ図は本発明の代替実施例を示す光変換器の概略図
、第２Ｂ図は代替実施例の光吸収格子を示す第２Ａ図の
変換器の一部の正面図である。 第３Ａ図は本発明の第２代替実施例を示す水晶音さ共振
器の斜視図、第３Ｂ図は第３Ａ図の共振器の一部の部分
切取断面図である。 第４図は本発明の第３代替実施例を示す共振器の斜視図
である。 第５Ａ図は本発明の第４代替実施例を示す対向格子パタ
ーンを持つ一対の対向圧電者さの簡易斜視図、第５Ｂ図
は第５Ａ図の音さ対の平面図である。 第６図は本発明の光センサが圧力測定に使用される方法
を示す光圧力変換器の概略図である。 第７図は本発明の光センサが粒子検出に使用される方法
を示すマイクロ質量バランス共振器の簡易斜視図である
。 第８Ａ図は気体汚染物質を検出・測定する水晶音さ共振
変換器の概略図、第８Ｂ図は二重音さ配列が使用される
気体汚染物検出器のもう１つの実施例を示す概略図であ
る。 第９Ａ図、第９Ｂ図および第９Ｃ図は本発明の第５代替
実施例を示す２個の閉端者さ共振器を含む荷重に敏感な
二重棒共振器の図である。 第１０図は本発明の第６代替実施例を示すとともに、本
出願の発明が力および圧力の測定に使用される方法を示
す光変換器の断面図である。 第１１図は変位を検出する閉端前さ共振器の簡易断面図
である。 第１２Ａ図から第１２Ｅ図までは本発明の光センサが光
、電子、Ｘ線、放射線、電気信号、磁気信号および力を
含むさらに他の物理パラメータを測定するのに使用され
る方法を示す概略図である。 第１３Ａ図は本発明の第７代替実施例を示す変換器の断
面図、第１３Ｂ図は本発明の第８代替実施例を示すもう
１つの水晶者さ型変換器の断面図である。 第１４Ａ図は本発明の第９代替実施例を示す光変換器の
斜視図、第１４Ｂ図は中央歯の運動を示す第１４Ａ図の
変換器の上方部分の部分図である。 第１５図は本発明の第１０代替実施例を示すために変換
素子が一部切り取られて斜視で示される変換装置の簡易
概略図である。 第１６Ａ図、第１６Ｂ図および第１６Ｃ図は変換素子の
振動が光ビームを変調する異なった方法を示す第１５図
の変換素子の概略図である。 第１７Ａ図は、磁場を測定するための光学変換装置の斜
視図である。 第１７Ｂ図は、電圧を測定するだめの光学変換装置の斜
視図である。 第１８Ａ図は、電流を測定するための柱状光学変換装置
と、２つのループを形成する無端の電気伝導体の下側か
ら見た正面図である。 第１８Ｂ図は、第１８Ａ図の光学変換装置の断面図であ
る。 第１９図は、磁歪（電歪）素子と温度補償素子を含み、
磁場や電圧を測定するために、力を光力共鳴器に加える
ために使われる蝶番式レバーアーム変換装置の斜視図で
ある。 第２０図は、この発明がいかに電気ポテンシャルを測定
するために使われているかを示すために光学力共鳴器に
力を加えて電気的に導電性のある２枚の容量極板を含む
蝶番式レバーアーム変換装置の斜視図である。 第２１図は、この発明を用いて、電流を測定する方法を
示すために、電流が流れる導電体のまわりの第１７Ａ図
の型の４つの光学変換装置の図である。 第２２図は、電流をヨり定するために、この発明方法を
示すために、第１７Ａ図の光学変換装置と、ギャンプ以
外に、磁気コアによって取り囲まれた電流を流す導電体
の略図である。 １０・・・光変換器　　　　　１２・・・評価装置１４
・・・変換装置　　　　　１６．８８・・・光源１８．
８６・・・ドライバ　　２２・・・光ファイバ２４・・
・水晶振動子音さ共振器 ２８．３０・・・アーム　　　５２．５４・・・駆動電
極６２・・・光検出器　　　　　６８・・・増幅器７６
・・・弁別回路　　　　　８０・・・周波数カウンタ８
４・・・移相素子　　　　　９２・・・光電池特許出願
人　ラフストロン　コーポレーション代理人　　弁理士
