JPH03211416A - センサおよびセンサを製造するためのプロセス - 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】 発明の背景 この発明は、小さい変位の方向および振幅の測定に関す
るものである。

この発明は、風の力および方向の測定、すなわち速度お
よび方向アネモメータの製造、流体の流れのＭ１定、遠
隔制御スティック、たとえば電子ゲームのためのジョイ
・スティックに応用される変位の検出、その他に応用さ
れる。

発明のＲ要 この発明のＬ］的は、特に簡単でかつコンパクトなセン
サを提供することである。

この発明の他の目的は、実質的に大気干渉のような電子
干渉に非感応的なセンサを提供することである。

この発明のさらに他の目的は、非常に厳しい温度および
湿気の環境においてＨ用であり、かつ霜に特に感応的で
なく、かつしたが−）て、山または海で使用することが
できるようなセンサを提供することである。

この発明のなおさらに他の目的は、そのようなセンサの
製造モードを準備することである。

この発明は、その動作原理か、他の目的のために、ジョ
ンソン（Ｊｏｈｎｓｏｎ）氏らの１９８５年８月１日、
［応用光学（Ａｐｐｌｉｅｄ　　０ｐｔｉｃｓ）Ｊ、第
２４巻、第１５号において開示される、センサを使用す
る。

特定的には、この発明は、可動要素と一体の鏡と、基準
フレームと一体のホトエミッタおよび先受容体アセンブ
リとを含む、変位を検出するための方向および振幅セン
サを提供し、このアセンブリは、鏡の方へ光円錐を放射
しかつそれの各々が中央のファイバと接触する光ファイ
バを受取る中央の光ファイバを含み、その鏡は円形であ
り、その直径およびファイバの末端からのそれの軸方向
の距離は、中心に置かれた位置において、それの直径は
中央のファイバにより発生された光円錐のそれと実質的
に対応し、かつ反射された光円錐は受取りファイバの外
部上径方向端縁に実質的に正接するようにされる。鏡は
、管の端部の横方向の壁の上に、この管の軸と垂直にか
つそれとセンタリングされて嵌め合せられ、この管の他
方の末端はフレームに埋め込まれ、先ファイバはそれら
の末端が前記管の内部に、かつ鏡の方に配向される。

この発明の実施例に従って、中央の光ファイバにより放
射される光は、電界発光ダイオードから出る。

この発明の実施例に従って、放射および受取りファイバ
は同一の直径を合し、６個の受取りファイバが与えられ
る。

この発明の実施例に従って、放射および受取りファイバ
は、インデクススキラピングファイバであり、それらの
末端は裸でありかつ並んで結合される。

この発明の実施例に従って、光ファイバは、第１の管の
内部に配置された第２の管の内部に、かつ支持と一体に
配置される。

この発明の実施例に従って、それの埋め込まれた末端の
反対側の第１の管の末端は、外力に従わせられるアーム
により延長される。

この発明の実施例に従って、管のまたはアームの外部壁
は、流体の流れの作用に従わせられ、それによって前記
センサは、速度および方向アネモメータまたは流量メー
タを構成する。

この発明の実施例に従って、アームの末端は保持手段に
嵌め合せられ、それによってセンサはジョイ・スティッ
クを構成する。

この発明のさらに他の局面に従って、上に述べられたセ
ンサを製造するためのプロセスは、以下のステップを含
み、それは、センサの種々の構成要素を前記管において
組立てるステ・ツブと、管の底部に反射層およびホトレ
ジストにより被覆された透明な窓を設けるステップと、
前記反射層を介して通過する波長をＨする光ビームによ
り中央のファイバからレジストを放射するステップと、
放射領域に対応して鏡の輪郭を描くように、従来のエッ
チャントによって感光製品および反射層をエツチングす
るステップとである。

この発明の前述および他の目的、特徴および利点は、添
付の図面に例示された好ましい実施例の以下の詳細な説
明から明らかになるであろう。

発明の詳細な説明 第１図は、７個の同一の先ファイバ１−７を含む、この
発明に有用なセンサの原理を例示するための斜視図であ
る。ファイバ２−６は中央のファイバ１を囲み、すなわ
ち、各ファイバ２−７は、少なくともそれの末端におい
て、中央のファイバ１および隣接した周辺のファイバの
２個に接触する。