　　　井　ノ　ロ　　　壽ＦＩＧ、　　２Ａ。 Ｒこ一３Ａ。 ＦＩＧ　　４゜ ＦＩＧ、　　５Ａ。 ＦＩＧ、−３゜ ＦＩＧ、　　６゜ ＦＩＧ、　　８Ａ。 ＦＩＧ、　　９Ａ、　　　　　　　　ＦＩＧ、　　９Ｂ
。 ＦＩＧ　　１２Ｅ。 ／６００　　　　　　　　　／６５０ ＦＩＧ、−１３Ａ、　　　　　　　　　　　Ｆ１％１３
Ｅｌ。 ＦＩＧ、＋＋　／４Ｂ。 ｂ谷−／７Ａ。

Claims (32)

【特許請求の範囲】
1. （１）物理パラメータを検出する変換装置で、前記パラ
   メータに従属させられて大きさを変える部材と、前記部
   材がパラメータに応答して大きさを変えるとき、前記部
   材が共鳴器に力を加え、したがって共鳴器の共鳴周波数
   を変調するような部材に接続された共鳴器と、共鳴器を
   共鳴させるための手段と、パラメータを検出するために
   部材によって加えられた力によって生じる共鳴器の共振
   周波数の変調を検出する手段からなる振動子を使って電
   磁パラメータを検出する装置。
2. （２）共鳴器に光を供給することによって共鳴器を共鳴
   させる共鳴手段を含む請求項１記載の振動子を使って電
   磁パラメータを検出する装置。
3. （３）物理パラメータが電磁パラメータである請求項１
   記載の振動子を使って電磁パラメータを検出する装置。
4. （４）電磁パラメータが磁場、電圧あるいは電流である
   請求項１記載の振動子を使って電磁パラメータを検出す
   る装置。
5. （５）検出手段が共鳴器の共鳴周波数の変調を光学的に
   検出する請求項１記載の振動子を使って電磁パラメータ
   を検出する装置。
6. （６）請求項５記載の装置であって、共鳴器が光を送り
   、供給された光が共鳴器を通って伝搬され、共鳴器の共
   鳴による変調が共鳴器によって伝搬された光の強度を変
   調するような共鳴器に光を供給する手段と、前記手段に
   おいては、検出手段が共鳴器によって伝搬された光の強
   度の変調を検出する検出器を含む振動子を使って電磁パ
   ラメータを検出する装置。
7. （７）共鳴器が周波音さ形共鳴器である請求項６記載の
   振動子を使って電磁パラメータを検出する装置。
8. （８）共鳴手段が、共鳴器の共鳴に対して電圧を共鳴器
   に加えるための光の供給手段によって供給された光に対
   して応答する光および電気的帰還手段を含む請求項７記
   載の振動子を使って電磁パラメータを検出する装置。
9. （９）電磁雑音から共鳴器と部材をシールドする手段を
   含む請求項１記載の振動子を使って電磁パラメータを検
   出する装置。
10. （１０）共鳴器が接着材によって部材に接着されている
    請求項１記載の振動子を使って電磁パラメータを検出す
    る装置。
11. （１１）共鳴器が両端を持ち、共鳴器の一端にそれぞれ
    取り付けられた２つのエンドキャップと、２つのエンド
    キャップを接続した環状部材、電磁場や電圧に従うとき
    、軸を持ち、その軸に沿って大きさが変化する環状部材
    とを含む請求項１記載の振動子を使って電磁パラメータ
    を検出する装置。
12. （１２）請求項１１記載の装置であって、電磁場や電圧
    に応答して部材の軸に沿って大きさを変える第１の環状
    部分と、熱膨脹率が環状部材の熱膨脹が一致するか、あ
    るいは部材の軸に沿う方向に共鳴器のそれを補償する第
    ２の環状部分を含む環状部材を含む振動子を使って電磁
    パラメータを検出する装置。
13. （１３）請求項１記載の装置であって、前記共鳴器は両
    端を持ち、前記装置はさらに共鳴器を本体に接続する組