それらの７個のファイバは、それらの末端が実質的には
それらの軸に直交して同一の平面において配置されるよ
うに破断される。中央のファイバ１の他方の末端はホト
エミッタ（示されない）と関連し、かつ各ファイバ２−
７の他方の末端は光検出器（示されない）と関連する。

ファイバ１からの光ビームは、円形の鏡１０の方へ向け
られ、それは、静止においてファイバ１の軸上にかつ後
者に直交してセンタリングされる。

この鏡１０の大きさは、ファイバ１により発生される光
円錐１１によりその平面の断面に対応するように決定さ
れる。ｖＬｌｏの平面およびコアイノく１−７の端部平
面の間の距離は、この鏡により反射された光円錐１２が
、ファイバ２−７の白゛用な領域（コア）のために周囲
を囲まれた円１３に従って、ファイバの端部平面を切る
ようにされる（第３図を見られたい）。したがって、こ
の形状において、受取りファイバのすべての末端は、完
全に光を当てられ、かつ同一の量の光を受取る。

第２図は、鏡１０が第１図のそれの静止位置に関して右
の方ヘシフトされているときの場合を示す。ファイバ１
により発生された光円錐は修正されておらず、かつ図の
上に左に配置されたファイバ（ファイバ２．３および７
）かただ部分的に光を当てられ、かつファイバ４．５お
よび６か同一の量の光を受取り続ける間に、ただ鏡１０
の一部分だけが光を当てられる。第３図の上面図におい
ては、次いてファイバの端部平面近くの光スポットは、
」二に述べられだ円】３のおよび右のｈにシフトされた
円１４の断面と一致する。

次いて、ファイバ２−７に関連したセンサ上の光の強度
の変動は、鏡１０の変位の量とこの変位の方向との指示
を与える。処理回路および適当なプログラムは、予め計
算された値または好ましくは検査結果の関数として、振
幅および変位の方向の値の情報を直接に与えるであろう
。

十分な再生可能な情報を得るために、受取りファイバの
前表面上に投射された光は均一であることが望ましい。

したがって、レーザダイオードからよりも電界発光ダイ
オードからの光（たとえば８５０ｎｍの波長を有する）
を放射ファイバ１に注入することが好ましい。実際、後
者の場合には、放射されたビームは一般的にはスペック
ルを含む。

上に述べられた第１図および第３図は、非常に概略的で
、かつこの発明において使用されるセンサの動作がはっ
きりと理解されるようにするように意図される。

第４図は、この発明に従ったセンサの実施例を例示する
。このセンサは、その中に円筒菅２１が埋め込まれる基
準フレームと一体のフレーム２０を含む。この管は、た
とえばステンレス鋼でつくられ、かつ力に従わせること
ができ、それの強度および配向は決定されるべきである
。それの埋込み領域の反対側のシリンダ２１の末端は、
横方向の壁２２により閉しられ、それは、それの低い方
の表面上に鏡１０を支え、それの反射表面は図の表示に
おいて下方に配向される。

ファイバ束は、基準フレーム２０と一体の第２の管２３
の内部に挿入され、ファイバの末端は鏡１０の方に配向
される。

したがって、管２１に横方向の力か与えられるときには
、後者は変型され、かつ鏡１０は本質的にはそれの平面
内にシフトされる。

接続された裸ファイバを使用することか可能である。そ
れらのファイバは、インデックススキップ型式であるこ
とができ、各々がコア（第３図において黒のハツチング
線で描かれる）および外部壁を含む。それぞれに、それ
のコアが１０００−２００ｐの直径をＨしかつ外側の直
径が１４０＝２８０μｍであるファイバを選ぶことが可
能であり、それらのファイバは市場で人手可能である。

それの大きさが上に与えられた指示の関数として選ばれ
る鏡は、約数１００　（ａ　ｆｅｗ　ｈｕｎｄｒｅｄｓ
）　ｕｍの直径を有し、かつファイバの末端から１０分
の数ｍｍから数ｍｍ　（ａ　ｆｅｗ　ｔｏｎｔｈｓ　ｔ
ｏ　ａ　ｒｃｖ　１１１１１）の距離にあることができ
る。したがって、ファイバの直径の、すなわち約１から
数１００（ａｒｅνｈｕｎｄｒｅｄｓ）μｍの大きさの
オーダの鏡の横方向の変位を検出することが可能であろ
う。管２１は、数１０　（ａ　ｆｅｖ　Ｌｅｎｓ）　ｃ
　ｍの長さおよび１０分の数（ａ　ｆ’ｅｗ　ｔｅｎｔ
ｈｓ）　ｍｍの壁の厚さを有してもよい。

上に示されたように、鏡は、実質的にファイバ１により
発生された光円錐に正確に一致しなければならず、しか
しながら、この鏡はわずかにより小さい大きさいを有し
てもよく、それはただシステムの較正および可観測変位
の振幅を変化させるだけである。しかし、もし鏡がより
大きい大きさを有すれば、変位のはじめにＴ’、Ｖ’ｅ
　’＋４１かあるであろう、それはある応用のために有
用であることがわかる。

さらに、裸ファイバが使用されることが先に示されてい
るけれども、それらの通常の被覆が与えられた先ファイ
バを使用することもまた可能である。しかしながら、裸
ファイバの使用は、ユーザにより実際に好まれる。実際
、ファイバ組立実施例は、後者をたとえば約１０ｃｍの
長さの上に裸にし、次いでファイバ接合の位置に１滴の
接着剤を置くことにあり、後者はアセンブリを形成する
ために毛管現象を介して一緒に自動的に接続され、それ
の末端は第１図および第２図において見ることができる
。次いで、接続されたファイバの末端は、再び研磨する
ことができる。

この発明の利点の中で、ファイバの制限された穴の角度
（通常約２０°）のために、たとえ寄生反射が鏡の端縁
上にかつ管２１の内部壁の上に起こるとしても、それら
の反射から結果として生じかつ受取りファイバの方に向
けられる光は、それらのファイバにより受入れられない
入射に従って、高い確率に従って到るするであろうこと
を述べることができる。したがって、寄生光に対する自
然の保護かある。

他方では、第４図の実施例においては、全体の検出シス
テムは、外力の付与に感応的な管２１により周囲の大気
から保護される。この管２１の内側の部分は、たとえば
中性ガスで充填することかできる。

さらに、先ファイバが検出のために使用されるときに慣
例であるように、ホトエミッタ、ホトレンーバおよび関
連の電子回路は、電気的に遮蔽されたチャンバにおいて
、センサから定められた距離に配置することができる。

この発明に従ったセンサは、多数の応用を有することが
できる。

たとえば、管２１は、気密封止により、パイプに挿入す
ることができ、そこでは流量を測定することが望まれ、
管の変型は流体の圧力により引起こされる。

同様に、管２１は、風に感応的であり、かつ速度および
方向アネモメータを形成するために、周囲大気において
位置させることかできる。その場合には、管の高い方の
部分と一体に、球形、たとえばゴルフボールのような風
により感応的な構成要素を与えることか可能である。

この発明の応用において、管２１は、スティックにより
延長されるかまたはそれ自体このスティックを構成する
ことかでき、かつセンサは、たとえばビデオゲームのジ
ョイ中スティックの型式の遠隔制御システムを与えるた
めにスティックに与えられた圧力の指示を与えるであろ
う。

もちろん、この発明は、特に使用される材料およびファ
イバの性質に関しては、当業者には明らかであろう多数
の変形および修正を受けやすい。

たとえば、放射ファイバは受取りファイバと同一の外側
の直径を有することが先に仮定されている。

それらのファイバは異なった直径を有することを考案す
ることができる。もし受取りファイバが放射ファイバよ
り小さい直径を有すれば、放射ファイバのまわりにより
多数の受取りファイバを置くことか可能であり、かつも
し受取りファイバかより大きい直径を６すれば逆にする
ことか可能であろう。

さらに、受取りファイバはすべて隣接して述へられてき
たけれども、たとえば中立ファイバによって、それらを
離して間隔を開けることが可能であろう。

他方では、鏡１０がその平面内にシフトされるときの場
合が本質的に述べられている。もし適当な較正が与えら
れるとすれば、この発明はこの鏡の回転を検出すること
を許容するであろうことか明らかである。

この発明の局面に従って、管２１の底部にある鏡１０を
製造するためのプロセスが与えられる。

管から独立して製造された鏡、たとえば壁２２に挿入さ
れたメタライズされた末端を有するファイバを与えるこ
とを考案することができる。しかしながら、重要なセン
タリングの問題が起こる。