    立を持ち、前記組立は２つの端をそれぞれ持つ第１と第
    ２の延長した部材、２つの端の間の点において、２つの
    部材を接続する蝶番機構であって、共鳴器の２つの端の
    １つに取り付けられた蝶番機構の一方に付けられた２つ
    の部材の一端と、本体に取り付けられた蝶番の他の一方
    に付けられた２つの部材の一端で、それ故、本体の大き
    さが変わると、本体に取り付けられた部材の一端が、最
    初の方向に互いに近接したり離れたりし、その結果、蝶
    番機構を通して、２つの部材の対向する一端に共鳴器に
    力を加えるために第２の方向に互いに接近あるいは離反
    の動きが生じる蝶番機構を含む振動子を使って電磁パラ
    メータを検出する装置。
14. （１４）請求項１３記載の装置であって、本体が互いに
    取り付けられた第１と第２の素子からなり、第１の素子
    は１つの部材の一端に取り付けられ、第２の素子は他の
    部材の一端に取り付けられていて、２つの素子は次のよ
    うなものであり、第１の素子がある方向に沿ってパラメ
    ータに応答して大きさに変化が生じると、本体に取り付
    けられた２つの部材の２つの一端に第１の方向に接近あ
    るいは離反の移動が生じ、そして第２の素子は、第１と
    第２の素子の熱膨脹が一致するか、第２の方向に共鳴器
    の熱膨脹を補償するような熱膨脹率を持っている振動子
    を使って電磁パラメータを検出する装置。
15. （１５）請求項１３記載の装置であって、物理パラメー
    タから本体ではなく共鳴器をシールドするための手段を
    含む振動子を使って電磁パラメータを検出する装置。
16. （１６）請求項１記載の装置であって、パラメータは電
    圧であって、本体は２つの電気伝導性のある容量性極板
    からなり、２つの側面をもつ蝶番機構であって、１つの
    側面に共鳴器が取り付けられ、他の側面に２つの極板が
    取り付けられた機構であって、電圧が２つの極板に加え
    られると、この２つの極板は共鳴器に力を加えるように
    さらに互いに離れたり近づいたりするように促される振
    動子を使って電磁パラメータを検出する装置。
17. （１７）請求項１記載の装置であって、パラメータは磁
    場であって、磁歪材料からなる本体は、磁場内に置かれ
    るとその大きさが変化するようになる振動子を使って電
    磁パラメータを検出する装置。
18. （１８）請求項１７記載の装置であって、磁歪材料は、
    共鳴器の歪が、破壊歪より小さいときには磁場内で飽和
    し、したがって、本体が大きな磁場にさらされたとき共
    鳴器は過負荷にならない振動子を使って電磁パラメータ
    を検出する装置。
19. （１９）請求項１７記載の装置であって、共鳴器の歪が
    その破壊歪の約８０％以下のとき、磁場の増加に応答し
    て磁歪材料が飽和し、したがって、共鳴器の共鳴周波数
    の変化は磁場に対して、事実上直線的に変わる振動子を
    使って電磁パラメータを検出する装置。
20. （２０）請求項１記載の装置であって、パラメータが電
    圧であり、電歪材料からなる本体であり、したがって、
    電圧が本体に加えられたとき、本体の大きさが変化する
    振動子を使って電磁パラメータを検出する装置。
21. （２１）請求項２０記載の装置であって、共鳴器の歪が
    破壊歪より低いとき、電歪材料は電圧の増加に応答しな
    がら飽和し、したがって、共鳴器は、本体が大きな電圧
    にさらされても過負荷にならない振動子を使って電磁パ
    ラメータを検出する装置。