より一般的には、そこにおいて鏡が内部管および中央の
ファイバにより与えられた先ビームのセンタリングから
独立して製造される任意の製造プロセスは、実際には重
要な問題を提起する。大きさの実際のオーダを考慮する
ときには、鏡は釣３００μｍの直径を有し、ファイバビ
ーム端部から約５００μｍの距離にあるであろうことは
、ますます正しい。

この問題を解決するために、鏡の輪郭を描くために、光
ファイバをセンサアセンブリに位置決めした後で、中央
の放射ファイバからの光円錐を使用することか提案され
ている。したかつて、鏡は中央のファイバの前に自動的
に位置決めされ、それは４ｅな調整プロセスを行使する
ことを避けるであろう。

この型式の自己センタリングプロセスは、第５Ａ図およ
び第５Ｂ図ならびに第６Ａ図および第６Ｂ図に関連して
述べられるであろう。第１に、これらの図は尺度法めす
るために描かれていないが、それらの大きさはそれの読
みやすさを促進するために任意に拡大されかつ縮小され
ていることは、注目されるであろう。

これらの図においては、上に述べられた要素は同一の参
照符により示される。

したがって、第５Ａ図は、再びその底部２２を有する外
部管２１と、その中に中央のファイバ１かある光ファイ
バを含む内部管２３とを示す。２個の横のファイバ２お
よび５が見える。

底部２２の内部壁の上には、鏡を形成する層３０、たと
えばアルミニウムまたは金でつくられた金属層と、ホト
エツチングにおいて通常使用される型式の負のホトレジ
スト層３１が、連続的に生成される。次いで、レジスト
を光に当てるために、光ビーム３２が中央のファイバｌ
から放射される。

第１のステップの間に、レジストは光を当てられない位
置で除去され、次いて層３０がこれらの位置においてエ
ツチングして離される。最後に、中央の部分における放
射されたレジストは、反射層の中央の部分が現われるよ
うにさせるために除去され、したがって、第５Ｂ図にお
いて例示されるように鏡１０を形成する。次いでこの鏡
は、正確に所望の大きさを有するであろう。

第５Ａ図および第５Ｂ図に関して述べられたプロセスは
、十分な結果を与えるが、管の内部の化学的エツチング
動作へ進むことを包含する。この目的のために、第５Ａ
図において表わされるように、エッチャントを導入しか
つ導出するための穴３４が与えられ、この穴は、次いで
たとえば接着剤または溶接３５によって塞がれなければ
ならない。さらに、一般的にはエッチャントは光ファイ
バの前表面と接触せす、それは動作をファイバの末端お
よびエツチングされるべき層の間の小さい距離のために
非常に重要にすることが望ましい。

したがって、鏡１０を製造するための他の自己整列プロ
セスか考案され、かつ第６Ａ図および第６Ｂ図に関して
述べられるであろう。その場合には、管２１の底部は、
使用される波長のために透明な材料、たとえばガラス窓
４０でつくられる。

この窓は、それにおいてセンサが使用されるであろう波
長のための反射層４１により、かつネガのホトレジスト
層４２により、管の外側の側部上を被覆される。

この発明に従って、ホトレジスト層４２のために活性の
波長において中央の先ファイバ１から光ビームが発生さ
れ、この波長は、少なくとも部分的にそこを介して通過
するように材料４１に関して選ばれる。

たとえば、もし層４１が薄い金属層であれば、それは約
８５０ｎｍにおけるセンサの働く波長のための十分なミ
ラーを構成し、それは電界発光ダイオードのための利用
可能の波長に対応する。レジストに光を当てるために、
たとえばアルゴンレーザからの４８８ｎｍにおけるブル
ーラインのより低い波長が使用されるであろう。このビ
ームは、金またはアルミニウムのような金属の薄い層を
介して有効に通過するであろう。ひとたびこの光を当て
ることが実施されると、第５Ａ図および第５Ｂ図に関連
して述べられた場合におけるように、周辺のレジストが
第１に除去され、次いで金属層が鏡１０を形成するよう
にエツチングされるであろう。鏡の上の上方のレジスト
層は、除去されるかまたは所定位置に残される。さらに
、鏡を保護するために、最終的なカプセル封止層を生成
することかロエ能である。

この発明に従ったプロセスは、ひとたび外部管、内部管
およびファイバが位置決めされると、外部管２１により
規定されたチャンバの内部で作用することなしに、完全
にセンタリングされた鏡１０を製造することを許容する
。

製造方法に関しては、特にセンサの種々の構成要素およ
びそれの組立てモードを構成する材料に関して、当業名
には多数の変形および修正が明らかになるであろう。た
とえば、第６Ａ図に関した上の説明においては、層４１
および４２は、組立ての後で底部４０の上に生成される
として述べられている。明らかに、これらの層は組立よ
り前に底部上に配置することができ、かつそれらは管か
ら突出するとして表わされるけれども、それらは管から
突出するかそれの内に挿入されることさえないように配
置することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、静止位置におけるセンサの原理を例示するた
めの斜視図である。 第２図は、センサが変位を検出するときの、第１図に類
似した図である。 第３図は、第１図および第２図のファイバ束の端面図で
ある。 第４図は、この発明に従ったセンサの例示的な装着を例
示する。 第５Ａ図および第５Ｂ図は、この発明に従ったセンサの
２つの連続的な製造ステップを例示する。 第６Ａ図および第６Ｂ図は、この発明に従ったセンサの
２つの連続的な製造ステップを例示する。 図において、１は中央の光ファイバ、２ないし７は光受
取りファイバ、１０は鏡、１１は光円錐、１２は反射さ
れた光円錐、２０はフレーム、２１は管、２２は端部の
横方向の壁、２３は管、４０は透明な窓、４１は反射層
、４２はホトレジストである。 Ｆｉｇ　５Ａ Ｆｉｇ　６Ａ Ｆｉｇ　５Ｂ ０ Ｆｉｇ　６Ｂ

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）変位を検出するための方向および振幅センサであ
   って、可動要素と一体の鏡と、基準フレームと一体のホ
   トエミッタおよび光受容体アセンブリとを含み、 前記アセンブリは、光円錐を鏡（１０）の方へ放射する
   中央の光ファイバ（１）および光受取りファイバ（２−
   ７）を含み、それの各々は中央のファイバと接触し、 鏡は円形であり、かつそれの直径およびファイバの末端
   からのそれの軸方向の距離は、センタリングされた位置
   において、それの直径が実質的に中央のファイバにより
   発生された光円錐（１１）のそれに対応し、かつ反射さ
   れた光円錐（１２）が実質的に受取りファイバの外部の
   半径方向の端縁に正接するようにされ、 鏡（１０）は、管（２１）の端部の横方向の壁（２２）
   の上に、この管の軸に垂直にかつそれとセンタリングさ
   れて嵌め合せられ、この管の他方の末端はフレーム（２
   ０）に埋め込まれ、光ファイバ（１−７）はそれらの末
   端が前記管の内部にかつ鏡の方へ配向される、センサ。
2. （２）中央の光ファイバにより放射された光は、電界発
   光ダイオードから発する、請求項１に記載のセンサ。
3. （３）放射および受取りファイバは同一の直径を有し、
   ６個の受取りファイバが与えられる、請求項１に記載の
   センサ。
4. （４）放射および受取りファイバはインデックススキッ
   ピングファイバであり、それの末端は裸でかつ並んで結
   合される、請求項１に記載のセンサ。
5. （５）光ファイバは、第１の管の内部にかつ支持と一体
   に配置された第２の管（２３）の内部に配置される、請
   求項１に記載のセンサ。
6. （６）それの埋め込まれた末端と反対側の前記第１の管
   の末端は、外力に従わせられるアームにより延長される
   、請求項１に記載のセンサ。
7. （７）管のまたはアームの外部壁は流体の流れの作用に
   従わせられ、それによって前記センサは速度および方向
   アネモメータまたは流量メータを構成する、請求項６に
   記載のセンサ。
8. （８）アームの末端は保持手段と嵌め合せられ、それに
   よってセンサはジョイ・スティックを構成する、請求項
   ６に記載のセンサ。
9. （９）前記管（２１）においてセンサの種々の構成要素
   を組立てるステップと、 管の底部に、管の外側の部分において、反射層（４１）
   およびホトレジスト（４２）により被覆された透明な窓
   （４０）を設けるステップと、前記反射層を通過する波
   長における光ビームによって中央のファイバからのレジ
   ストを放射するステップと、 放射された区域に対応して鏡（１０）の輪郭を描くよう
   に、従来のホトエッチングプロセスによってホトレジス
   ト（４２）および反射層（４１）をエッチングするステ
   ップとを含む、請求項１に記載のセンサを製造するため
   のプロセス。
10. （１０）前記反射層は薄い金属層である、請求項９に記
    載のプロセス。