22. （２２）請求項２０記載の装置であって、共鳴器の歪が
    破壊歪の約８０％以下の場合、電圧の増加に応答して電
    歪材料が飽和し、したがって、共鳴器の共鳴周波数の変
    化が磁場に対してほぼ直線的に変化する振動子を使って
    電磁パラメータを検出する装置。
23. （２３）請求項１記載の装置であって、パラメータが電
    流であり、さらに電流の関数である磁場を与えるために
    電流に応答しうる手段を含む装置であり、本体が磁歪材
    料を含み、したがって本体が磁場中に置かれたとき、本
    体の大きさが変換する振動子を使って電磁パラメータを
    検出する装置。
24. （２４）請求項２３記載の装置であって、磁場を与える
    手段は、電流を流す導電体の回りに第１のループを、第
    ２のループの中に磁場をあたえるための第２のループを
    形成する電気導電体からなる振動子を使って電磁パラメ
    ータを検出する装置。
25. （２５）請求項２４記載の装置であって、その装置はさ
    らに共鳴器、本体および第２のループを、いかなる電気
    的雑音や導電体に流れる電流や第１のループの電流によ
    って生じる磁場から、シールドするための手段を含む振
    動子を使って電磁パラメータを検出する装置。
26. （２６）請求項２３記載の装置であって、磁場を与える
    手段は、ギャップ以外に電流を流す導電体を完全に覆う
    磁気的に導体な磁気コアからなり、磁場はギャップの間
    に与えられるものである振動子を使って電磁パラメータ
    を検出する装置。
27. （２７）パラメータと本体に接続された共鳴器に従って
    大きさの変化する本体によって電磁パラメータを検出す
    る方法であって、本体がパラメータに応答して大きさを
    変えるとき、本体は、共鳴器に力を加え、それ故、共鳴
    器の共鳴周波数を変調し、共鳴器を共鳴しパラメータを
    検出するために、本体によって加えられた力により生じ
    た共鳴器の共鳴周波数の変調を検出する振動子を使って
    電磁パラメータを検出する方法。
28. （２８）請求２７記載の方法であって、前記検出工程は
    、共鳴器の共振周波数の変調を光学的に検出する方法で
    ある振動子を使って電磁パラメータを検出する方法。
29. （２９）請求項２８記載の方法であって、前記共鳴器は
    光を伝え、検出工程は、共鳴器へ光を供給し、供給され
    た光は共鳴器を通し伝搬し、共鳴器の共鳴による変調は
    、共鳴器によって伝搬された光の強度を変調し、共鳴器
    によって伝搬された光の強度の変調を検出する振動子を
    使って電磁パラメータを検出する方法。
30. （３０）請求項２７記載の方法であって、検出されるパ
    ラメータは、導電体中を流れる電流であり、その検出工
    程は、導電体に隣接する少なくとも２つの異なる点にお
    いて、磁場を検出するものである振動子を使って電磁パ
    ラメータを検出する方法。
31. （３１）電気信号を検出するための装置であって、光を
    伝搬する電歪部品と、部品を振動させるため電気信号を
    部品に加える手段と、部品に光を供給する手段であって
    、部品により伝搬された光が部品の振動に対し横方向に
    あり、したがって、部品の振動は、部品によって伝搬さ
    れた光を変調し、電気信号を検出するために部品によっ
    て伝搬された光の変調を検出する手段からなる電気信号
    を検出するための装置。
32. （３２）請求項３１記載の変換装置であって、検出手段
    は、光の周波数変調を検出するものである電気信号を検
    出するための装置。